Kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar dua ruang yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis - USD Repository

  

KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN DUA SUDU DATAR

DUA RUANG YANG DAPAT MEMBENTANG

DAN MENGATUP SECARA OTOMATIS

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Diajukan Oleh :

  

BERNADUS BILLI ANGGARA

NIM : 065214027

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

AUTOMATICALLY OPEN AND CLOSE TWO FLAT BLADES DOUBLE

SPACE VERTICAL AXIS WIND TURBINE

  FINAL PROJECT

  

Presented as partial fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree in

Mechanical Engineering Study Programme

  by

  

BERNADUS BILLI ANGGARA

Student Number : 065214027

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

  

PERNYATAAN

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan sayajuga tidak terdapat karya atau pendapat yangpernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertuilis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta 14 Juni 2010 Bernadus Billi Anggara

  

INTISARI

  Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi statis, torsi dinamis, daya dan koefisien daya kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar serta dua ruang yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis.

  Sudu-sudu kincir angin yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis ini dibuat dari bahan tripleks dengan ketebalan 4 mm. Pengujiannya dilakukan untuk tiga variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin. Pengujian poros kincir dilakukan dengan cara memasang kincir angin pada wind

  

tunnel dan dihubungkan dengan generator sebagai pembangkit listrik melalui

transmisi sabuk.

  Hasil penelitian menyatakan bahwa: Kincir angin dengan ukuran sudu 20 x 23 cm diperoleh torsi dinamis maksimal 0,85 Nm, daya maksimal 1,30 watt yang terjadi pada kecepatan angin 8,1 m/s dan koefisien daya 1,55 % pada TSR 0,17. Kincir angin dengan ukuran sudu 25 x 23 cm diperoleh torsi dinamis maksimal 1,58 Nm, daya maksimal 1,28 watt yang terjadi pada kecepatan angin 8 m/s dan koefisien daya 1,29 % pada TSR 0,20. Kincir angin dengan ukuran sudu 30 x 23 cm diperoleh torsi dinamis maksimal 1,73 Nm, daya maksimal 2,60 watt yang terjadi pada kecepatan angin 8,1 m/s dan koefisien daya 1,92 % pada TSR 0,27. Koefisien daya tertinggi yang diperoleh adalah sebesar 2,06 %, pada kincir angin dengan sudu 30 cm dengan kecepatan angin 8,2 m/s.

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Nama : Bernadus Billi Anggara Nomor Mahasiswa : 065214027 Demi mengembangkan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

  

Kincir Angin Poros Vertikal dengan Dua Sudu Datar Dua Ruang

yang dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis

  beserta perangkat yang diperluakan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan Kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti Kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 10 Juni 2010 Yang menyatakan, (Bernadus Billi Anggara)

  KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Tugas akhir ini mengambil judul “Kincir Angin Poros Vertikal dengan

  

Dua Sudu Datar Dengan Dua Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup

Secara Otomatis“.

  Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1.

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

  2. Bapak Budi Sugiarto, S.T, M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen Pembimbing Akademik.

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

  4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  5. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  6. Semua rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2006 khususnya.

  7. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesainya Tugas Akhir ini

  Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang membangun.

  Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terima kasih.

  Yogyakarta, 31 Mei 2010 Penulis

  

DAFTAR ISI

Halaman Judul ................................................................................................. i

Title Page .......................................................................................................... ii

Halaman Pengesahan ....................................................................................... iii

Halaman Persetujuan ...................................................................................... iv

Intisari ............................................................................................................... v

Kata Pengantar ................................................................................................ vi

Daftar Isi ........................................................................................................... viii

Daftar Gambar ................................................................................................. x

Daftar Tabel ...................................................................................................... xiv

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

  1.1. Latar belakang ............................................................................ 1

  1.2. Perumusan masalah .................................................................... 2

  1.3. Batasan masalah ......................................................................... 2

  1.4. Tujuan penelitian........................................................................ 2

  1.5. Manfaat penelitian...................................................................... 3

  1.6. Langkah perancangan…………………………………………. 3

  

BAB II DASAR TEORI .......................................................................... 4

  2.1. Energi yang terdapat dalam angin ............................................. 4

  2.2. Dasar Kincir Angin ................................................................... 5

  2.3. Daya Kincir Angin ................................................................... 8

  2.4. Perhitungan torsi dan daya ........................................................ 9

  2.5. Koefisien daya ........................................................................... 11

  2.6. Daya generator ......................................................................... 12

  2.7. Efisiensi total system ................................................................ 13

  

