UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS DENGAN LUAS FRONTAL 4320 CM

UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS

2 DENGAN LUAS FRONTAL 4320 CM TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

Jurusan Teknik Mesin Diajukan oleh :

TUMBUR SAHALA TUA NIM : 075214033 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2011

PERFORMANCE OF THREE VARIATIONS SIZE SAVONIUS WIND TURBINE WITH 4320 CM

FRONTAL AREA FINAL PROJECT

As partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree Mechanical Engineering Study Program

Mechanical Engineering Department by

TUMBUR SAHALA TUA Student Number : 075214033 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2011

INTISARI

Untuk mengurangi pemakaian energi fosil sebagai pendukung dalam kehidupan manusia diperlukan energi alternatif yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi yang dapat dikembangkan yaitu energi angin.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan unjuk kerja model kincir

angin Savonius dengan luas frontal 4320 cm dengan tiga variasi ukuran. Model pertama dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm, model kedua dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm, dan yang ketiga dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm. Setiap kincir angin diuji untuk mengetahui torsi, daya kincir, dan koefisien daya.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien daya maksimal tertinggi diperoleh pada model kincir pertama, yaitu 36 % pada tip speed ratio (tsr) 1,11, menghasilkan daya 27,63 watt pada kecepatan angin 6,50 m/s dengan torsi 1,03 Nm. Kincir model kedua menghasilkan koefisien daya maksimal 32 % pada tip speed ratio 0,95, menghasilkan daya 23,42 watt pada kecepatan angin 6,63 m/s dengan torsi 1,22 Nm. Kincir model ketiga menghasilkan koefisien daya maksimal 33 % pada tip speed ratio 1,01, menghasilkan daya 22,26 watt pada kecepatan angin 6,43 m/s dengan torsi 1,24 Nm.

Kata kunci : koefisien daya, daya kincir, torsi, tip speed ratio

ABSTRACT

The alternative renewable and environmental friendly energy is needed to reduce the consumption of fossil energy which is functioned as a supporter of human life. One of the energy which can be developed is wind energy.

The purpose of the study was to develop the performance of Savonius windmill

model which has 4320 cm frontal area and three various sizes. The first model a has 60 cm diameter and 72 cm hight. The second one has 65,7 cm diameter and 65,7 cm hight. The third one has 72 cm diameter and 60 cm hight. Each windmill was tested to determine the torque, power turbines, and power coefficiency.

The result of the research indicated that the highest maximum coefficient power had been obtained from the model of the first windmill. i.e. 36 percentages at the tip speed ratio (tsr) 1,11, 27,63 watts of generated power at wind speed of 6,50 m/s with a torque of 1,03 Nm. Meanwhile, the model of the second windmill produced coefficient power maximized at 32 percentages for the tip speed ratio of 0,95 and 23,42 watts of generated power at wind speed of 6,63 m/s with a torque of 1,22 Nm. Lastly, the third one produed maximum coefficient power for 33 percentages at the tip speed ratio of 1,01 and 22,26 watts of generated power at wind speed of 6,43 m/s with a torque of 1,24 Nm.

Keyword : power coefficient, windmill power, torque, tip speed ratio

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yesus Kristus 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. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Bapak Ir. Rines.,M.T., Dosen pembimbing Tugas Akhir.

4. RB. Dwiseno Wihadi, S.T., M.si., selaku Dosen pembimbing akademik.

5. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Bapak Ir. YB. Lukiyanto, M.T., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.

6. Bapak Morsin Marbun dan Ibu Emmy Munthe selaku orang tua penulis, karena kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis.

Keluarga penulis, yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

7. Rekan sekelompok yaitu Kasianto dan Dian Afril Ganda Sinaga, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data.

8. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2007 Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya. Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 29 Juli 2011 Penulis

DAFTAR ISI

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

TITLE PAGE ............................................................................................ ii

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

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

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .....................................

INTISARI .................................................................................................. vi

ABSTARCT ............................................................................................... vii

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ........................................ viii

KATA PENGANTAR ............................................................................... ix

DAFTAR ISI .............................................................................................. xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiv

DAFTAR TABEL ..................................................................................... xv

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang .......................................................................................

1 1.2 Rumusan Masalah .................................................................................

2 1.3 Batasan Masalah....................................................................................

2 1.4 Metodologi ............................................................................................

3 1.5 Tujuan Tugas Akhir ..............................................................................

4 1.6 Manfaat Penelitian ................................................................................

4 BAB II DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin .............................................................................

15 2.4.3 Tip speed ratio ..............................................................................

36 4.2.2 Perhitungan Torsi .........................................................................

36 4.2.1 Perhitungan Daya Angin ..............................................................

31 4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ........................................................

28 BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Penelitian ......................................................................................

26 3.5 Langkah Penelitian ................................................................................

26 3.4 Parameter yang dihitung .......................................................................

25 3.3 Variabel yang Diukur ............................................................................

