UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS TIGA SUDU DENGAN SIRIP-SIRIP PENGARAH PADA LINGKAR TERLUAR KINCIR

  UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS TIGA SUDU DENGAN SIRIP-SIRIP PENGARAH PADA LINGKAR TERLUAR KINCIR TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Diajukan Oleh: NATALIS RIYA NIM : 075214027 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

  

THE PERFORMANCE OF THREE-STAGE SAVONIUS

WIND TURBINE MODEL WITH STEERING FINS ON

THE OUTER CIRCLE

FINAL PROJECT

  

As partial fulfillment of the requirement

To abtain the Sarjana Teknik degree

By

NATALIS RIYA

  

NIM : 075214027

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE

AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA

UNIVERSITY YOGYAKARTA

  

2012

  

INTISARI

  Kebutuhan energi terutama energi listrik didunia saat ini berkembang pesat seiring dengan perkembangan jaman dan teknologi sehingga ketersediaan energi didunia mengalami penipisan khususnya energi dari fosil yang tidak dapat diperbarui maka diperlukan sumber energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan yaitu energi angin dengan ketersediaan yang melimpah dan ramah lingkungan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan unjuk kerja model kincir angin Savonius satu tingkat dan mrngetahui penambahan variasi sirip-sirip pengarah pada lingkar terluarnya.

  Model variasi pertama adalah kincir angin Savonius tanpa pengarah, model variasi kedua dengan penambahan sirip-sirip pengarah bersudut 30 , dan model variasi ketiga dengan penambahan sirip-sirip pengarah bersudut 45 . Jumlah pengarah yang digunakan sebanyak delapan buah berbentuk pelat persegi panjang dengan ukuran 10 cm x 90 cm dan dipasang pada lingkar terluar kincir. Dalam pengujiannya setiap kincir angin diuji untuk mengetahui torsi, putaran poros, daya kincir, dan koefesien daya.

  Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien daya maksimal diperoleh dengan model kincir angin Savonius tanpa berpengarah, yaitu 35 % pada tip speed

  

ratio (tsr) 0,68. Model kincir angin tanpa pengarah ini menghasilkan daya 32,87

  watt pada kecepatan angin 6,83 m/s dengan torsi 2.13 Nm. Model kincir angin berpengarah 45 , menghasilkan koefisien daya maksimal 33% pada tip speed ratio (tsr) 0,67. Model kincir angin berpengarah 45 ini menghasilkan daya 12,19 watt pada kecepatan angin 4,98 m/s dengan torsi 1,10 Nm. Model kincir angin berpengarah 30 menghasilkan koefisien daya maksimal 32 % pada tip speed ratio (tsr) 0,59. Model kincir angin berpengarah 30 ini menghasilkan daya 13,57 watt pada kecepatan angin 5,22 m/s dengan torsi 1,31 Nm.

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

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus dan Bunda Maria, karena atas segala berkat dan kasih karunia-Nyalah yang selalu menyertai saya selama persiapan sampai akhir tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

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

  2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  3. Bapak Ir. Rines M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir yang telah mendampingi dan memberikan bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  4. Bapak selaku dosen pembimbing akademik.

  5. Seluruh staf pengajar Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan materi selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  6. Laboran (Ag. Rony Windaryawan) yang telah memberikan ijin dalam

  7. Teman – teman yang turut memberi dukungan moril dalam menyelesaikan tugas akhir ini, seluruh Mahasiswa Universitas Sanata Dharma Jurusan Teknik Mesin angkatan 2007 khususnya Endro Pramulat, Suryo Prastyo, Tumbur Sahala Tua.

  8. Kedua Orang Tua, Budong dan Anastasya Simoi yang telah memberikan dukungan baik moril maupun material dalam penyusunan skripsi ini.

  9. Pihak-pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu, yang telah memberikan dorongan dan bantuan dalam wujud apapun selama penyusunan skripsi ini. Akhir kata, dengan menyadari segala kekurangan dan kelemahan, dalam penyusunan laporan ini karena keterbatasan pengetahuan yang belum diperoleh, maka segala kritik dan saran dari berbagai pihak yang bersifat membangun dalam penyempurnaan tugas ini penulis terima dengan senang hati. Semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Apabila ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis mohon maaf. Terima kasih.