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................... 14

  3.3. Peralatan Penelitian ................................................................... 18

  3.4. Variabel Penelitian ................................................................... 23

  3.5. Analisa Data .............................................................................. 24

  3.6. Langkah Penelitian ................................................................... 25

  

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ................................. 27

  4.1. Data Penelitian ......................................................................... 27

  4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ........................................... 36

  4.3. Grafik hasil Perhitungan .......................................................... 44

  4.4. Pembahasan ............................................................................. 57

  

BAB V PENUTUP ................................................................................... 65

  5.1. Kesimpulan .............................................................................. 66

  5.2. Saran ......................................................................................... 67

  

Daftar pustaka .................................................................................................. 68

Lampiran

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis kincir angin ............................................................................ 6Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal untuk berbagai model kincir .............................................................................. 9Gambar 3.1 Skema kincir angin ......................................................................... 15Gambar 3.2 Dudukan poros sudu ....................................................................... 16Gambar 3.3 Poros sudu ...................................................................................... 16Gambar 3.4 Rumah bearing ............................................................................... 17Gambar 3.5 Bentuk penampang sudu ................................................................ 17Gambar 3.6 Variasi sudu .................................................................................... 18Gambar 3.7 Pembatas sudu ................................................................................ 18Gambar 3.8 Motor listrik ................................................................................... 19Gambar 3.9 Tachometer ..................................................................................... 19Gambar 3.10 Wind tunnel .................................................................................. 20Gambar 3.11 Fan blower ................................................................................... 20Gambar 3.12 Multimeter .................................................................................... 21Gambar 3.13 Beban lampu ................................................................................. 21Gambar 3.14 Anemometer ................................................................................. 22Gambar 3.15 Timbangan .................................................................................... 22Gambar 4.2 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin PadaGambar 4.8 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output PadaGambar 4.12 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Ketiga Variasi Lebar Sudu dengan Beban 3 Watt ......................... 48

Gambar 4.11 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 6 Watt ........................... 48

Gambar 4.10 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi lebar Sudu 30 cm dengan Beban 3 Watt ........................... 47

Gambar 4.9 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 6 Watt .......................... 47

  Variasi lebar Sudu 25 cm dengan Beban 3 Watt ........................... 46

  Variasi lebar Sudu 20 cm ............................................................... 44

Gambar 4.7 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi lebar Sudu 20 cm dengan Beban 6 Watt ........................... 46

Gambar 4.6 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 Watt ........................... 45

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

  Variasi lebar Sudu 30 cm ............................................................... 45

Gambar 4.4 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin Pada

  Variasi lebar Sudu 25 cm ............................................................... 44

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin Pada

  Ketiga Variasi Lebar Sudu dengan Beban 6 Watt ......................... 49

Gambar 4.13 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 Watt ........................................................... 49Gambar 4.14 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 6 Watt ........................................................... 50Gambar 4.15 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 3 Watt ........................................................... 50Gambar 4.16 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 6 Watt ........................................................... 51Gambar 4.17 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 3 Watt ........................................................... 51Gambar 4.18 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 6 watt ............................................................ 52Gambar 4.19 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi Lebar

  Sudu dengan Beban 3 Watt ............................................................ 52

Gambar 4.20 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi Lebar

  Sudu dengan Beban 6 Watt ............................................................ 53

Gambar 4.21 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 watt ........................................ 53

Gambar 4.22 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 3 watt ........................................ 54

Gambar 4.23 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 3 watt ........................................ 54

Gambar 4.24 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 6 watt ........................................ 55

Gambar 4.25 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 6 watt .......................................... 55

Gambar 4.26 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

  Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 6 watt .......................................... 56

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 20 x 23 cm ....... 27Tabel 4.2 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 25 x 23 cm ....... 28Tabel 4.3 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 30 x 23 cm ....... 29Tabel 4.4 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 3 watt ................................................................................................. 30Tabel 4.5 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 6 watt ................................................................................................. 31Tabel 4.6 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 3 watt ................................................................................................. 32Tabel 4.7 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 6 watt ................................................................................................. 33Tabel 4.8 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 3 watt ................................................................................................. 34Tabel 4.9 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 6 watt ................................................................................................. 35Tabel 4.10 Data hasil perhitungan gaya statis dengan ukuran sudu 20 x 23 cm ...................................................................................................... 35Tabel 4.11 Data hasil perhitungan gaya statis dengan ukuran sudu 25 x 23 cm ................................................................................................... 44Tabel 4.13 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 3 watt ....................................................................................... 46

  Tabel 4,14 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 6 watt ....................................................................................... 47 Tabel 4,15 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 3 watt ....................................................................................... 48 Tabel 4,16 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 6 watt ....................................................................................... 49 Tabel 4,17 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 3 watt ....................................................................................... 50 Tabel 4,18 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 6 watt ....................................................................................... 51

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Tingginya kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada

  umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi yang senantiasa meningkat. Hal ini tidak sebanding dengan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama ketersediaannya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan sehingga menyebabkan terjadinya kelangkaan bahan bakar migas dan terjadi kenaikan harga secara terus menerus.