18 3.2 Variabel Penelitian ................................................................................

17 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Peralatan dan Bahan ..............................................................................

16 2.4.4 Koefisien Daya .............................................................................

15 2.4.2.2 Daya Kincir Angin ...........................................................

6 2.1.1 Jenis-jenis Angin ..........................................................................

14 2.4.2.1 Torsi Kincir Angin ...........................................................

13 2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya .........................................................

13 2.4.1 Energi Kinetik Angin ...................................................................

12 2.4 Dasar-dasar Perhitungan Kincir Angin Savonius .................................

12 2.3.2 Gaya Hambat ................................................................................

12 2.3.1 Gaya Angkat.................................................................................

11 2.3 Gaya yang bekerja Pada Sudu Kincir Angin.........................................

11 2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal ....................................................

10 2.2.1 Kincir Angin Poros Vertikal ........................................................

7 2.2 Kincir Angin .........................................................................................

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ..............................................................

39 4.2.4 Perhitungan tip speed ratio ...........................................................

40 4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya ........................................................

41 4.3 Hasil dan Pembahasan...........................................................................

42 4.3.1 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ...............

48 4.3.2 Grafik Koefisien Daya terhadap tip speed ratio ...........................

50 4.4 Pembahasan ...........................................................................................

52 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ...........................................................................................

54 5.2 Saran ......................................................................................................

55 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta potensi Angin Indonesia ..................................................

24 Gambar 3.11 Generator ...............................................................................

51 Gambar 4.7 Grafik Koefisien Daua Terhadap tip speed ratio .....................

50 Gambar 4.6 Grafik Koefisien Daua Terhadap tip speed ratio .....................

49 Gambar 4.5 Grafik Koefisien Daua Terhadap tip speed ratio .....................

49 Gambar 4.4 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ..........

48 Gambar 4.3 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ..........

47 Gambar 4.2 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ..........

28 Gambar 4.1 Grafik Betz ..............................................................................

28 Gambar 3.15 Posisi Anemometer ...............................................................

27 Gambar 3.14 Posisi Kincir ..........................................................................

25 Gambar 3.13 Susunan Pengujian ................................................................

24 Gambar 3.12 Takometer..............................................................................

23 Gambar 3.10 Rangkaian Beban Lampu ......................................................

7 Gambar 2.2 Angin Laut dan Angin Darat ...................................................

23 Gambar 3.9 Neraca Pegas ...........................................................................

22 Gambar 3.8 Anemometer ............................................................................

22 Gambar 3.7 Fan Blower ..............................................................................

21 Gambar 3.6 Wind Tunnel ............................................................................

20 Gambar 3.5 Dudukan Sudu Kincir Angin ...................................................

20 Gambar 3.4 Penahan Sudu Kincir Angin ....................................................

19 Gambar 3.3 Sudu Kincir Angin ..................................................................

18 Gambar 3.2 Poros Kincir Angin..................................................................

11 Gambar 3.1 Kincir Angin Savonius ............................................................

10 Gambar 2.4 Kincir Angin Poros Horizontal dan Mendatar ........................

9 Gambar 2.3 Angin Lembah dan Angin Gunung .........................................

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Ukuran Variasi Kincir Angin ......................................................

21 Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Pertama .............................

32 Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Kedua ...............................

33 Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Ketiga ...............................

35 Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Kincir Variasi Pertama .........................

42 Tabel 4.5 Data Hasil Perhitungan Kincir Variasi Kedua ............................

44 Tabel 4.6 Data Hasil Perhitungan Kincir Variasi Ketiga ............................

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Tabel Sifat Umum Udara Lampiran 2 Gambar Proses Pembuatan Kincir Lampiran 3 Gambar Posisi Kincir di Dalam Wind Tunnel Lampiran 4 Gambar Kincir Angin Yang Digunakan Pada Penelitian

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Energi sudah menjadi kebutuhan dalam kehidupan manusia seluruh aktivitas manusia dewasa ini tidak terlepas dari energi. Meningkatnya pemakaian energi membuat kita beralih ke energi alternatif. Disamping itu juga penggunaan energi fosil dapat menyebabkan pemanasan global. Ketergantungan terhadap energi fosil membuat ancaman terhadap lingkungan hidup akibat pemakaian energi yang berlebihan, beberapa contoh dapat kita lihat peningkatan suhu, mencairnya es di kutup utara dan pendangkalan laut. Untuk itu diperlukan penggunaan sumber energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan.

Potensi sumber daya energi terbarukan seperti matahari, angin dan air, secara prinsip memang dapat diperbarui karena selalu tersedia di alam. Namun kenyataanya potensi yang dapat dimanfaatkan adalah terbatas tidak disetiap daerah dan setiap waktu dapat diterapkan. Sumber daya energi terbarukan sampai saat ini belum dapat menggantikan kedudukan sumber daya energi fosil sebagai bahan baku produksi energi listrik. Oleh sebab itu energi terbarukan ini lebih tepat sebagai sumber energi tambahan untuk memenuhi peningkatan energi fosil serta menghambat atau mengurangi peranan sumber daya energi fosil. Di Indonesia, potensi sumber energi terbarukan banyak dimiliki. Beberapa diantaranya bisa diterapkan seperti energi panas bumi, energi surya, dan energi angin.