  Yogyakarta, 20 Agustus 2012 Penulis

  

DAFTAR ISI

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

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

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

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

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .......................................... v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ......................... vi

  

INTISARI ............................................................................................................ vii

KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii

DAFTAR ISI ........................................................................................................... x

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii

  

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

  1.l. Latar Belakang ........................................................................................ 1

  1.2. Perumusan Masalah ................................................................................. 3

  1.3. Batasan Masalah ...................................................................................... 3

  1.4. Tujuan Penelitian ..................................................................................... 4

  1.5. Manfaat Penelitian ................................................................................... 4

  

BAB II. DASAR TEORI ........................................................................................ 5

  2.1. Konsep Dasar Angin ............................................................................... 5

  2.2. Kincir Angin ............................................................................................ 6

  2.4. Rumus Perhitungan ............................................................................... 10

  

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 16

  3.1. Peralatan dan Bahan .............................................................................. 16

  3.2. Objek Penelitian .................................................................................... 19

  3.3. Variabel Penelitian ................................................................................ 24

  3.4. Variabel data yang diambil .................................................................... 24

  3.5. Variabel yang dihitung .......................................................................... 25

  3.6. Langkah Percobaan...………………………………………………….25

  

BAB IV. PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ........................................... 30

  4.1. Data Hasil Percobaan ............................................................................ 30

  4.2. Pengolahan Data dan Hasil Perhitungan ............................................... 30

  4.3. Data Hasil Perhitungan .......................................................................... 40

  4.4. Grafik Hasil Perhitungan ....................................................................... 46

  4.5. Pembahasan...…………………………………………………………54

  

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 56

  5.1. Kesimpulan ............................................................................................ 56

  5.2. Saran ...................................................................................................... 56

  

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 58

LAMPIRAN .......................................................................................................... 59

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin tanpa pengarah……………………....….31Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin dengan pengarah 30 ……………..……..32Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin dengan pengarah 45 ……………………34Tabel 4.1 Data hasil perhitungan kincir angin tanpa pengarah…………………..41Tabel 4.1 Data hasil perhitungan kincir angin dengan pengarah 30 ……...……..43Tabel 4.1 Data hasil perhitungan kincir angin dengan pengarah 45 ………...…..44

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir angin poros Vertikal..................................................................8Gambar 2.2 kincir angin poros Horizontal...............................................................9Gambar 2.3 Grafik Betz Limit...............................................................................12Gambar 3.1 Kincir angin Savonius........................................................................16Gambar 3.2 Pelat batas sudu..................................................................................17Gambar 3.3 Sudu kincir.........................................................................................18Gambar 3.4 Poros kincir........................................................................................18Gambar 3.5 Sirip-sirip pengarah............................................................................19Gambar 3.6 Terowongan angin..............................................................................20Gambar 3.7 Fan Blower.........................................................................................20Gambar 3.8 Anemometer.......................................................................................21Gambar 3.9 Takometer...........................................................................................22Gambar 3.10 Neraca Pegas....................................................................................22Gambar 3.11 Lampu pembebanan.........................................................................23Gambar 3.12 Generator..........................................................................................23Gambar 3.13 Kabel listrik......................................................................................24Gambar 3.14 Posisi kincir angin didalam terowongan..........................................26Gambar 3.15 Pemasangan neraca pegas serta pengaitnya.....................................26Gambar 3.16 Tali pengait pada generator..............................................................27Gambar 3.17 Sensor listrik yang dihubungkan dengan Anemometer....................27Gambar 3.18 Posisi Takometer..............................................................................28Gambar 4.2 Grafik hub. Daya kincir dan torsi variasi kincir tanpa pengarah.......47Gambar 4.3 Grafik hub. Cp dan tsr variasi kincir tanpa pengarah.........................48Gambar 4.4 Grafik hub. Putaran poros dan torsi variasi kincir pengarah 30 .......49Gambar 4.5 Grafik hub. Daya kincir dan torsi variasi kincir pengarah 30 ...........50Gambar 4.6 Grafik hub. Cp dan tsr variasi kincir pengarah 30 ............................51Gambar 4.7 Grafik hub. Putaran poros dan torsi variasi kincir pengarah 45 .......52Gambar 4.8 Grafik hub. Daya kincir dan torsi variasi kincir pengarah 45 ...........53Gambar 4.9 Grafik hub. Cp dan tsr variasi kincir pengarah 45 ............................54

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi, khususnya energi listrik di Indonesia, makin berkembang menjadi bagian tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat sehari-hari seiring dengan pesatnya peningkatan pembangunan dibidang teknologi, industri dan informasi. Namun pelaksaan penyediaan energi listrik yang dilakukan PT. PLN (Persero), selaku lembaga resmi yang ditunjuk oleh pemerintah untuk mengelola masalah kelistrikan di Indonesia, sampai saat ini masih belum dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik secara keseluruhan. Kondisi geografis Negara Indonesia yang terdiri atas ribuan pulau dan kepulauan, tersebar dan tidak meratanya pusat-pusat beban listrik, rendahnya tingkat permintaan listrik dibeberapa wilayah, tingginya biaya marginal pembangunan sistem suplai energi listrik (Ramani, 1992), serta terbatasnya kemampuan finansial, merupakan faktor-faktor penghambat penyediaan energi listrik dalam skala nasional.