  Penggunaan energi terbarukan diperlukan sekali oleh masyarakat untuk menanggulangi krisis energi, namun diusahakan dengan biaya serendah mungkin. Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi angin. Pemanfaatan energi angin diminati disebabkankan pula karena bebas polusi dan tersedia di mana pun, sehingga dapat menjawab masalah lingkungan hidup dan ketersediaan sumber energi. Untuk memanfaatkan angin diperlukan sebuah alat untuk mengubahnya dengan menggunakan prinsip konversi energi menjadi energi listrik. Oleh karena itu perlu diteliti dengan sebuah alat tentang karakteristik kincir angin. Alat ini menekankan tentang besar daya yang dikeluarkan dan efektif atau tidaknya alat tersebut. Berawal dari hal tersebut maka dibuat suatu model kincir angin yang baru.

  Kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar yang membentang dan mengatup otomatis dengan dua ruang ini memilikai kelebihan yaitu kedua sudunya dapat membentang dan mengatup secara otomatis dan diharapkan kincir ini dapat menambah gaya dorong (drag force) sehingga dapat menambah daya yang dihasilkan kincir.

1.2. Perumusan Masalah

1) Indonesia mempunyai potensi energi angin yang besar.

  2) Perlunya dibuat desain alat yang baru untuk pembangkit energi angin, yaitu kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar yang membentang dan mengatup otomatis dengan dua ruang.

1.3. Batasan masalah

  Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu: 1) Bentuk sudu yang digunakan yaitu dengan dua ruang. 2) Pengendalian kecepatan angin menggunakan Wind Tunnel. 3)

  Sudu yang digunakan dengan 3 variasi ukuran dan variasi kecepatan angin.

  4) Pengukuran yang dilakukan pada saat penelitian kincir adalah massa beban statis, kecepatan angin, tegangan, arus, putaran poros, dan massa beban dinamis.

1.4. Tujuan penelitian 1.

  Membuat sebuah model kincir angin yang sudunya dapat membuka dan mengatup secara otomatis.

  2. Mengetahui torsi statis yang dihasilkan model kincir angin untuk tiga variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin.

  3. Mengetahui torsi dinamis untuk tiga variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin.

  4. Mengetahui koefisien daya model kincir angin untuk tiga variasi ukuran sudu dengan lima variasi kecepatan angin yang dipilih.

  5. Mengetahui efisiensi total sistem.

1.5. Manfaat Penelitian

  Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah : 1.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit tenaga listrik.

2. Ikut serta dalam upaya memasyarakatkan pemanfaatan energi alternatif.

1.6. Langkah Perancangan

  Sebelum memulai perancangan, terlebih dahulu harus diketahui kecepatan angin yang diperlukan dan daya yang dihasilkan generator. Dalam perhitungan daya perlu diketahui luas sudu kincir terlebih dahulu. Selanjutnya poros kincir angin disambungkan ke generator sehingga menghasilkan energi listrik.

BAB II DASAR TEORI 2.1. Energi yang terdapat dalam angin Sistem angin di bumi dikarenakan adanya perpindahan massa udara

  pada atmosfer sebagai hasil dari variasi tekanan di atmosfer, dimana perubahannya merupakan hasil dari perbedaan pemanasan dari sinar matahari karena perbedaan permukaan bumi. Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik.

  2 Energi kinetik = 0,5 mV (1)

  dimana m dalam kilogram dan V dalam m/s Dengan m adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu. Yaitu:

  m =

  (2)

  ρAV

  2 Energi kinetik angin per satuan waktu = 0,5 ( ρAV )V

3 P = 0,5

  (3)

  ρAV

  dengan :

  

3

  = massa jenis udara, kg / m ρ

  2 A = luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, m

  V = kecepatan angin, m / s P = daya angin, Watt

  (sumber: Boyle,Goldfrey. Renewable energy, 248)

  3 Apabila massa jenis udara adalah maka persamaan (3) di atas

  ρ = 1,23 kg/m dapat disederhanakan menjadi :