Untuk pemanfaatan energi angin, dapat diterapkan di daerah pantai dan daerah yang memiliki kecepatan angin yang relatif konstan. Secara garis besar pemanfaatan energi angin dapat diterapkan pada kincir angin Savonius, pada prosesnya energi kinetik angin kemudian dikonversikan oleh suatu kincir angin untuk dijadikan energi mekanik sebagai penggerak poros, dengan menggunakan sudu sebagai penangkap anginnya.

Untuk itu pada tugas akhir ini dilakukan pembuatan dan penelitian unjuk

kerja model kincir angin Savonius dengan luas frontal 4320 cm dan tiga variasi ukuran. Diharapkan setelah terciptanya alat ini dapat diketahui koefisien daya maksimal yang dihasilkan kincir dari ketiga variasi ukuran sebagai acuan untuk penelitian selanjutnya dengan variasi dan ukuran yang lain untuk mengembangkan penelitian di bidang energi terbarukan yang ramah lingkuangan.

1.2 Rumusan Masalah

Dalam tugas akhir ini proses penelitian dari ketiga model kincir angin di teliti di dalam terowongan angin, dari hasil pengujian diharapkan dapat diperoleh data dari ketiga model kincir angin untuk mengetahui daya maksimal yang dihasilkan kincir dan koefisien daya dari masing-masing variasi ukuran yang kemudian dibandingkan dengan ukuran kincir.

1.3 Batasan Masalah

Dalam penulisan sikripsi ini, untuk mendapatkan pembahasan yang terarah maka diberi batasan-batasan masalah sebagai berikut :

1. Kincir angin yang digunakan adalah kincir angin berporos vertikal tipe Savonius dengan luas frontal 4320 cm

2 dengan tiga variasi ukuran.

2. Sudu masing-masing kincir angin adalah empat dengan variasi dua tingkat.

3. Tidak membahas mengenai proses pembuatan kincir angin dan biaya pembuatan.

4. Lokasi pengambilan data dilakukan di laboratorium Universitas Sanata Dharma.

5. Dalam penelitian ini maksimal kecepatan angin yang dihasilkan tergantung pada kecepatan blower pada terowongan angin.

6. Temperatur udara sekitar hanya pada lokasi pengambilan data.

7. Penelitian ini hanya menghitung torsi, daya yang dihasilkan kincir,

tip speed ratio

, dan koefisien daya.

8. Kincir angin ini diteliti untuk mencari koefisien daya kincir yang terbaik dari ketiga variasi ukuran.

1.4 Metodologi

Metodologi yang dilakukan dalam pelaksanaan tugas akhir ini adalah :

1. Studi Literatur Mencakup pemahaman secara teoritis tentang konsep kerja angin dan kincir angin.

2. Sintesis Meliputi proses pembuatan dan menggabungkan komponen-komponen dari kincir angin.

3. Pengujian Meliputi pengambilan data kincir angin seperti kecepatan angin, suhu, putaran poros dan gaya torsi.

4. Pembahasan Membahas data-data yang diperoleh dari hasil penelitian.

5. Penyusunan sikripsi Penyusunan sikripsi dibuat secara tertulis sebagai dokumentasi hasil pengujian secara lengkap.

1.5 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan dari penelitian kincir angin Savonius adalah :

1. Untuk mengetahui ukuran variasi kincir yang menghasilkan daya dan koefisien daya tertinggi.

2. Mengetahui ukuran kincir mana yang menghasilkan daya dan torsi tertinggi.

3. Mengetahui hubungan antara ukuran sudu dengan koefisien daya dan daya yang dihasilkan kincir.

1.6 Manfaat Tugas Akhir

Manfaat dari tugas akhir ini adalah :

1. Manfaat bagi peneliti :

a. Mampu membuat kincir angin Savonius yang digunakan untuk penelitian. b. Menerapkan ilmu pengetahuan yang didapatkan dibangku kuliah terutama yang berkaitan dengan kincir angin.

2. Manfaat bagi ilmu pengetahuan :

a. Sebagai bahan mempelajari dan memahami teknologi energi angin sebagai salah satu energi terbarukan.

b. Mengembangkan teknologi kincir angin sebagai salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.

3. Manfaat bagi Pemerintah, dapat dijadikan sebagai masukan untuk pembangkit listrik tenaga angin dan dimanfaatkan untuk kepentingan masyarakat indonesia.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin

Energi angin merupakan energi terbarukan yang tidak ada batasnya dengan menggunakan beberapa peralatan energi angin dapat digunakan untuk mendukung kehidupan manusia.

