KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU 3 DAN 6

  

KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL DENGAN VARIASI

JUMLAH SUDU 3 DAN 6

TUGAS AKHIR

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

  JurusanTeknikMesin Diajukan oleh :

  

ADE CANDRA KUSUMA NUGRAHA

NIM : 105214078

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2012

  

HORIZONTAL AXIS WIND TURBINES WITH A VARIATION

OF 3 AND 6 BLADES

FINAL PROJECT

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

  Mechanical Engineering Department by

  

ADE CANDRA KUSUMA NUGRAHA

Student Number:105214078

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2012

  

INTISARI

  Dewasa ini keberadaan energi fosil semakin berkurang, dengan eksploitasi secara besar-besaran maka dikawatirkan 25 tahun lagi tidak ada energi fosil yang bisa dimanfaatkan oleh manusia, oleh karena itu perlu dikembangkan energi alternatif yang ramah lingkungan sekaligus mudah dalam pemanfaatannya sehingga dapat menggantikan energi fosil yang semakin berkurang. Salah satu energi yang dapat dikembangkan adalah energi angin yang sangat melimpah. Tujuan penelitian ini adalah membuat kincir angin sudu plat datar dengan variasi jumlah sudu dan melihat unjuk kerja kincir angin.

  Kincir angin yang diuji adalah kincir angin plat datar dengan jumlah sudu 3 dan 6. Kincir angin sudu plat datar memiliki empat bagian utama, yaitu sudu kincir, piringan kincir, penyangga kincir, dan sistem pembebanan. Kincir angin yang diuji memiliki diameter 500 mm. Pengujian dilakukan di dalam terowongan angin yang ada di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Variabel penelitian yang digunakan dalam pengujian kincir angin, yaitu variasi jumlah sudu, variasi pembebanan, dan variasi kecepatan angin. Variabel yang diukur dalam penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir dan beban pengereman.

  Hasil penelitian menujukkan bahwa kincir dengan 6 sudu menghasilkan unjuk kerja yang lebih baik dari kincir dengan 3 sudu. Daya maksimal yang dihasilkan oleh kincir 6 sudu adalah 6,65 watt, torsi maksimal 0,29 N.m dengan C P maksimal 8,43% pada tsr 0,94, sedangkan untuk kincir angin bersudu 3 menghasilkan daya kincir maksimal sebesar 2,85 watt, torsi maksimal 0,12 N.m dengan C P maksimal 3,7 % pada tsr 0,82.

  Kata Kunci : koefisien daya, Tip Speed Ratio, sudu plat datar.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur senantiasa 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. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  4. Bapak I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik.

  5. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Bapak Raden Benedictus Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.

  6. Bapak Sarjana, S.Pd., M.Pd dan Ibu Sri Hastuti, A.Ma.Pd., selaku orang tua penulis dan Kristiawan Cahya Nugraha, S.T., M.M., selalu kakak kandung, 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. Lintang Fitrianing Putri Rohmah, S.Kom., selaku teman dekat penulis.

  8. Rekan sekelompok saya, yaitu Wiyan Ahmad yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikkan alat dan pengambilan data.

  9. Teman-teman Teknik Mesin 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, 19 Februari 2012 Penulis

DAFTAR SIMBOL

  Simbol Keterangan

  v Kecepatan angin (m/s)

  n Kecepatan putar kincir (rpm) F Gaya pengimbang (N) A Luas penampang (m

  2

  ) T Torsi (N.m)

  ω

  Kecepatan sudut (rad/detik) Daya angin (watt) Daya kincir (watt) tsr tip speed ratio

  C P Koefisien daya (%) r Panjang lengan torsi (m) d Diameter kincir (m) R Jari-jari kincir (m) E

  k

  Energi kinetik (Joule) m Massa (Kg)

  m

  ̇ Massa udara yang mengalir per satuan waktu (Kg/s)

  ρ Massa jenis udara (Kg/m

  3

  )

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ……………...……………………………….. i TITLE PAGE …………….......……………............……………….. ii HALAMAN PENGESAHAN ……….....…....……………………… iii DAFTAR DEWAN PENGUJI ……….……............………………… iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ..................................... v LEMBAR PERYATAAN PERSETUJUANPUBLIKASI KARYA

  ILMIAHUNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ..................................... 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 Batasan Masalah ..……………………………………………... 2