3 P = 0,6 AV

  (4) Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati kincir angin. Ketika melewati kincir angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang “hilang” ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar kincir angin yang terhubung dengan rotor dari generator. Generator akan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

2.2. Dasar Kincir Angin

  Energi angin pada awalnya disebut windmill yang digunakan secara tradisional untuk menumbuk biji-bijian, membuat kertas dan memotong kayu, memompa air dan akhirnya pada saat ini energi angin digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

  Meskipun masih terdapat susunan dan perencanaan yang beragam, namun secara umum kincir digolongkan ke dalam dua macam tipe (horisontal dan vertikal). Turbin angin poros Vertikal atau VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) adalah turbin dengan poros vertikal sepanjang menara dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros. Sedangkan adalah turbin dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit listrik pada puncak menara.

Gambar 2.1 Jenis kincir angin

  (Sumber:http://www.scribd.com/document_downloads/24511217?extension

  =pdf&skip)

  Keuntungan dari turbin angin poros vetikal: 1.

  Kincir angin poros horizontal dapat menerima angin dari berbagai macam arah tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah (mengurangi kebutuhan untuk penyesuaian kedudukan).

  2. Tidak memperhitungkan hembusan angin (memiliki keuntungan dalam berbagai tingkat hembusan angin)

  3. Nilai torsi yang besar pada angkatan awal.

4. Kemampuannya ini menghasilkan torsi pelan tetapi cukup bertenaga

  6. Desain kincir angin poros vertikal berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya kincir angin poros horisontal.

  7. Kincir angin poros vertikal biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

  Tetapi kincir ini juga memiliki beberapa kekurangan, terutama dibanding dengan kincir angin sumbu horisontal.

  Kekurangan tersebut diantaranya adalah : 1.

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

  2. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit

  3. Kebanyakan kincir angin poros vertikal mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

  4. Sudu yang mengambil energi angin disebut downwind sedangkan

  nd

  sudu yang melawan angin disebut upwind. Sudu upwind ini dapat mengurangi kecepatan rotor. Besarnya torsi pada rotor dan

2.3. Daya Kincir Angin

  Daya turbin angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor turbin angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya turbin angin tidak sama dengan daya angin dikarenakan daya turbin angin terpengaruh oleh koefisien daya.

  Koefisien daya adalah presentase daya yang terdapat pada angin yang diubah ke dalam bentuk energi mekanik.

3 P = Cp . ½ .

  (5)

  ρ . A . V

  Umumnya daya efektif yang dapat diambil oleh sebuah kincir angin hanya sebesar 20% - 30%.

  Angka 20 % - 30 % ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu vertikal.

  Di dalam rangkaian kincir angin yang berputar selain dipengaruhi Cp, terdapat pula koefisien Cd yang mempengaruhi sudu dalam menghasilkan daya. Coeffisient of drag (Cd) adalah koefisien dari gaya tarik (drag). Cd pada dasarnya adalah kecenderungan suatu benda untuk mempertahankan diri pada kondisi yang ada dari gaya geser atau gaya tekan yang timbul. Bila semakin halus permukaan suatu benda, maka nilai Cd akan semakin kecil.

Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal untuk berbagai model kincir yang dapat dihasilkan

  (Sumber: http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=229058) 2.4.

   Perhitungan Torsi dan Daya a.

  Torsi statis Torsi statis dihitung dengan menggunakan rumus :

  (6) dengan : = Torsi statis, N.m = Gaya pada poros akibat puntiran, N = Jarak lengan ke poros, m b.

  Daya output Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan sebagai:

  (7) dengan : = torsi dinamis, N.m = kecepatan sudut, rad/detik

  Untuk perhitungan daya output yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan sebagai:

  2

  60 (8) dengan :

  = daya putar poros (watt) = banyaknya putaran poros tiap menit c.

  Torsi Torsi dinamis dihitung dengan menggunakan rumus :

  (9) dengan : = Torsi yang dihasilkan akibat putaran poros (N.m)

  = Jarak lengan ke poros (m) d. Tip Speed Ratio

  Tip-speed ratio adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu –sudu yang berputar dengan kecepatan dari aliran udara.

  (10) dimana, = Tip speed ratio

  = jari-jari kincir = kecepatan aliran angin = putaran poros (rpm)

  Tip speed ratio mempengaruhi besaran koefisien daya. Hubungan ini digambarkan sebagai berikut : a.

  Koefisien daya bergantung pada perbandingan ujung sudu.

  b.