Angin adalah udara yang bergerak, terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara yang bergerak dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah.

Perbedaan suhu ini disebabkan oleh adanya pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Sehingga pada setiap tempat dipermukaan bumi suhu udara tidak sama, inilah yang dimaksut dengan perbedaan suhu udara disuatu tempat dengan tempat yang lain.

Udara yang bersuhu tinggi akan mengembang sehingga tekanan udara akan menjadi ringan, karena tekanan udara ringan maka udara panas akan naik ke atas bergerak ke daerah lebih dingin. Sedangkan udara yang bersuhu rendah akan mengalami kompresi, lalu tekanannya akan naik sehingga udara ini akan bergerak turun ke permukaan bumi. Karena perbedaan suhu lalu mengakibatkan perbedaan tekanan antara udara yang bergerak dari tempat yang bertekanan tinggi menuju ke tempat yang bertekanan rendah, dari pergerakan ini maka terjadilah suatu gerakan udara dan timbullah angin. Adapun data kecepatan rata-rata angin di Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 kecepatan angin rata-rata Indonesia (sumber :

http://konversi.wordpress.com/ , november 2008)

Dari Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata terbesar adalah daerah Nusa Tenggara, 5,5-6,5 m/s. Sedangkan pulau-pulau besar di Indonesia, seperti Sumatera, Kalimantan, Jawa, Sulawesi dan Papua hanya memiliki kecepatan angin rata-rata antara 2,7 – 4,5 m/s. Kecepatan angin pada daerah-daerah di Indonesia memang relatif lebih kecil dari daerah- daerah konsumen energi angin seperti Finlandia, Belanda, dan Amerika Serikat.

2.1.1 Jenis-jenis Angin

Secara garis besar angin dapat dibagi menjadi dua yaitu Angin planetary .

dan Angin Lokal 1.

Angin Planetary

Angin planetary disebabkan oleh pemanasan yang lebih besar pada permukaan bumi antara ekuator/tropis dengan daerah kutup. Daerah tropis lebih banyak menerima sinar matahari daripada daerah kutup, hal ini yang menyebabkan udara yang panas naik mengalir ke atas atmosfir menuju kutub. Sedangkan udara dingin dari kutub mengalir ke daerah tropis lewat permukaan bumi.

2. Angin Lokal

Angin lokal berskala harian dapat dibagi menjadi dua yaitu angin darat dengan angin laut, dan angin lembah dan angin gunung.

1. Angin darat dengan angin laut Angin darat dan angin laut sangat dipengaruhi oleh perbedaan fisis antara daratan dan lautan. Perbedaan fisis tersebut dapat dilihat seperti berikut ini : a. Laut memiliki kapasitas panas lebih besar dari darat.

b. Laut lebih banyak memantulkan sinar matahari daripada darat.

c. Energi matahari dapat masuk kedalam laut sampai kedalaman yang cukup dalam dengan bantuan arus, sedangkan di darat, energi matahari hanya dapat masuk beberapa centimeter saja. Dari perbedaan perbedaan sifat fisis tersebut, maka jelas terlihat bahwa darat akan lebih cepat panas di siang hari jika dibandingkan dengan laut, dan sebaliknya, dimalam hari, darat akan lebih cepat dingin daripada laut. Secara singkat, darat lebih cepat menyimpan panas, dan juga lebih cepat melepaskan panas.

Pada siang hari, udara di atas daratan akan lebih panas daripada udara di atas lautan. Hal ini menyebabkan tekanan udara di atas darat menjadi lebih rendah daripada tekanan udara di atas laut. Menuruti sifat udara yang bergerak dari tekanan yang lebih tinggi menuju tekanan yang lebih rendah, maka udara akan bergerak dari laut ke darat. Inilah yang disebut angin laut.

Sedangkan pada malam hari, udara di atas daratan akan lebih dingin daripada udara diatas lautan. Tekanan udara di atas daratan menjadi lebih tinggi daripada tekanan udara di atas laut. Sehingga angin berhembus dari darat ke laut. Inilah yang disebut angin darat.

Angin laut biasanya berhembus mulai sekitar pukul 10.00, dan mencapai maksimal pada pukul 14.00. Setelah melewati pukul 14.00 angin akan menurun hingga pukul 20.00. Lalu akan digantikan oleh angin darat. Kekuatan angin darat dan laut sendiri sangat dipengaruhi oleh perbedaan suhu antara laut dan darat.

Semakin besar perbedaan suhunya, maka kekuatan angin akan semakin besar. Di Indonesia sendiri, angin laut dapat terjadi sepanjang tahun. Berbeda dengan Negara Negara di lintang menengah dan tinggi. Walaupun di Indonesia pengaruh angin musim cukup besar, tetapi pengaruh angin laut masih bisa dirasakan.

Seperti nelayan yang memanfaatkan angin darat untuk pergi melaut, dan angin laut untuk pulang ke daratan.