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

  1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................... 2

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................…….…………. 3

  2.1 Dasar Teori ..............................………………………...........….... 3

  2.2 Kincir Angin ..........................……........................………………... 4

  2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal …………................................. 4

  2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ……..................................................…. 6

  2.2.3 Kincir Angin American Wind Mill .....………………………….... 8

  2.3. Daya Angin .....…………........................……………….... 9

  2.4. Daya Kincir .…………................................................…... 10

  2.5. Torsi Kincir ........................................................................ 10

  2.6. Kecepatan Sudut Kincir ............................................................ 10 2.7. tip speed ratio ............................................................ 10

  2.8. Koefisien Daya Kincir ............................................................ 11

  BAB III METODE PENELITIAN ..........…………….…………. 12

  3.1 Diagram Alir Penelitian ..................……………...……...…………...... 12

  3.2 Obyek Penelitian ...............…...…………………...………….... 13

  3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ………………………………............ 13

  3.4 Alat dan Bahan ...………..................………………………...........…. 13

  3.5 Variabel Penelitian ..........……............……………………...…... 21

  3.6 Langkah Percobaan ........................................................................ 21

  3.7 Langkah Pengolahan Data ............................................................ 22

  BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN …………..….. 24

  4.1 Data Hasil Percobaan ………............………...……...........……….. 24

  4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan ………................…...………. 25

  4.2.1 Perhitungan Daya Angin ....................................…...…. 26

  4.2.2 Perhitungan Daya Kincir ....….......……………………. 26

  4.2.3 Perhitungan tip speed ratio ............................………...…. 27

  4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir ........………...………. 27

  4.3 Hasil Perhitungan ………........................................…...………. 28

  4.4 Grafik Hasil Perhitungan ……............…................…...………. 30

  4.4.1. Grafik untuk variasi 6 sudu ............................................................ 30

  4.4.2. Grafik untuk variasi 3 sudu ............................................................ 33

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

  5.1 Kesimpulan ……............…………………………........………… 38

  5.2 Saran ……............……............……………................…………… 38 DAFTAR PUSTAKA …………….………………...………....…… 39 LAMPIRAN GAMBAR KERJA ………..............…...………………... 40

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta Potesi Angin Indonesia ………........................….….. 4Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Horisontal ........................….….. 5Gambar 2.3 Kincir Angin Poros Vertikal ....................................….….. 7Gambar 2.4 Kincir MOD-0 rancangan NSF dan NASA ............….….. 8 Gambar 2.5 Grafik Hubungan antara C p dan tsr dari beberapa jenis kincir.

  ....................................….................................................….. 11

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .................….. 12Gambar 3.2 Konstruksi Kincir Angin Plat Datar .................….. 13Gambar 3.3 Konstruksi Kincir Angin Plat Datar (Lanjutan) .....….. 14Gambar 3.4 Sudu Kincir Keseluruhan ...............................................….. 15Gambar 3.5 Piringan Kincir ...............................................….. 15Gambar 3.6 Penyangga Kincir ...............................................….. 16Gambar 3.7 Sistem Pembebanan ...............................................….. 17Gambar 3.8 Terowongan Angin atau Wind Tunel .............................….. 18Gambar 3.9 Blower ...............................................….. 18Gambar 3.10 Tachometer ...............................................….. 19Gambar 3.11 Anemometer ...............................................….. 20Gambar 3.12 Neraca Pegas ...............................................….. 20Gambar 3.13 Tali pengait beban ...............................................….. 21Gambar 3.14 Penyangga anemometer ...............................................….. 22Gambar 4.1 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir 6 sudu..................................................................................….. 30Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir 6 sudu..................................................................................….. 31Gambar 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 6 sudu..................................................................................….. 32Gambar 4.4 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir 3 sudu..................................................................................….. 33Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir

  3 sudu..................................................................................….. 34

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 3 sudu..................................................................................….. 35Gambar 4.7 Grafik perbandingan torsi kincir dan putaran poros ......... 36Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya kincir dan putaran poros ............ 36Gambar 4.9 Grafik perbandingan C dan tsr ...................................….. 37

  p

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data percobaan kincir 6 sudu .....................................….….. 24Tabel 4.2. Data percobaan kincir 3 sudu ...................................….….... 25Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 8,4 m/s

  ...........................................................................................................................28

Tabel 4.4. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 7,8 m/s

  ...........................................................................................................................28