  Ditandai dengan kurva Cp berbanding dengan perbandingan kecepatan ujung sudu - Tip Speed Ratio Curve.

2.5. Koefisien daya

  Perhitungan Koefisien daya (C ) kincir dapat dihitung berdasarkan

  p

  perbandingan daya yang dihasilkan oleh kincir (P) dengan daya teoritis (P )

  th

  (11) 100%

  Dengan :

  C = Koefisien Daya Kincir (%) p

  P = Daya Yang dihasilkan oleh Kincir (Watt) P = Daya Teoritis (Watt) th 2.6.

   Daya Generator

  Perhitungan Daya Generator (P ) kincir dapat diperoleh dari perkalian

  gen

  antara tegangan listrik (V) yang dihasilkan oleh motor dengan arus listrik (I) yang dihasilkan, dapat dituliskan menurut persamaan berikut :

  P V x I

  (12)

  gen =

  Dengan :

  P = Daya generator (Watt) gen

  V = Tegangan yang dihasilkan oleh motor (Volt) I = Arus yang dihasilkan oleh motor (Ampere)

2.7. Efisiensi Total Sistem.

  Perhitungan Efisiensi Total Sistem ( ) kincir dapat dihitung berdasarkan

  Tot η

  perbandingan daya generator yang dihasilkan oleh kincir (P ) dengan daya

  gen

  teoritis (P ) yang disediakan oleh angin dapat dituliskan menurut persamaan

  th

  berikut : (13)

  Tot 100%

  η

  Dengan : = Efisiensi Total Sistem (%)

  Tot η P = Daya generator (Watt) gen

  P = Daya Teoritis (Watt) th

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Sarana Penelitian Sarana yang digunakan untuk penelitian adalah Kincir angin poros vertikal

  dengan dua sudu datar yang membentang dan mengatup secara otomatis dengan memvariasikan ukuran sudu yang akan menghasilkan daya masukan yang berbeda.

3.2. Perancangan Kincir Angin

  Dalam perancangan ini, parameter yang sudah diketahui adalah : a.

  Panjang poros = 120 cm

  b. = 60 cm Lebar kincir c.

  Tinggi kincir = 120 cm d. Jumlah Sudu = 4 buah

1. Poros utama 2.

  Sudu 3. Rumah sudu 4. Pembatas sudu 5. Poros sudu 6. Pengait sudu

  Dalam pembuatannya melewati proses pembuatan komponen-komponen

1. Dudukan Poros Sudu

  Dudukan Poros Sudu dibuat dari pipa persegi dengan ukuran 5 x 5 cm dan panjang pipa 15 cm. Pada kedua sisi pipa dibuat lubang untuk poros sudu.

Gambar 3.2 Dudukan poros sudu 2.

  Poros Sudu Poros Sudu terbuat dari besi pejal dengan diameter 16mm.

  3. Rumah bearing Rumah bearing terbat dari plat besi dengan tebal 5 mm, dan dibuat lubang 2 dengan diameter 28mm sesuai dengan ukuran bearing.

Gambar 3.4 Rumah bearing 4.

  Poros Utama Poros dibuat dari pipa besi lubang dengan panjang 1,20 m dan diameter 0,04 m.

  5. Sudu Sudu dibuat dari bahan tripleks dengan tebal 4 mm.

  Penampang sudu beebentk persegi empat dengan lebar 23 cm menyesuaikan panjang pembatas sudu. Sedangkan panjang sudu menyesuaikan variasi yaitu 20 cm 25 cm dan 30 cm.

Gambar 3.6 Variasi sudu 6.

  Pembatas Sudu Berfungsi untuk membatasi gerak sudu agar sudu hanya bergerak

  o sebesar ± 70 .

Gambar 3.7 Pembatas sudu.

3.3. Peralatan Penelitian

  Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: 1.

  Generator Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi listrik. Generator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang berfungsi untuk mencari besar daya yang dikeluarkan.

Gambar 3.8 Motor listrik 2.

  Tachometer Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros motor DC.

  Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul cahaya (contoh alumunium foil) yang dipasang pada poros.

3. Wind Tunnel

  Alat dengan ukuran 1,2 m x 1,2 m x 2,4 m ini berfungsi sebagai lorong yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya pada kincir yang juga diletakkan didalam Wind Tunnel tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan dialat ini.

Gambar 3.10 Wind tunnel 4.

  Fan Blower Alat ini menghembuskan angin yang akan disalurkan ke Wind Tunnel.

Gambar 3.11 Fan blower

5. Multimeter Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan.

Gambar 3.12 Multimeter 6.