Gambar 2. 1 Angin laut dan angin darat. (sumber : http://zakroz.blogspot.com )

2. Angin lembah dan angin gunung Berbeda dengan angin darat dan angin laut, angin lembah dan angin gunung lebih dikarenakan perbedaan tekanan udara antara puncak pegunungan / gunung, dengan lembahnya. Pada malam hari, puncak gunung akan lebih dingin dari lembahnya, sehingga angin bergerak dari puncak menuju lembah atau tanah yang lebih rendah. Inilah yang disebut angin gunung. Sedangkan di siang hari, kondisi lereng lereng gunung dan puncak gunung yang di sinari matahari, akan menjadi lebih panas dari daerah lembah, sehingga angin bergerak dari lembah menuju tempat tempat yang lebih tinggi. (sumber : http://harirustianto.blogspot.com/ ) Gambar 2. 3 Angin lembah dan angin gunung. (sumber :

http://zakroz.blogspot.com )

2.2 Kincir Angin

Secara umum pada prinsipnya cara kerja kincir angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir. Berdasarkan kedudukan poros terhadap permukaan tanah kincir angin dikelompokkan menjadi dua yaitu: 1. Kincir angin poros vertikal.

2. Kincir angin poros horizontal.

2.2.1 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin dengan rotor tegak lurus dengan permukaan tanah disebut dengan kincir angin poros tegak (vertical-axis wind turbine/VAWT). Kincir angin poros tegak dapat dapat menerima angin dari segala arah. Satu jenis yang paling terkenal dari kincir angin poros vertikal ini adalah kincir angin Savonius yang pada awalnya dikembangkan di Finlandia.

2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir angin dengan rotor paralel dengan permukaan tanah disebut juga dengan kincir angin poros mendatar (horizontal-axis wind turbine/HAWT).

Diperlukan peralatan tambahan agar kedudukan rotor dapat selalu searah dengan arah datangnya angin. Jika tidak, maka kincir angin ini tidak dapat memberikan efisiensi atau unjuk kerja yang maksimum pada saat arah datangnya angin berubah-ubah. (Lukiyanto, Y.B : 2009) Gambar 2. 2 sebelah kiri kincir angin poros mendatar, sebelah kanan kincir dengan poros tegak lurus dengan permukaan tanah (sumber :

http://colonizeantarctica.blogspot.com )

Dari sekian banyak jenis kincir angin, dalam tugas akhir ini adalah adalah pengembangan dari kincir angin Savonius atau kincir angin bersumbu vertikal.

Pemilihan berdasarkan pertimbangan : 1. Bahan pembuatan kincir angin Savonius ini mudah diperoleh di pasaran.

2. Konstruksi kincir angin Savonius sederhana.

3. Kincir angin Savonius dapat beroperasi pada kecepatan angin yang rendah.

2.3 Gaya Yang Berkerja Pada Sudu Kincir Angin

Gaya yang berkerja pada sudu kincir angin ada dua yaitu gaya angkat (Lift force ) dan gaya hambat (Drag force).

2.3.1 Gaya angkat (Lift force) Gaya angkat (Lift force) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang.

Gaya angkat timbul karena adanya gerakan relatif antara sayap dengan udara yang selanjutnya menimbulkan perbedaan tekanan antara sayap bagian atas dengan sayap bagian bawahnya. Perbedaan tekanan tersebut akan menyebabkan adanya gaya yang bekerja dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah.

2.3.2 Gaya Hambat (Drag force)

Disamping menghasilkan gaya angkat pada teknologi pesawat terbang juga memberikan suatu gaya tahan (drag). Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut hambatan fluida atau hambatan seret) adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. (sumber:

http://id.wikipedia.org/wiki/Gaya_hambat )

2.4 Dasar-dasar Perhitungan Kincir Angin Savonius

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung pada luas daerah yang disapu oleh sudu.

2.4.1 Energi Kinetik Angin

Sebagaimana diketehui energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik dengan massa m dan kecepatan v dapat di hitung dengan rumus :

= 0,5 (2.1) ∙

Dengan : : Energi kinetic (Joule)

: Kerapatan udara (kg) : Kecepatan angin (m/det)

Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan per satuan waktu adalah :

= 0,5 (2.2) ∙ ̇ ∙

Dengan :

: daya angin (watt) ̇ : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s) dimana :

̇ = ∙ ∙ (2.3) Dengan :

A : Luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh

kincir (m )

) : kerapatan udara (kg/m

Dengan menggunakan persamaan (2.3), maka daya angin (P a ) dapat dirumuskan menjadi :

= 0,5 (2.4) ∙ ∙ ∙ ∙ disederhanakan menjadi :

= 0,5 (2.5) ∙ ∙ ∙

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya

Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk mengetahui daya yang dihasilkan kincir angin dan koefisien daya yang dihasilkan kincir.