Tabel 4.5. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 7,2 m/s

  ...........................................................................................................................28

Tabel 4.6. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 6,7 m/s

  ...........................................................................................................................29

Tabel 4.7. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 8,3 m/s

  ...........................................................................................................................29

Tabel 4.8. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 8,1 m/s

  ...........................................................................................................................29

Tabel 4.9. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 7,8 m/s

  ...........................................................................................................................29

Tabel 4.10. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 7,3 m/s

  ...........................................................................................................................30

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang Masalah

  Indonesia adalah negara yang memiliki kekayaan alam yang sangat melimpah, khususnya energi fosil yang ada di Indonesia. Energi fosil ini perlu dijaga agar keberadaannya tetap terpelihara dengan baik. Kebutuhan energi di Indonesia dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi yang terus meningkat. Energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaannya mulai terbatas dan terus mengalami deplesi atau penipisan, karena selalu diekspoitasi secara besar-besaran. Sedangkan proses alam untuk menghasilkan energi fosil tersebut memerlukan waktu yang sangat lama dan rumit, sehingga perlu energi pengganti untuk mengurangi ketergantungan akan energi fosil.

  Salah satu energi yang dapat dipakai untuk dapat menggantikan energi fosil adalah energi angin. Indonesia yang merupakan negara kepulauan yang memiliki potensi yang tinggi dalam penggunaan energi angin. Pemanfaatan angin dapat menggunakan berbagai cara, salah satu cara pemanfaatan energi angin adalah dengan menggunakan kincir angin. Kincir angin ini akan mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang kemudian dapat dikonversikan menjadi energi listrik.

  Dalam penelitian ini jenis kincir yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal dengan model kincir angin plat datar, karena jenis kincir ini mudah dibuat dan memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Variasi yang dilakukan pada penelitian ini mengacu pada penelitian yang telah dilakukan di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta oleh Andika, dkk, 2008. Penelitian yang telah dilakukan oleh Andika, dkk adalah dengan mevariasikan sudut sudu 30 , 45 , 60 , dan 75 pada kincir angin poros horisontal bersudu banyak, dimana dalam penelitian tersebut menunjukkan bahwa sudut terbaik yang diperoleh adalah 60 ⁰.

  Dalam penelitian ini, akan dibandingkan unjuk kerja kincir angin sudu plat datar dengan mevariasikan jumlah sudu 3 dan 6. Unjuk kerja ini meliputi daya yang dihasilkan kincir, torsi, C p dan tsr.

  1.2.Batasan Masalah

  Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :

  1. Penelitian dilakukan pada sebuah terowongan angin yang ada di Laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Material sudu terbuat dari bahan acrylic dengan tebal 2 mm.

  2 3. Kincir angin memiliki luasan frontal 0,22 m .

  1.3.Tujuan Penelitian

  Tujuan penelitian ini adalah : 1. Membuat kincir angin plat datar dengan variasi jumlah sudu.

  2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin plat datar 3 sudu dan 6 sudu.

  1.4.Manfaat Penelitian

  Manfaat yang didapatkan dalam penelitian ini adalah : 1. Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin plat datar.

  2. Memberi solusi lain dalam pemanfaatan energi angin yang ada di Indonesia.

  3. Memberi manfaat bagi pengembangan teknologi energi terbarukan, khususnya energi angin.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Dasar Teori

  Angin adalah udara bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Pada daerah yang bertemperatur tinggi udara akan memuai dan massa jenis udara akan turun sehingga tekanan udara di daerah tersebut akan rendah. Tekanan rendah ini akan diisi oleh udara yang datang dari tekanan yang lebih tinggi.

  Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh beberapa hal : pertama, oleh letak tempat atau topografi, dimana jika angin menerpa pada topografi berupa gunung, angin akan cenderung naik dan jika angin menerpa pada topografi berupa dataran, maka angin akan cenderung lurus-lurus saja. Kedua, saat angin bergerak di atas daratan dan lautan juga sangat berbeda. Walau bagaimanapun angin yang bergerak di daratan akan cenderung mengikuti keadaan permukaan daratan, berbeda jika angin yang berhembus di atas lautan maka ia akan ikut mempengaruhi bentuk muka air laut, bahkan pergerakan arus di atas laut. Sehingga ia lebih bebas bergerak di atas lautan daripada di daratan. Ketiga, adanya pepohonan sangat berpengaruh jika pohon tersebut cukup tinggi, maka akan menggangu laju angin.