  Lampu/beban Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini dan beban ini yang akan diukur.

Gambar 3.13 Beban lampu

7. Anemometer Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin.

Gambar 3.14 Anemometer 8.

  Timbangan Berfungsi untuk mengukur massa beban yang bekerja pada kincir.

Gambar 3.15 Timbangan

  9 . Mo otor Listrik Berfungsi i menghasilk kan listrik un ntuk menyal akan beban (lampu).

  Ga ambar 3.16 M Motor Listri k 3.4.

  3 bel Penelitia an Variab Adapu un variabel yang digun nakan dalam m pengujian yaitu Dim mensi sudu.

  Varias i dimensi/u ukuran sudu u yang diam mbil sebany yak tiga var riasi, yaitu 23x20c cm, 23x25cm m , 23x30cm m. Variasi in i merupakan n variasi untu uk mencari efisien nsi.

3.5. Analisa Data

  P diperoleh dari pengkalian torsi dan putaran poros yang dihasilkan dari kincir.

  Selanjutnya ditentukan efisiensi turbin dan efisiensi kincir dengan menggunakan persamaan.

  i.

  r ) yang merupakan jari-jari maka didapatkan torsi generator tersebut.

  Gaya generator tersebut bila dikalikan dengan (

  h.

  P diperoleh

_Gen

F yang merupakan gaya generator.

  Dari hasil out

  g.

  Data yang diambil dari percobaan ini adalah sebagai berikut : a.

  Torsi statis kincir angin b.

  didapat dari luasan (A) seluruh kincir dan dikalikan dengan besar sudu dan jumlah sudu.

  P maka haruslah mendapatkan S yang

  Untuk mendapatkan in

  e.

  Kecepatan angin (v) yang digunakan didapat dari pengukuran Anemometer yang diletakan didepan Wind Tunnel.

  d.

  Tegangan (V) dan Arus (I) listrik pada lampu, dan gaya yang dihasilkan karena beban.

  c.

  Putaran poros kincir dan generator yang dihasilkan ( n ).

  f. _out

3.6. Langkah Penelitian 1.

  Pengambilan Data Torsi Statis a.

  Jalannya percobaan a-e dilakukan berulang dengan variasi ukuran sudu 23 x 20 cm, 23 x 25cm, 23x 30 cm.

  d.

  Amperemeter dipasang secara paralel dengan lampu, dan Voltmeter dipasang secara seri seperti pada gambar.

  c.

  Puli besar kincir angin yang terletak di bawah wind tunnel dihubungkan dengan generator.

  b.

  Kincir angin dipasang didalam Wind Tunnel dan pengunci dibaut supaya tidak bergerak sedikitpun.

  f.

  Pada Kincir angin dipasang pengukur torsi.

  Setelah angin berhembus maka dapat diukur berapa massa penahan yang dapat menahan gerak kincir.

  e.

  Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan angin masuk kedalam Wind Tunnel.

  d.

  Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui besar angin yang ada dalam Wind Tunnel.

  c.

  Setelah pengukur terpasang, kincir angin dipasang didalam Wind Tunnel dan pengunci dibaut supaya tidak bergerak sedikitpun.

  b.

2. Pengambilan Data Daya yang dihasilkan Kincir a.

  e.

  Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan angin masuk kedalam Wind Tunnel.

  f.

  Setelah lampu menyala maka dapat diukur tegangan dan arus pada lampu, diukur juga perputaran poros pada puli generator.

  g.

  Jalannya percobaan a-f dilakukan berulang dengan variasi ukuran sudu 23 x 20 cm, 23 x 25cm, 23x 30 cm.

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Data Penelitian 4.1.1. Data Gaya Statis yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan sudu yang berbeda Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi

  kurang lebih 8,0m/s dengan penurunan 1 m/s hingga kincir tidak berputar.

  Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu 20 x 23 cm.

  No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton) 1 8 8.53 2 8 8.44 3 8 8.53 4 7.6 8.24 5 7.6 8.24 6 7.6 8.14 7 6.9 6.87 8 6.9 7.16 9 6.9 7.06 10 6.5 5.49 11 6.5 5.69 12 6.5 5.40 13 5.9

  4.81

Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu 20 x 23 cm (lanjutan).