2.4.2.1 Torsi Kincir Angin

Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Dapat dirumuskan sebagai berikut :

= ∙ (2.6) Dengan :

: torsi dihasilkan dari putaran poros (Nm) : gaya pada poros akibat puntiran (N) : jarak lengan ke poros (m)

2.4.2.2 Daya Kincir Angin

Dari hasil penelitian diketahui bahwa besarnya daya yang dihasilkan oleh kincir ( ) akan berbanding lurus dengan putaran poros ( ). Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai berikut :

= ∙ (2.7)

Dengan : : besarnya torsi (Nm) : kecepatan sudut (rad/sec)

Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut ( ) dirumuskan sebagai :

∙ = � � (2.8)

30 Maka besarnya daya kincir berdasarkan persamaan (2.7) dapat dinyatakan dengan :

∙ =

∙ � � (2.9)

30 Dengan : : daya poros kincir angin (watt)

: putaran poros (rpm) : besarnya torsi (Nm)

2.4.3 Tip speed ratio Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin yang melewatinya, dapat dirumuskan dengan : ∙ ∙

(2.10) = �

30 ∙ �

Dengan : : jari-jari kincir (m)

: putaran poros kincir (rpm) : kecepatan angin (m/det)

2.4.4 Koefisien Daya (

)

) dalam kincir angin sering disebut juga dengan Koefisien daya ( efisiensi adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir ( ) dengan daya yang dihasilkan oleh angin ( ), sehingga dapat dirumuskan :

= ∙ 100% (2.11)

Dengan : : Koefisien daya (%)

: daya yang dihasilkan oleh kincir (watt) : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

BAB III METODE PENELITIAN Penelitian ini merupakan pengembangan penelitian dari kincir angin Savonius. Penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma selama tiga hari. Pengambilan data dilakukan dari pukul 08.00 hingga 15.00.

3.1 Peralatan dan Bahan

Gambar 3. 1 Kincir angin Savonius Kincir angin model tugas akhir yang dapat dilihat pada Gambar 3.1, memiliki empat bagian yaitu :

1. Poros Kincir Angin

Poros kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.2, digunakan sebagai struktur utama penopang dari komponen kincir berada, yang kemudian menyalurkan daya dari putaran sudu ke roda penggerak. Poros terbuat daru pipa PVC. Poros merupakan bagian terpenting dalam proses kerja kincir dikarenakan dapat mempengaruhi efisiensi kerja kincir angin.

Gambar 3. 2 Poros kincir angin 2.

Sudu Kincir Angin

Sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.3, adalah komponen kincir angin yang berfungsi menagkap angin. Sudu didesain berbentuk lengkung (setengah silinder) yang disusun saling berlawanan arah. Sudu didesain empat sudu yang diharapkan agar putaran kincir stabil.

Gambar 3. 3 Sudu kincir angin 3.

Penahan Sudu Kincir Angin

Penahan sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.4, adalah komponen yang digunakan untuk menahan sudut lingkaran pada sudu.

Gambar 3. 4 Penahan sudu kincir angin 4.

Dudukan Sudu Kincir Angin

Dudukan sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.5, berfungsi untuk menahan keempat sudu kincir yang selanjutnya dihubungkan dengan poros.

Gambar 3. 5 Dudukan sudu kincir angin Ukuran posisi sudu dari ke tiga variasi kincir dapat dilihat pada Tabel 3.1 :

Tabel 3. 1 Ukuran variasi kincir D (mm) R (mm) r (mm) x (mm) y (mm) q (mm) 720 360 216

34 213 135 600 300 180 28 178 113 657 329 197 31 195 123

Peralatan yang digunakan dalam proses pengambilan data di laboratorium antara lain :

1. Wind Tunnel

Wind tunnel atau terowongan angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.6, berfungsi menangkap angin yang dihisap oleh motor fan.

Sekaligus tempat untuk pengujian kincir.

Gambar 3. 6 Wind tunnel 2.

Fan blower

Fan blower seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.7, adalah alat yang digunakan untuk menghisap angin melalui wind tunnel (terowongan angin). Daya dari motor fan adalah 5,5 .

Gambar 3. 7 Fan blower

3. Anemometer

Anemometer seperti pada Gambar 3.8, digunakan untuk mengukur kecepatan angin di dalam wind tunnel. Terdapat sebuah tahanan di dibagian depan kincir angin untuk tempat pemasangan anemometer.

Gambar 3. 8 Anemometer 4.

Neraca pegas

Neraca pegas seperti pada Gambar 3.9, digunakan untuk mengukur pembebanan pengimbang torsi.

Gambar 3. 9 Neraca pegas

5. Rangkaian beban lampu

Rangkaian beban lampu seperti pada Gambar 3.10, digunakan untuk memberikan variasi pembebanan pada saat pengujian kincir angin.

Gambar 3. 10 Rangkaian beban lampu 6.