  Selain hal tersebut diatas, makin berkurangnya ketersediaan sumber daya energi fosil, khususnya minyak bumi, yang sampai saat ini masih merupakan tulang punggung dan komponen utama penghasil energi listrik di Indonesia, serta makin meningkatnya kesadaran akan usaha untuk melestarikan lingkungan, menyebabkan kita berpikir untuk mencari alternatif penyediaan energi listrik yang memiliki karakter : a.

   Dapat mengurangi ketergantungan terhadap pemakaian energi fosil, khususnya

  b.

   Dapat menyediakan energi listrik dalam skala lokal dan regional.

  c.

   Mampu memanfaatkan potensi sumber daya energi d.

   Ramah lingkungan, dalam artian proses produksi dan pembuangan hasil produksinya tidak merusak lingkungan hidup sekitarnya.

  Sistem penyediaan energi listrik yang dapat memenuhi kriteria di atas adalah sistem konversi energi yang memanfaatkan sumber daya energi terbarukan, seperti : matahari, angin, air, biomas dan sebagainya (Djojonegoro, 1992). Tidak bisa dipungkiri bahwa kencendrungan untuk mengembangkan dan memanfaatkan potensi sumber-sumber daya energi yang terbarukan dewasa ini telah meningkat dengan pesat, khususnya di negara- negara sudah berkembang yang telah menguasai rekayasa da teknologi serta mempunyai dukungan finansial yang kuat. Oleh sebab itu, merupakan hal yang menarik untuk disimak lebih lanjut, bagaimana peluang dan kendala pemanfaatan sumber-sumber daya energi terbarukan ini di negara-negara sedang berkembang, khususnya di Indonesia. (sumber :www.energi.lipi.go.id.cgi, juli 2011)

  Seiring perkembangan zaman serta perubahan iklim saat ini mengubah cara pandang tenteng pembangunan. Solusinya adalah energi terbarukan yang ramah lingkungan.

  Energi angin sebagai energi terbarukan diyakini bisa menggantikan bahan bakar fosil. Energi angin diprediksi dapat meningkatkan kualitas udara, mengurangi emisi gas-gas rumah kaca yang menimbulkan pemanasan global, dan dampak-dampak lingkungan lainnya.

  Meski secara umum potensi angin di Indonesia relatif rendah, dibeberapa wilayah terdapat lokasi yang cukup potensial untuk dimanfaatkan. Dari evaluasi data potensi angin terdapat beberapa lokasi potensial yang dapat dimanfaatkan melalui penerapan sistem konversi energi angin untuk berbagai keperluan seperti pembangkit listrik dan pemompaan air. Lokasi-lokasi potensial yang telah teridentifikasi sebagian besar berada di wilayah Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, Sulawesi Utara, Maluku Tenggara dan Barat, serta pantai selatan Jawa. Di lokasi-lokasi tersebut, kecepatan angin rata-rata tahunan lebih dari 4,5 meter per detik. (sumber:Almuslim-beritateknologi.blogspot.com, agustus 2011).

  Oleh karena hal tersebut diatas, melalui tugas akhir ini melakukan penelitian dan pengembangan energi yang terbarukan yang ramah lingkungan sehingga dapat diterima dan berguna bagi masyarakat Indonesia pada umumnya.

  1.2 Perumusan Masalah

  Pada tugas akhir ini akan diteliti dua buah model kincir angin jenis Savonius dengan variasi pengarah dan tanpa pengarah. Kincir angin jenis Savonius mempunyai komponen yang mudah dibuat dan dapat dikembangkan dengan menggunakan energi angin dengan berbagai variasi kecepatan angin. Adapun dasar-dasar perumusan masalah dalam pembuatan kincir angin jenis Savonius ini adalah : 1. Indonesia kaya akan potensi angin, namun belum termanfaatkan secara maksimal.

  2. Angin merupakan energi yang mudah kita kita temukan, murah, kekal dan tidak menimbulkan pencemaran udara.

  3. Kincir angin jenis Savonius merupakan salah satu alternatif untuk mengembangkan energi terbarukan sehingga potensi energi angin di Indonesia bisa di manfaatkan.

  1.3 Batasan Masalah

  Untuk batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a.

   Objek penelitian adalah kincir angin.

  b.

   Model kincir angin yang diteliti memiliki tiga sudu dengan sirip-sirip pengarah dan tanpa pengarah.

  c.

  dan 45 .

   Variasi sudut kemiringan dengan pengarah, adalah 30 d.

   Variasi kecepatan angin disesuaikan dengan kapasitas terowongan angin yang digunakan untuk penelitian.