  No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton) 16 5.6 3.53 17 5.6 3.43 18 5.6 3.73 19 4.9 2.35 20 4.9 2.45 21 4.9

  2.55 Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu 25 x 23 cm No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton) 1 7.9 12.85

  2 7.9 12.56 3 7.9 12.65 4 7.5 11.09 5 7.5 10.59 6 7.5 11.18 7 6.9

  9.42 8 6.9 9.32 9 6.9 9.22 10 6.5 8.24 11 6.5 7.85 12 6.5 8.14 13 6 6.77 14 6 6.57 15 6 6.67 16 5.5

  5.59

Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu 25 x 23 cm (lanjutan).

  No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton) 18 5.5 5.69 19 5 4.12 20 5 4.41 21 5

  4.02 Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu 30 x 23 cm No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton) 1 8.1 17.36

  2 8.1 17.66 3 8.1 17.85 4 7.5 14.52 5 7.5 14.32 6 7.5 14.52 7 7.1 13.24 8 7.1 13.44 9 7.1 13.05

  10 6.5

  10.79 11 6.5 10.50 12 6.5 10.50 13 6.1

  9.32 14 6.1 9.32 15 6.1 9.42 16 5.5 6.38 17 5.5

  6.18

4.1.2. Data yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan sudu yang berbeda

  Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi kurang lebih 8,0m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir tidak berputar.Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 4.4 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 3 watt

  Kecepatan Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin No

  (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 1,4 0,1 1.13 49.93 8,1 2 1,4 0,1 1.08 48.27 8,1 3 1,2 0,1 1.13 49.12 8,1 4 1,4 0,1 1.08 46.92 8,1 5 1,4 0,09 1.08 47.32 8,1 6 1,2 0,09 1.13 37.40 7,5 7 1 0,1 1.13 35.94 7,5 8 1,2 0,09 1.13 37.20 7,5 9 1 0,09 1.13 36.61 7,5

  10 1,2 0,1 1.13 35.34 7,5 11 0,8 0,09 1.18 25.89 7 12 0,6 0,08 1.08 24.63 7 13 0,8 0,09 1.18 25.43 7 14 0,8 0,09 1.13 27.66 7 15 0,8 0,08 1.18 24.79 7

Tabel 4.5 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 6 watt.

  Kecepatan Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin No

  (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 1 0,14 1.13 44.08 8,1 2 1 0,14 1.03 43.04 8,1 3 1 0,15 1.13 45.07 8,1 4 1 0,14 1.08 43.14 8,1 5 1 0,15 1.13 45.60 8,1 6 0,8 0,13 1.18 34.05 7,5 7 0,8 0,12 1.18 33.03 7,5 8 0,8 0,13 1.18 33.94 7,5 9 0,8 0,12 1.18 33.72 7,5

  10 0,8 0,13 1.18 35.80 7,5 11 0,4 0,1 1.23 25.89 7 12 0,4 0,1 1.23 24.63 7 13 0,4 0,12 1.18 25.43 7 14 0,4 0,13 1.18 27.66 7 15 0,5 0,12 1.23 24.79 7

Tabel 4.6 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 3 watt

  Kecepatan No Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 1,4 0,11 0.98 49.96 8

  2 1,5 0,11 0.98 48.97 8 3 1,5 0,11 0.98 50.36 8 4 1,3 0,105 0.98 49.93 8 5 1,4 0,105 0.98 51.63 8 6 1,4 0,11 1.03 48.48 7,5 7 1,2 0,1 1.03 47.95 7,5 8 1,4 0,11 1.03 46.84 7,5 9 1,4 0,11 1.03 47.97 7,5

  10 1,4 0,11 1.03 47.23 7,5 11 1,2 0,1 0.98 46.17 7,1 12 1,4 0,11 0.98 47.12 7,1 13 1,2 0,11 0.98 45.94 7,1 14 1,4 0,11 0.98 46.20 7,1 15 1,2 0,1 0.98 47.62 7,1 16 0,9 0,09 0.93 30.53 6,5 17 0,9 0,085 0.93 33.31 6,5 18 1 0,085 0.93 32.71 6,5 19 0,9 0,085 0.93 31.71 6,5 20 0,9 0,085 0.93 33.52 6,5 21 0,6 0,06 0.88 22.33 6 22 0,6 0,06 0.88 19.86 6 23 0,7 0,06 0.83 20.65 6 24 0,6 0,06 0.88 19.44 6 25 0,6 0,065 0.88 19.55 6

Tabel 4.7 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 6 watt

  Kecepatan No Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 1 0,165

  1.08 46.76 8 2 1 0,155 0.98 48.23 8 3 1,1 0,165 1.08 46.03 8

  4 1 0,16 1.08 49.73 8 5 1,2 0,17 1.13 50.73 8 6 1,2 0,17 1.03 46.31 7,5 7 1 0,17 1.03 47.46 7,5 8 1 0,17 1.03 46.46 7,5 9 1 0,17 1.08 46.58 7,5