Generator

Generator seperti pada Gambar 3.11, dihubungkan dengan rangkaian pembebanan lampu. Berfungsi sebagai pengereman putaran kincir angin dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.

Gambar 3. 11 Generator

7. Takometer

Takometer seperti pada Gambar 3.12, berfungsi untuk mengukur kecepatan putaran kincir angin. Pengukuran dilakukan dibawah kincir angin.

Gambar 3. 9 Takometer

3.2 Variabel Penelitian

Sebelum penelitian kincir angin Savonius sumbu vertikal ini menggunakan beberapa variabel pengujian :

1. Variasi ukuran kincir adalah : 1. Diameter 60 cm dengan tinggi 72 cm.

2. Diameter 65,7 cm dengan tinggi 65,7 cm.

3. Diameter 72 cm dengan tinggi 60 cm.

2. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara mengatur jarak antara motor fan dengan terowongan angin (wind tunnel).

3.3 Variabel yang Diukur

Variabel yang diukur dalam penelitian ini adalah :

1. Putaran kincir angin ( )

2. Kecepatan angin ( )

3. Gaya torsi (F)

4. Suhu udara (°C)

3.4 Parameter yang Dihitung

Untuk mendapatkan karakteristik dari kincir angin, maka diambil data- data sebagai dasar dalam perhitungan. Dimana data-data yang diperlukan adalah :

1. Daya angin ( )

2. Daya kincir ( )

3. Koefisien daya ( )

4. Tip speed ratio ( )

5. Torsi (T)

Gambar 3. 10 Susunan pengujian Keterangan :

1. Anemometer

2. Kincir angin

3. Wind tunnel

4. Saklar blower

5. Kabel penghubung generator ke beban lampu

6. Tachometer

7. Neraca pegas

8. Blower Sebelum pengambilan data, langkah awal yang perlu dilakukan memasang kincir di dalam wind tunnel. Lalu menyambungkan poros kincir dengan transmisi sabuk yang berada di bawah wind tunnel. Dapat dilihat pada Gambar 3.14.

Gambar 3. 11 Posisi Kincir

3.5 Langkah Penelitian

Pengambilan data daya kincir, putaran kincir dan gaya torsi dilakukan secara bersamaan yaitu :

1. Memasang alat ukur anemometer, untuk mengukur kecepatan angin di dalam wind tunnel. seperti yang dilihat pada Gambar 3.15.

Gambar 3. 12 Posisi anemometer

2. Memasang neraca pegas di tempat yang telah ditentukan.

3. Memasang tali sebagai penghubung antara neraca pegas dengan lengan pada generator di bawah kincir.

4. Menghubungkan rangkaian lampu dengan generator, yang digunakan untuk pengereman.

5. Semua saklar lampu diposisikan off terlebih dahulu, pengujian ini dilakukan sampai putaran kincir tidak konstan dan sampai gaya torsi (F) yang diukur dengan neraca pegas tidak bertambah lagi.

6. Semua peralatan yang digunakan diperiksa dan jarak blower dengan wind tunnel dipastikan terpasang serapat mungkin untuk mendapatkan kecepatan angin yang maksimal.

7. Blower dihidupkan dengan memutar saklar blower dari posisi off ke posisi on.

8. Bila kecepatan angin sudah konstan, timer yang terdapat pada anemometer diaktifkan, dan satuan kecepatan angin pada anemometer (m/s).

9. Pengukuran yang dilakukan :

a. Kecepatan putaran poros dengan tachometer yang diarahkan pada pulley yang terdapat pada generator.

b. Kecepatan angin dan suhu udara dengan anemometer.

10. Pengumpulan data dilakukan setelah 30 detik.

11. Hasil dari pengamatan kemudian dicatat.

12. Langkah 5 hingga 11 di ulangi, hingga gaya torsi (F) tidak bertambah lagi.

13. Untuk mendapatkan variasi kecepatan angin, jarak mundur antara blower dengan wind tunnel divariasikan.

14. Setelah kecepatan angin divariasikan, langkah 5 hingga 11 dilakukan kembali sampai putaran kincir tidak konstan dan gaya torsi (F) tidak bertambah lagi.

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

Dalam penelitian ini data yang akan diambil berupa data kecepatan angin, putaran kincir, gaya torsi dan suhu udara, data tersebut diperoleh dari kincir yang berputar. Pengambilan data dilakukan sampai putaran poros tidak konstan dan gaya torsi tidak bertambah lagi dengan melakukan pembebanan dari rangkaian beban lampu dan memvariasikan kecepatan angin dengan cara mengatur jarak fan blower dengan wind tunnel untuk mendapatkan kecepatan angin yang bervariasi seperti yang terlihat pada tabel, posisi yang menunjukkan 0 adalah saat posisi wind tunnel dengan fan blower dalam posisi rapat. Posisi yang menunjukkan 1 adalah saat wind tunnel dengan fan blower telah dimundurkan satu kali, pengambilan data dilakukan secara bersamaan dengan proses pengumpulan data dalam waktu 30 detik. Dari ketiga variasi ukuran kincir maka didapatkan data yang dibandingkan pada jenis ukuran kincir manakah yang memberikan koefisien daya yang paling besar. Dari penelitian didapatkan data seperti yang dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2 dan Tabel 4.3.