  1.4 Tujuan Penelitian

  Penelitian ini diadakan dengan tujuan sebagai berikut :

  1. Membuat dua model kincir angin tipe Savonius tanpa pengarah dan dengan sirip-sirip pengarah 30 dan 45 .

  2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin jenis Savonius.

  3. Mengetahui pengaruh penggunaan sirip-sirip pengarah terhadap unjuk kerja kincir angin.

  1.5 Manfaat Penelitian

  Adapun manfaat dari tujuan penelitian kincir angin tipe Savonius ini adalah sebagai berikut :

  a.

   Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin tipe Savonius dengan variasi pengarah ataupun tidak.

  b.

   Menjadi referensi baru bagi setiap orang terutama di daerah tentang kincir angin untuk memberdayakan potensi angin tepat guna.

  c.

   Memanfaatkan energi angin sebagai salah satu alternatif energi terbarukan.

  d.

   Menjadi sumber referensi untuk membantu penelitian akan hal yang serupa tentang

  kincir angin tipe Savonius yang lebih sempurna dimasa yang akan datang sehingga dapat diterima dan berguna bagi setiap orang.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin

  Angin merupakan udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara yang tinggi ke tekanan udara yang rendah di sekitarnya. Energi

  angin merupakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.

  Angin memiliki hubungan yang erat dengan sinar matahari karena daerah yang terkena banyak menerima sinar matahari akan memiliki suhu yang lebih tinggi serta tekanan udara yang lebih rendah dari daerah lain di sekitarnya sehingga menyebabkan terjadinya aliran udara. (sumber :organisasi.org./definesi, agustus 2011).

2.1.1 Faktor Terjadinya Angin

  Adapun factor-faktor yang menyebabkan terjadinya adalah sebagai berikut: a.

   Gradien Barometris

  Bilangan yang menunjukkan perbedaan tekanan udara. Makin besar gradient barometrisnya, makin cepat tiupan anginnya.

  b.

   Letak Tempat Kecepatan angin didekat khatulistiwa lebih cepat dari yang jauh dari garis khatulistiwa.

  c.

   Tinggi Tempat

  Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup, hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya memberikan gaya gesekan yang besar.

  d.

   Waktu Disiang hari angin bergerak lebih cepat daripada dimalam hari.

   agustus 2011

  ( sumber : )

2.1.2 Alat-alat Untuk Mengukur Angin

  Alat-alat yang biasa digunakan untuk mengukur energi angin adalah : 1. Anemometer, adalah alat yang mengukur kecepatan angin.

  2. Wind vane, adalah alat yang digunakan untuk mengetahui arah angin

  3. Windsock, adalah alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar kecepatan angin, yaang biasanya banyak ditemukan dibandara-bandara.

  (sumber :Intl.feedfurg.com/content/116689388-angin.html, agustus 2011)

2.2 Kincir Angin

  Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin. Pada jaman dahulu kincir angin biasanya digunakan untuk menumbuk biji-bijian dan memompa air untuk mengairi sawah. Namun pada era jaman modern sekarang ini, kincir angin adalah sebuah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik yang disebut dengan turbin angin.

  Turbin angin kebanyakan ditemukan di Eropa dan Amerika Utara.(sumber:id.wikipedia.org/wiki/kincir_angin, september 2011).

  Awal mulanya kincir angin digunakan pada jaman Babilonia untuk penggilingan padi. Penggunaan teknologi modern dimulai sekitar tahun 1930, diperkirakan ada sekitar 600.000 buah kincir angin untuk berbagai keperluan. Saat ini kapasitas daya yang dihasilkan angin skala industri antara 1-4 mw.(sumber:berita-iptek.blogspot.com september 2011)

2.3 Jenis-jenis Kincir Angin

  Berdasarkan jenis posisi poros, ada dua jenis yaitu Horizontal Axis Wind Turbin/HAWT/Poros mendatar dan Vertikal Axis Wind Turbin/VAWT/Poros tegak.

2.3.1 Vertikal Axis Wind Turbin/VAWT/Poros tegak

  Vertikal Axis Wind Turbin/VAWT/Poros tegak berdasarkan posisi poros tegak terbagi menjadi dua posisi yaitu :

  1. Posisi poros tegak lurus dengan permukaan tanah.

  2. Posisi poros tegak lurus dengan arah datangnya angin.

  Turbin angin sumbu vertikal/tegak (TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu memanfaatkan angin dari berbagai arah.

  Dengan sumbu vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan didekat tanah, sehingga menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.

  Turbin sumbu tegak ini sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat turbin diletakkan, seperti pada tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Jika tinggi puncak menara yang dipasangi kira-kira 50% dari tinggi bangunan , ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan angin yang minimal.(sumber:en.wikipedia.org/wiki/wind_turbin, september 2011).

  Turbin angin sumbu vertikal memiliki efisiensi lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal. Turbin sumbu vertikal yang biasa digunakan adalah Savonius dan Darrieus.