  10 1 0,16 1.03 47.32 7,5 11 1 0,16 0.98 46.17 7,1 12 1 0,17 0.98 43.08 7,1 13 1 0,16 0.98 43.31 7,1 14 0,9 0,16 0.98 43.24 7,1 15 1 0,16 0.98 43.63 7,1 16 0,7 0,125 0.98 29.37 6,5 17 0,8 0,125 0.98 31.01 6,5 18 0,8 0,12 0.98 30.51 6,5 19 0,8 0,125 0.98 31.92 6,5 20 0,8 0,125 0.98 31.29 6,5 21 0,6 0,06 0.88 14.21 6 22 0,7 0,065 0.83 18.80 6 23 0,6 0,07 0.88 19.39 6 24 0,5 0,075 0.88 19.13 6 25 0,6 0,075 0.88 17.84 6

Tabel 4.8 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 3 watt

  Kecepatan No Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 2 0,12 1.37 60.53 8,2

  2 2,2 0,14 1.37 70.82 8,2 3 2,2 0,13 1.37 72.45 8,2 4 2,2 0,13 1.37 68.53 8,2 5 2,2 0,13 1.37 67.36 8,2 6 1,6 0,12 1.23 47.46 7,5 7 1,8 0,12 1.23 51.26 7,5 8 1,8 0,12 1.23 49.74 7,5 9 1,8 0,11 1.23 48.46 7,5

  10 1,8 0,12 1.23 49.61 7,5 11 1,4 0,11 1.18 45.61 7,1 12 1,4 0,11 1.23 43.98 7,1 13 1,4 0,11 1.23 46.61 7,1 14 1,4 0,11 1.23 45.25 7,1 15 1,6 0,11 1.23 46.16 7,1 16 1,4 0,11 1.18 40.78 6,5 17 1,2 0,1 1.18 38.10 6,5 18 1,4 0,11 1.18 41.75 6,5 19 1,4 0,11 1.18 41.69 6,5 20 1,2 0,1 1.18 37.95 6,5 21 0,6 0,08 1.03 2.23 6,1 22 0,8 0,08 1.08 23.22 6,1 23 0,6 0,08 1.13 23.02 6,1 24 0,6 0,08 1.18 26.02 6,1 25 0,6 0,07 1.23 26.50 6,1

Tabel 4.9 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 6 watt

  Kecepatan No Tegangan Arus Gaya Putaran

  Angin (Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s) 1 2 0,21 1.47 72.75 8,2

  2 2 0,21 1.47 69.63 8,2 3 2 0,22 1.47 69.60 8,2 4 2 0,22 1.47 71.26 8,2 5 2 0,21 1.47 68.17 8,2 6 1,4 0,18 1.28 49.30 7,5 7 1,4 0,19 1.28 53.43 7,5 8 1,4 0,19 1.23 49.01 7,5 9 1,6 0,19 1.28 52.15 7,5

  10 1,4 0,18 1.28 50.52 7,5 11 1,2 0,17 1.23 46.50 7,1 12 1,2 0,18 1.23 47.27 7,1 13 1,2 0,16 1.23 43.29 7,1 14 1,2 0,18 1.23 46.66 7,1 15 1,2 0,16 1.23 46.84 7,1 16 1 0,15 1.23 39.96 6,5 17 1 0,16 1.23 38.87 6,5 18 1,2 0,16 1.23 37.50 6,5 19 1 0,15 1.23 39.24 6,5 20 1 0,15 1.23 38.42 6,5 21 0,4 0,08

  1.13 21.43 6,1 22 0,6 0,07 1.13 21.06 6,1 23 0,6 0,09 1.18 25.74 6,1 24 0,6 0,08 1.23 20.59 6,1 25 0,4 0,1 1.13 25.17 6,1

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan 1.

  Luas penampang kincir Kincir ini memiliki penampang persegi panjang sehingga :

  A = p x l P = 60 cm

  o

  Kemiringan 12 dan panjang sudu =20 cm

Gambar 4.1 kemiringan sudu

  o

  Panjang sisi tegak: cos 12 x 20 cm = 19.5629cm Jadi L= (19.5629 x 2) + 5 cm =44.1258 cm

  ≈ 44cm A = 0,6 m x 0,4 m ₂ A = 0,264 m

  Dengan cara yang sama didapatkan: Panjang sudu 25 cm = L = 53,90738 ≈ 54 cm