  Indonesia memiliki potensi angin yang cukup baik, karena sebagian pulau memiliki potensi angin yang bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin, tentunya dengan bantuan alat yang kita sebut dengan kincir angin. Kepulauan yang memiliki potensi tersebut diantaranya kepulauan Sumbawa, Sumba, Lombok, dan Bali yaitu sebesar 4,5 sampai 5,8 m/s. ( Mulyani, 2008 ).

Gambar 2.1 Peta Potesi Angin Indonesia ( Sutrisna, 2011 )

2.2. Kincir Angin

  Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan di Belanda, Denmark, dan negara-negara eropa lainya yang pada waktu itu banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, dan penggilingan gandum. Istilah yang dipakai untuk menamai kincir pada waktu itu adalah Windmill.

  Berdasarkan posisi poros kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal. Dalam penelitian ini akan dikembangkan mengenai kincir angin poros horisontal.

2.2.1. Kincir Angin Poros Horisontal

  Kincir Angi Poros Horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360

  ⁰ terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Beberapa jenis kincir angin poros horisontal yang ada di sekitar kita diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.2.

  a. Kincir angin American WindMill.

  b. Kincir angin Cretan Sail Windmill.

  c. Kincir angin Dutch four arm.

  d. Kincir angin Rival calzoni.

  a. Kincir angin American WindMill b. Kincir angin Cretan SailWindmill

  c. Kincir angin Dutch four arm

  d. Kincir angin Rival calzoni

Gambar 2.2. Kincir Angin Poros Horisontal (Sumber : www.fineartamerica.com , )

  Pada kincir angin poros horisontal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah :

  1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.

  2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.

  3. Material yang digunakan lebih sedikit.

  4. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.

  5. Kecepatan putar lebih besar dari pada kecepatan angin yang diakibatkan gaya angkat atau lift force oleh angin.

  Adapun kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal adalah : 1. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir.

  2. Dapat mempengaruhi radar di bandara.

  3. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan dengan arah angin.

  4. Biaya pemasangan yang sangat mahal.

2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal

  Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah.

  Kelebihan kincir angin poros vertikal adalah : 1. Dapat menerima arah angin dari segala arah.

  2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah.

  3. Dapat bekerja pada putaran rendah.

  4. Tidak membutuhkan kontruksi menara yang besar.

  5. Tidak memerlukan mekanisme yaw.

  6. Biaya pemasangan lebih murah. Sedangkan kelemahan dari kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut :

  1. Karena memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi untuk mulai berputar.

  2. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil.

  3. Lebih boros material.

  4. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan merupakan beban tambahan. Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang ada di sekitar kita diantaranya seperti terlihat pada Gambar 2.3.

  a. Kincir angin Darrieus.

  b. Kincir angin Savonius.

  a. Darrieus

  b. Savonius

Gambar 2.3. Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber : .

  

http://wikipedia.org/Kincir_angin )

  Dalam tugas akhir yang saya buat ini akan membahan mengenai kincir angin poros horisontal dengan jenis American Wind Mill.

2.2.3. Kincir Angin American Wind Mill

  Kincir angin American Wind Mill merupakan salah satu jenis kincir angin poros horisontal yang pada umumnya mempunyai 3 sudu, 4 sudu, ataupun banyak sudu. Kincir jenis ini dapat bekerja dalam putaran yang tinggi sehingga sangat cocok untuk pembangkit listrik dengan skala besar.

  Pada awalnya kincir angin jenis American Wind mill masuk pertama kali ke negara amerika pada tahun 1972 yang direkomendasikan oleh National Science

  

Foundation (NSF) dan National Aeronautics And Space Administration (NASA)

  yang bertujuan untuk menciptakan sumber energi terbarukan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. ( Johnson, 2006 ). Pada tahun 1974 NASA meminta NSF untuk mendisain, membuat dan mengoperasikan kincir angin dengan jenis american wind mill yang diberi nama MOD-0. MOD-0 merupakan kincir angin yang pertama kali dibuat dan dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik. Kincir ini diresmikan pada september 1975 di Sandusky, Ohaio, Amerika serikat.

Gambar 2.4. Kincir MOD-0 rancangan NSF dan NASA.