  Turbin angin sumbu vertikal ini memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan TASV : 1. Tidak membutuhkan struktur menara yang lebih besar.

  2. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, sehingga pemeliharaan bagian- bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

  3. TASV memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak disaat angin berhembus sangat kencang.

  4. TASV tidak harus dirubah posisinya jika arah angin berubah. Kekurangan TASV : 1. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari angin yang dikonversikannya.

  2. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang dari tingkat yang lebih tinggi.

  3. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.(sumber:en.wikipedia.org/wiki/wind_turbine, september 2011).

  Beberapa jenis kincir angin poros Vertikal atau poros Tegak antara lain : Savonius, Giromill dan Darrieus, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.1.

  (a) (b) (c)

Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Vertikal

  (a) Savonius, (b) Giromill, (c) Darrieus

2.3.2 Horizontal Axis Wind Turbin/HAWT/Poros mendatar

  Turbin angin sumbu horizontal (TASH) atau HAWT memiliki poros rotor utama dan generator listrik. Turbin jenis ini biasanya dipasang diatas menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan kesebuah servo motor agar turbin menghadap dan searah dengan angin.(sumber:Wikipedia.org/wiki/wind_turbine, september 2011).

  Energi angin yang ditangkap oleh bilah-bilah sudu menghasilkan putaran rendah. Oleh karena itu sebagian besar turbin angin menggunakan gearbox(sistem transmisi) untuk mengubah putaran rendah yang dihasilkan bilah sudu menjadi lebih cepat dan sesuai untuk memutar generator.(sumber:www.planethijau.com/mod.php, september 2011).

  Beberapa jenis kincir angin poros Horizontal atau poros Mendatar antara lain : American

  

windmill dan Rival calzoniI, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2

  (a) (b)

Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Horizontal

  (a) American windmill, (b) Rival calzoniI

  ( september 2011 )

  Sumber :

  2.3.2.1 Kincir Angin tipe Savonius

  Savonius merupakan jenis turbin angin yang paling sederhana dan versi besar dari anemometer. Turbin Savonius dapat berputar karena adanya gaya tarik(drag). Efisiensi yang bisa dicapai turbin angin jenis ini sekitar 30%.

  3.3.2.1 Kincir angin tipe Darrieus Turbin angin tipe Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun simetri terhadap poros.

  Pengaturan ini berfungsi agar efektif menangkap berbagi arah angin. Darrieus memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu.(sumber:www.planethijau.com/mod.php, september 2011).

  Didalam tugas akhir ini kami melakukan penelitian kincir angin jenis poros tegak pada kincir tipe Savonius.

2.4 Rumus Perhitungan

  Didalam analisa dan perhitungan unjuk kerja kincir angin diperlukan rumus dan persamaan-persamaan sebagai berikut :

2.4.1 Energi dan Daya Angin

  Energi yang terdapat pada angin adalah energy kinetik, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

  2

  = 0,5 (1) Dimana :

  E k : energi kinetik, joule m : massa udara, kg

  v : kecepatan angin, m/s

  Dengan : : massa jenis udara, kg/m

  (4)

  3

  , disederhanakan menjadi : = 0,5

  2

  = 0,5( )

  2 Dengan menggunakan persaman (3), maka daya angin (P a ) dapat dirumuskan menjadi:

  Masa udara udara yang mengalir persatuan waktu adalah : ̇ = . . (3)

  Sedangkan daya adalah energi persatuan waktu (J/s), sehingga dari persamaan (1) dapat dituliskan : = 0,5

  V : kecepatan angin, m/s

  : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu, kg/s

  : daya angin, watt ̇

  P a

  (2) Dengan :

  2

  .̇

3 A : luasan angin yang ditangkap kincir angin, m

2.4.2 Perhitungan Daya kincir Angin

  Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Daya kincir angin dipengaruhi oleh koefesien daya angin.

  Menurut Albert Betz yang seorang ilmuan Jerman yang melakukan penelitian, didapatkan efisiensi maksimum kincir angin yaitu sebesar 59,3% (sumber:www.wikipedia.org/wiki/Betz_law, september 2011). Angka ini di sebut Betz Limit, pada gambar 2.3 dibawah ini.

Gambar 2.3 Grafik Betz limit.