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

13 6,44 28,33 196,33 593 14 6,58 28,20 164,63 640 15 6,55 28,10 127,97 600 16 6,60 28,10 91,58 680 17 6,60 28,20 59,76 700

5 5,82 28,63 213,77 350 32 5,80 28,50 157,33 450

28 6,27 28,50 176,60 560 29 6,30 28,50 120,70 585 30 6,34 28,50 59,97 610

4 6,26 28,37 231,73 390 27 6,24 28,43 202,73 490

20 6,42 28,20 188,27 550 21 6,46 28,10 146,33 590 22 6,53 28,20 112,90 630 23 6,59 28,20 95,99 640 24 6,56 28,10 72,86 650 25 6,57 28,23 57,32 680

3 6,47 28,23 231,73 390 19 6,42 28,20 219,57 510

2 6,57 28,33 273,40 400 12 6,50 28,37 229,67 525

No Posisi Kecepatan

8 6,66 28,70 205,47 610 9 6,74 28,70 172,83 700 10 6,70 28,63 58,30 713

1 6,62 28,43 278,23 400 7 6,59 28,63 226,63 550

(gram) 1 6,94 27,67 276,33 457 2 6,78 28,20 228,03 590 3 6,80 28,20 204,37 620 4 6,77 28,20 171,10 700 5 6,80 28,37 107,96 710

Poros (rpm) Gaya

(°C) Putaran

Angin (m/s) Suhu

33 5,87 28,40 120,13 515 34 4,91 28,33 41,15 530

Tabel 4.1 (lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

No Posisi Kecepatan

2 6,16 28,57 216,53 370 15 6,18 28,50 177,83 475

10 6,49 28,20 183,10 565 11 6,52 28,27 154,53 650 12 6,58 28,27 123,83 669 13 6,57 28,43 66,97 700

1 6,53 28,10 240,50 400 9 6,54 28,27 208,43 503

(gram) 1 6,60 27,90 241,47 430 2 6,62 28,03 210,27 510 3 6,63 28,00 183,93 620 4 6,62 27,90 158,97 700 5 6,69 27,83 84,76 720 6 6,68 27,73 71,32 740 7 6,77 27,70 61,92 800

Poros (rpm) Gaya

(°C) Putaran

Angin (m/s) Suhu

Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7cm

No Posisi Kecepatan

40 5,27 27,90 56,81 400 41 5,22 27,87 29,06 418

7 5,23 28,00 127,05 335 39 5,24 28,00 73,64 385

37 5,51 28,10 56,60 450

6 5,41 28,20 171,20 345 36 5,43 28,20 106,00 442

(gram)

Poros (rpm) Gaya

(°C) Putaran

Angin (m/s) Suhu

16 6,13 28,40 144,53 565 17 6,20 28,47 113,90 590 18 6,21 28,40 67,24 622 19 6,24 28,40 58,46 642

Tabel 4.2 (lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7cm

27 5,66 28,90 88,34 470 28 5,65 28,93 69,21 485 29 5,69 28,93 52,81 498 30 5,69 28,87 34,69 513

7 4,97 28,57 112,70 320 44 5,02 28,50 60,79 350

39 5,18 28,80 56,57 385 40 5,16 28,80 43,67 400 41 5,16 28,70 28,22 420 42 5,24 28,70 20,14 437

6 5,33 28,80 128,13 335 38 5,12 28,80 87,43 370

33 5,40 28,87 67,06 413 34 5,38 28,87 54,08 435 35 5,39 28,87 46,31 460 36 5,47 28,80 35,86 470

5 5,28 28,90 141,60 348 32 5,31 28,90 101,76 400

4 5,55 28,93 171,73 350 26 5,59 29,00 130,90 445

No Posisi Kecepatan

22 5,97 28,93 117,80 530 23 5,97 29,10 60,18 545 24 5,93 29,10 50,39 565

3 5,81 28,57 189,73 360 21 5,82 29,10 157,97 480

(gram)

Poros (rpm) Gaya

(°C) Putaran

Angin (m/s) Suhu

45 5,03 28,47 36,39 380 46 5,05 28,40 18,27 420

Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm

2 5,92 29,57 205,63 360 16 5,99 29,77 183,30 418

4 5,40 30,03 163,50 357 28 5,39 29,73 136,30 415

23 5,76 29,77 110,97 487 24 5,72 29,60 66,46 515 25 5,76 29,60 52,94 547 26 5,78 29,73 43,78 567

3 5,60 29,80 179,63 360 22 5,54 29,97 152,53 425

UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS DENGAN LUAS FRONTAL 4320 CM