  2.3. Daya Angin

  Energi angin adalah energi yang dimiliki oleh angin karena kecepatannya, sehingga merupakan suatu bentuk energi kinetik. Energi kinetik tersebut dapat disusun dalam, Persamaan 1:

  2 Ener gi Kinetik ( ) = 0,5 . m . v ............................................. (1)

  Dari Persamaan 1, dapat ditentukan daya yang merupakan energi persatuan waktu (J/s), sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

  3

= 0,5 . . v ................................................................................. (2)

  ̇ Massa udara yang mengalir per satuan waktu (

  ̇ ) adalah

  = ρ. A . v..................................................................................... (3)

  ̇ Dengan mensubtitusikan Persamaan 2 dan 3, maka dapat diperoleh daya yang tersedia pada angin :

  2 = 0,5 . ( .A. v ) . v

  ρ

  Yang dapat disederhanakan menjadi :

  3

= 0,5 . . A . v .................................................................... (4)

  ρ

  Dalam penggunaannya dapat disederhanakan dengan mengansumsikan massa

  3

  jenis udara ( , maka diperoleh Persamaan daya angin : ρ) = 1,2 Kg/m

  3

= 0,6 . A . v .................................................................... (5)

  2.4. Daya Kincir

  Daya yang dihasilkan kincir adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :

  ................................................................................. (6)

  = T . ω

  2.5. Torsi Kincir

  Gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar. Untuk perhitungan torsi dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

  T = F . r ................................................................................ (7)

  2.6. Kecepatan Sudut Kincir

  Kecepatan sudut kincir adalah kecepatan putar kincir dalam satuan radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

  = . ................................................................................ (8)

  2.7. Tip Speed Ratio Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan

  kecepatan angin, tsr dapat dirumuskan : . . .

  = ......................................................... (9) .

2.8. Koefisien Daya Kincir

  Pada sebuah penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuan jerman yang bernama Albert Bezt yang telah menemukan efisiensi maksimum pada kincir angin, yaitu 59,3 % ( Johnson, 2006 ). Pada Gambar 2.5 menyajikan koefisien daya dari beberapa kincir, dengan koefisien daya maksimal sebesar 59,3 % yang disebut sebagai Bezt Limit.

Gambar 2.5. Grafik Hubungan antara C dan tsr dari beberapa jenis kincir.

  p

  Koefisien daya kincir adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin . Sehingga C P dapat dirumuskan :

  = .100% ................................................................ (10)

BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Diagram Alir Penelitian

  Langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir sebagai berikut :

  Mulai Perancangan Kincir Angin Poros Horisontal Pembuatan Kincir Angin Poros Horisontal Variasi Jumlah Sudu 3 dan 6

  Pengambilan Data n, v, dan F Pengolahan Data P in , P out , C P , dan tsr Pembahasan dan Pembuatan Laporan Selesai

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian

  3.2. Obyek Penelitian

  Obyek dalam penelitian ini adalah model kincir angin poros horisontal dengan model kincir angin plat datar dengan variasi jumlah sudu 3 dan 6 dengan sudut sudu terhadap arah angin 60 ⁰.

  3.3. Waktu dan Tempat Penelitian

  Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester genap tahun ajaran 2011/2012 di laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3.4. Alat dan Bahan

  Model kincir angin plat datar beserta bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar 3.2. dan Gambar 3.3.

  1

  2

  3 Gambar 3.2. Konstruksi Kincir Angin Plat Datar

  4 Gambar 3.3 Konstruksi Kincir Angin Plat Datar (Lanjutan) Keterangan Gambar : 1. Sudu Kincir.

  2. Piringan Kincir.

  3. Penyangga Kincir.

  4. Sistem Pembebanan.

  Kincir angin plat datar pada konstruksi diatas memiliki beberapa bagian penting, yaitu :

  1. Sudu Kincir Sudu kincir untuk kincir angin plat datar terbuat dari bahan Acrylic dengan tebal 2 mm yang digunakan untuk menangkap angin yang melintasi kincir.

  Memiliki bentuk seperti trapesium dengan ukuran 20 cm x 9 cm x 3 cm. Banyak sudu yang dipakai adalah 6 buah dengan ukuran yang sama dan material yang sama. Sudu Kincir ini dipasang pada tiang sudu yang terbuat dari besi silindris dengan ukuran diameter 4 mm x 240 mm sebanyak 6 buah tiang sudu. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Sudu Kincir Keseluruhan.