  (sumber: www.wikipedia.org/wiki/Bet’z_law.) Untuk menghitung daya kincir pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan :

  = (5) Dengan :

  T : torsi dinamis, Nm

  : kecepatan sudut, rad/s Kecepatan sudut (

  ω) didapatkan dari:

  rpm = =

  2 / 60 detik =

  30 rad/sekon

  Sehingga daya yang di hasilkan oleh kincir dari Persamaan (5) dapat diubah menjadi : =

  / 30 detik

  (6) Dengan :

  P k

  : daya yang di hasilkan oleh kincir angin, watt

   n : putaran poros, rpm

2.5.2 Torsi kincir

  Torsi adalah perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang berkerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Dapat dirumuskankan : = . (7)

  Dengan :

  T : torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros, Nm F : gaya pada poros akibat puntiran, N

  : jari – jari cakram, m

  r

2.6.2 Tip Speed Ratio

  Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang

  berputar dengan kecepatan angin. Dirumuskan : . .

  (8) = 30.

  Dengan :

  r : jari –jari kincir, m n : putaran poros kincir tiap menit, rpm v : kecepatan angin, m/s

  2.7.2 p ) Koefesien Daya (C

  Koefisien daya (C ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (P )

  p k

  dengan daya yang disediakan oleh angin (P a ), dapat dirumuskan sebagai berikut : = 100% (9)

  Dengan :

   P k : daya yang dihasilkan oleh kincir, watt P a

  : daya yang dihasilkan oleh angin, watt

BAB III METODE PENELITIAN Pengambilan data untuk penelitian ini dilakukan di Laboratium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang dimulai pada bulan Oktober 2011 sampai dengan bulan Nopember 2011.

3.1 Peralatan dan bahan

  Model kincir angin Savonius yang dibuat dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1.

  Komponen-komponen kincir angin :

  1. Pelat batas sudu

  1

  2. Sudu Kincir

  3. Bilah penguat

  2

  3 Gambar 3.1 Kincir Angin Savonius Pada kincir angin model Savonius yang disajikan pada Gambar 3.1 memiliki beberapa bagian antara lain :

  1. Pelat batas sudu Pelat untuk dudukan ini berjumlah tiga buah yaitu di atas, tengah dan bawah. Pelat tumpuan ini berfungsi sebagai tempat meletakkan sudu, sudu akan menempel pada tempat yang sudah ditentukan. Untuk menguatkan penempelan sudu dilem dan dijepit menggunakan baut. Bahan pelat batas sudu ini terbuat dari triplek setebal 4 mm dan diameter 60 cm, seperti pada gambar 3.2.

Gambar 3.2 Pelat batas sudu

  2. Sudu kincir Seperti pada umumnya, sudu kincir ini berfungsi untuk menangkap angin yang datang melintasi kincir. Pada bagian atas dan bawah sisi sudu ditopang oleh bilah-bilah penguat, fungsinya adalah untuk menguatkan bentuk lengkungan sudu dan sebagai tempat yang akan dilem dan dibaut. Material yang dipakai adalah pelat seng setebal 0,2 mm, seperti pada gambar 3.3.

Gambar 3.3 Sudu kincir

  3. Poros Poros adalah alat yang berfungsi sebagai pusat putaran kincir dan juga penopang kincir saat berputar. Disamping itu juga poros juga berfungsi mentransmisikan putaran kincir. Material yang dipakai adalah pipa PVC 1 inch dan panjang poros 120 cm, seperti pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 Poros kincir

  4. Sirip-sirip pengarah Sirip-sirip pengarah adalah komponen yang berfungsi mangarahkan aliran angin yang melintasi kincir. Sirip-sirip pengarah ini dapat divariasikan sudutnya. Material yang digunakan untuk sirip-sirip pengarah ini adalah triplek setebal 4 mm, pengarah berbentuk pelat persegi panjang , dengan ukuran 10 cm x 90 cm dan dipasang pada lingkar terluar kincir, seperti pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Sirip-sirip Pengarah

3.2 Objek penelitian

  Objek dalam penelitian ini adalah tiga variasi model kincir angin Savonius satu tingkat tiga sudu. Salah satu variasi model kincir angin yang diteliti dilengkapi pengarah pada lingkar terluar kincir berjumlah delapan sirip, kedua dengan tanpa dilengkapi pengarah. Dua variasi lainnya menggunakan sirip pengarah yang masing-masing dengn sudut sudut pengarah 30 dan 45 . Didalam proses pengambilan data digunakan beberapa peralatan dan sarana pendukung antara lain :

  1. Terowongan angin Terowongan Angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong yang berukuran 1,2 m ×

  1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai penangkap angin yang dihisap oleh fan blower

  3.6. Kecepatan angin divariasikan dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan.

Gambar 3.6 Terowongan angin

  2. Fan blower Blower adalah sebuah alat yang berfungsi untuk menghisap dan menurunkan tekanan angin di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 Kw. Transmisi yang digunakan untuk meneruskan dari motor ke fann blower menggunakan sabuk dan puli, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.7.