  2. Piringan Kincir. Piringan kincir berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan sudu. Sudu akan menempel pada slot yang dikunci dengan menggunakan baut pengikat yang berbentuk U. Piringan kincir terbuat dari allumunium dengan diameter 120 mm x 20 mm, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Piringan Kincir

  3. Penyangga Kincir Penyangga kincir terbuat dari besi profil L dengan ukuran 3 cm x 3 cm x 2 mm dan besi pipih dengan ukuran 3 cm x 2 mm. Bagian ini berfungsi untuk menopang sistem pembebanan beserta kincirnya. proses pembuatan dengan cara dilas untuk menguatkan sambungan antar besi profil, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6. Penyangga Kincir

  4. Sistem Pembebanan Sistem pembebanan yang dipakai adalah sistem pengereman pada sepeda tromol. Sistem ini menggunakan kampas rem yang berbentuk lingkaran dan terpasang didalam rumah tromolnya. Sistem ini dapat disetting dengan menggunakan sepasang baut yang berfungsi untuk mengatur kerapatan kampas rem dengan poros tromol. Sedangkan untuk pembebanan digunakan baut dengan panjang 2,5 cm untuk memvariasikan beban, seperti ditunjukkan pada Gambar

  3.7.

  1

  2 Gambar 3.7. Sistem Pembebanan Keterangan : 1. Baut Pembeban.

  2. Baut Adjuster.

  Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang, diantaranya :

  1. Terowongan Angin Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong berukuran 1,2 m × 1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana angin bergerak dengan kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat pengujian kincir angin, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8. Di dalam terowongan angin tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan, dengan cara menarik blower menggunakan troli.

Gambar 3.8. Terowongan Angin atau Wind Tunel

  2. Blower Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik AC 3 fasa berdaya 5,5 kW, sebagai transmisinya menggunakan sabuk dan puli, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9. Blower

  3. Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, reflektor ini berupa alumunium foil atau benda yang berwarna yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10. Tachometer

  4. Anemometer Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Anemometer diletakkan didepan terowongan angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11. Anemometer

  5. Neraca Pegas Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan panjang lengan yang telah ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12. Neraca Pegas

  3.5. Variabel Penelitian

  Variabel penelitian yang digunakan adalah : 1. Variasi jumlah sudu yaitu 3 sudu dan 6 sudu.

  2. Variasi pembebanan yaitu dari keadaan kincir diam sampai kincir berputar maksimal.

  3. Variasi kecepatan angin dengan melakukan perubahan jarak antara blower dengan terowongan angin sebanyak 4 kali.

  Variabel yang diukur adalah : 1. Kecepatan angin.

  2. Gaya pengimbang.

  3. Putaran poros kincir.

  3.6. Langkah Percobaan

  Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama-sama. Hal pertama yang dilakukan adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Selanjutnya untuk pengambilan data memerlukan proses sebagai berikut :

  1. Memasang neraca pegas serta pengaitnya pada tempat yang sudah ditentukan.

  2. Memasang tali pengait pada neraca pegas yang dihubungkan dengan sistem pembebanan, seperti pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13. Tali pengait beban

  3. Memasang anemometer pada bagian depan terowongan angin, seperti pada Gambar 3.14.

Gambar 3.14. Penyangga anemometer 4. Menempatkkan tachometer pada tempatnya.

  5. Setelah semua siap blower siap untuk dihidupkan.

  6. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser blower dengan troli yang sudah diberi tanda sehingga jarak celah antara blower dengan terowongan angin dapat disesuaikan.

  7. Setelah mendapat kecepatan angin yang konstan pengambilan data dapat dimulai dari pembacaan kecepatan putar kincir, besar torsi, dan kecepatan angin.

  8. Ulangi langkah 4 sampai 7 sampai variasi kecepatan angin ke empat.

3.7. Langkah Pengolahan Data

  Dari data yang telah didapat, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut :

  1. Dari data kecepatan angin dan dengan diketahui luasan frontal kincir, maka daya angin dapat dicari dengan Persamaan 2.

  2. Data beban pegas dapat digunakan untuk mencari torsi dengan Persamaan 7.

  3. Data putaran poros dan torsi dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir dengan Persamaan 6.

  4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan kecepatan angin, maka tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 9.