  3. Anemometer Anemometer adalah alat pengukur kecepatan angin sesuai dengan data yang dibutuhkan didalam terowongan angin. Selain itu, anemometer dapat pula digunakan untuk mencatat waktu, sehingga memudahkan pencatatan data pada waktu yang ditentukan. Alat ini terdiri dari dua komponen utama, yaitu sensor elektrik yang diletakkan di depan terowongan angin dan modul digital yang menterjemahkan data dari sensor kemudian ditampilkan pada layar digital seperti yang ditunjukkan pada Gambar

  3.8. Gambar 3.8 Anemometer

  4. Takometer Takometer (tachometer) adalah alat yang berfungsi sebagai pengukur kecepatan putaran poros kincir angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Peralatan ini prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor yang dapat berupa aluminium foil atau benda yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros kincir. Peralatan ini dapat dilihat pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Takometer

  5. Neraca pegas Neraca pegas digunakan untuk mengukur beban pengimbang torsi dinamis disaat kincir berputar, neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan lengan ayun yang telah ditentukan. Peralatan ini seperti terlihat pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Neraca pegas

  6. Lampu pembebanan Lampu digunakan untuk memberikan efek pengereman atau pembebanan pada poros kincir yang berputar. Lampu berjumlah 27 buah lampu yang disusun secara paralel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Lampu pembebanan

  7. Generator Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik putaran poros menjadi energi listrik, generator dihubungkan melalui sabuk dan puli. Generator ini berfungsi membangkitkan energi listrik untuk menyalakan rangkaian lampu pembebanan dan juga berfungsi untuk memberikan efek pengereman dalam penelitian.torsi yang dihasilkan. Seperti terlihat pada Gambar 3.12.

  8. Kabel Listrik Kabel berfungsi sebagai penghantar arus listrik dari generator dengan beban lampu yang digunakkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13 Kabel Listrik

  3.3 Variabel penelitian

  Beberapa variabel penelitian yang harus ditetapkan sebelum melakukan penelitian adalah sebagai berikut:

  a.

  dan

  

Variasi sirip-sirip pengarah : tanpa sirip pengarah, dengan sirip pengarah 30

45 .

  b.

   Variasi kecepatan angin : setiap data diambil dalam lima variasi kecepatan angin.

  c.

   Variasi pembebanan : tanpa beban lampu dan dengan beberapa variasi beban lampu.

  3.4 Variabel data yang di ambil

  Variabel yang diambil dalam pengambilan data antara lain :

  1. Kecepatan angin (v)

  2. Putaran poros kincir angin (n)

  3. Gaya pengimbang (F)

  4. Temperatur udara (T)

  3.5 Variabel yang di hitung

  Setelah mendapatkan hasil dari data-data diatas, maka dapat dihitung karakteristik kincir angin yang meliputi :

  1. Daya yang disediakan angin (P a )

  2. Daya yang dihasilkan kincir (p k )

  3. Torsi pada poros kincir (T)

  4. Koefisien daya (C p )

  5. Tip Speed Ratio (tsr)

  3.6 Langkah-langkah percobaan

  Langkah pertama yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian ini adalah memposisikan kincir angin yang akan diuji ke dalam terowongan angin (lihat Gambar 3.14). Pengambilan data kecepatan angin, torsi, dan temperatur dilakukan secara bersamaan.

Gambar 3.14 posisi kincir angin didalam terowongan

  Selanjutnya pengambilan data dapat dilakukan dengan langkah-langkah berikut :

  1. Memasang neraca pegas serta pengaitnya pada tempat yang telah ditentukan seperti pada Gambar 3.15 dibawah ini :

  2. Memasang tali pengait yang menghubungkan antara generator dengan neraca pegas seperti pada Gambar 3.16.

Gambar 3.16 Tali pengait pada generator

  3. Memasang sensor elektrik anemometer serta modul digital tepat didepan kincir angin didalam terowongan angin pada tempat yang telah ditentukan. Lihat Gambar 3.17.

  4. Menghubungkan rangkaian lampu dengan generator menggunakan kabel yang telah disiapkan dan kondisi lampu sebelumnya pada kondisi off .

  5. Menempatkan posisi takometer pada tempat yang telah ditentukan seperti Gambar 3.18.

Gambar 3.18 Posisi Takometer 6. Mengatur sudut kemiringan sudu sesuai yang telah ditentukan.

  7. Jika semua sudah siap, fan blower dinyalakan untuk menghembuskan angin pada terowongan angin.

  8. Mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara merubah jarak

  fan blower terhadap terowongan angin, diperlukan beberapa saat agar kondisi angin konstan.

  9. Bila kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang diinginkan maka, pengambilan data dapat dimulai dari pembacaan kecepatan angin pada layar anemometer, pembacaan temperatur udara, pengukuran putaran poros kincir dengan takometer, dan yang terakhir pembacaan beban untuk penghitungan torsi dinamis pada neraca pegas.