  5. Dari data daya kincir dan daya angin maka koefisien daya dapat diketahui dengan Persamaan 10.

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Hasil Percobaan

  

17 7,07 396,1 0,4

  

22 6,63 409,4 0,1

23 6,6 376,4 0,4

24 6,67 267,8 1,0

25 6,70 43,33 1,5

26 6,97 0,0 1,5

  4 6,81 404,2 0,0

  21

  7,34 0,0 1,6

  20

  

19 7,06 148,8 1,5

  7,26 231,9 1,0

  18

  Data hasil percobaan ditampilkan pada Tabel 4.1. untuk 6 sudu dan Tabel 4.2. untuk 3 sudu.

Tabel 4.1. Data percobaan kincir 6 sudu.

  16

  3 7,13 421,9 0,0

  15

  

10 7,79 460,4 0,2

11 7,73 458,8 0,3

12 7,73 398,4 0,9

13 7,75 228,1 1,6

14 7,95 0,0 2,0

  2 7,83 466,4 0,0

  9

  

2 8,27 493,3 0,2

3 8,36 489,7 0,4

4 8,33 411,2 1,0

5 8,39 321,2 1,5

6 8,38 285,1 2,0

7 8,36 41,9 2,5

8 8,30 0,0 2,6

  1 8,51 524,5 0,0

  1

  

No. Kecepatan v (m/s) n (rpm) F (N)

  7,12 409 0,1

Tabel 4.2. Data percobaan kincir 3 sudu.

  3 7,75 474,6 0,0

  Contoh perhitungan untuk kincir angin pada koefisien daya maksimal yang tercapai pada kincir 6 sudu pada Tabel 4.1., baris ke-enam dengan kondisi kincir bergerak dan jarak antara blower dengan terowongan pada variasi kecepatan 1. Perhitungan yang dilakukan untuk mengetahui besarnya daya angin, daya kincir, tip speed ratio dan koefisien daya.

  Dalam setiap perubahan variasi, percobaan dilakukan sebanyak empat kali variasi kecepatan. Posisi pertama dengan tidak memberi celah pada blower dan terowongan, kedua dengan memberi celah kira-kira 3 cm antara blower dan terowongan dan untuk setiap posisi diberi penambahan jarak 3 cm sampai posisi ke empat. Pengambilan data penelitian dianggap selesai bila neraca pegas tidak menunjukkan perubahan beban atau sama dengan 0 N.

  

15 7,22 321,6 0,3

16 7,47 0,0 0,8

  4 7,22 426,9 0,0

  14

  

11 7,77 442,1 0,2

12 7,74 200,4 0,8

13 7,90 0,0 0,9

  10

  

No. Kecepatan v (m/s) n (rpm) F (N)

  

7 8,06 460 0,3

8 8,07 219,7 0,9

9 8,23 0,0 1,0

  2 8,09 459,1 0,0

  6

  

2 8,29 484 0,2

3 8,30 470,6 0,4

4 8,35 247,8 1,0

5 8,30 0,0 1,1

  1 8,48 508,1 0,0

  1

4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan

4.2.1. Perhitungan Daya Angin

  Besar daya yang tersedia pada angin pada kincir angin dengan luasan frontal

2 A= 0,22 m dan kecepatan angin 8,38 m/s, maka daya angin dapat dicari dengan

  menggunakan persamaan 5 :

  3

  = 0,6 . A . v

  2

  3

  = 0,6 . 0,22 m . (8,38 m/s) = 77,86 watt Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 77,86 watt 4.2.2.

   Perhitungan Daya Kincir

  Untuk mendapatkan daya yang dihasilkan oleh kincir, dapat menggunakan persamaan 6, namun untuk mendapatkan daya kincir sebelumnya harus mengetahui kecepatan sudut dan torsi kincir, makan untuk itu perlu dicari terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan 8 dan 7:

  = . = . 285,1 = 29,84 /

  Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 29,84 radian/detik Untuk mencari besar torsi yang terjadi pada kincir, maka dapat menggunakkan persamaan 7. Sehingga torsi yang didapat adalah : T = F . r = 2 N . 0,11 m = 0,22 N.m

  Sehingga torsi yang didapatkan adalah 0,22 N.m

  Dengan kecepatan sudut 29,84 rad/detik dan torsi 0,22 N.m, maka daya yang dihasilkan oleh kincir adalah : = T . ω

  = 0,22 N.m . 29,84 rad/detik = 6,56 watt Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 6,56 watt.

4.2.3. Perhitungan tip speed ratio