  10. Mencatat hasil pengamatan

  11. Langkah 1 sampai 10 di ulang lagi sampai lima variasi kecepatan dengan kecepatan angin yang berbeda.

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

  4.1 Data Hasil Percobaan

  Data hasil penelitian didapatkan dari pengambilan data torsi pada kincir angin tanpa pengarah dan variasi kincir angin dengan pengarah 30 dan variasi kincir angin dengan pengarah 45 . Pengujian dilakukan dengan variasi angin mulai dari kecepatan angin rata-rata 4,1 m/s sampai dengan 5,94 m/s hingga kincir berhenti berputar. Untuk setiap variasi percobaan dilakukan lima kali variasi kecepatan rata-rata angin, dengan cara mengatur jarak blower terhadap terowongan angin yaitu kurang lebih 3 cm untuk setiap perubahan posisi. Posisi 0 berarti tidak ada jarak antara blower dan terowongan angin atau pada posisi rapat, posisi 1 berarti blower telah dimundurkan kurang lebih 3 cm, posisi 2 berarti blower telah dimundurkan pada jarak yang lebih jauh dari posisi 1 yaitu kurang lebih 6 cm, dan begitu pula untuk posisi 3,4 hingga 5. Dari penelitian diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 4.1 hingga Tabel 4.3.

  4.2 Pengolahan Data dan Hasil Perhitungan

  Dari hasil data percobaan yang telah dilakukan, perhitungan dapat disajikan pada contoh perhitungan untuk kincir angin tanpa pengarah tanpa pembebanan dan jarak antara blower dengan terowongan angin pada kondisi rapat. Dari hasil percobaan tersebut diketahui kecepatan angin 6,92 m/s, putaran porosnya 336,90 rpm, pembebanan 490 gr dan suhu

  o 29,10 seperti ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin tanpa pengarah

  No. Posisi blower Kecepatan angin massa udara Putaran poros Beban suhu (m/s) (kg/m³) (rpm) (gram) (°C) 1 6,92 1,17 336,90 490 29,10 2 6,98 1,17 165,07 760 29,23 3 6,78 1,17 166,73 910 29,13 4 6,72 1,17 129,77 980 29,07 5 6,73 1,17 130,83 1072,5 29,62 6 6,83 1,17 147,20 1087,5 29,97 7 6,76 1,17 80,67 1095 29,67 8 6,61 1,17 74,59 1125 29,73 9 6,64 1,17 97,32 1125 29,67 10 6,74 1,17 70,34 1155 29,83

  11

  1 6,15 1,16 217,60 415 30,40 12 6,16 1,17 107,37 770 30,10 13 6,06 1,17 79,06 830 29,70 14 5,97 1,17 74,92 900 30,03 15 6,16 1,17 65,80 920 30,20 16 6,21 1,16 63,84 940 30,50 17 6,20 1,16 60,92 950 30,37 18 6,03 1,16 55,51 950 30,57

  19

  2 5,62 1,16 175,17 405 30,37 20 5,85 1,16 96,69 710 30,63 21 5,62 1,16 66,98 780 30,40 22 5,76 1,17 60,17 785 30,23 23 5,66 1,16 54,89 840 30,53

  24

  3 5,47 1,16 153,70 400 30,40 25 5,30 1,16 72,84 650 30,33 26 5,34 1,16 55,19 700 30,40 27 5,38 1,16 47,14 720 30,43 28 5,37 1,16 46,27 735 30,50 29 5,31 1,16 38,70 760 30,37

  30

  4 4,81 1,16 114,07 390 30,47 31 4,93 1,16 87,02 450 30,63 32 4,89 1,16 51,24 560 30,43 33 5,06 1,16 46,08 590 30,77 34 4,98 1,16 37,12 610 30,63 35 4,99 1,16 34,60 630 30,73

  36

  5 4,53 1,16 89,98 260 30,57 37 4,66 1,16 53,08 470 30,67 38 4,56 1,16 43,13 485 30,63 39 4,62 1,16 45,61 490 30,67 40 4,55 1,16 27,07 510 30,57

Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin dengan pengarah 30

  o .

  No. Posisi blower Kecepatan angin massa udara Putaran poros Beban suhu (m/s) (kg/m³) (rpm) (gram) (°C)

  1 6,03 1,18 212,77 350 26,5 2 5,96 1,18 156,17 455 26,3 3 5,91 1,18 138,33 510 26,3 4 6,06 1,18 131,47 610 27,1 5 5,89 1,18 119,83 650 26,7 6 5,89 1,18 116,27 720 26,7 7 5,90 1,18 112,77 750 26,8 8 5,78 1,18 103,40 820 26,6 9 5,94 1,18 98,50 900 26,8

  10 6,08 1,18 89,85 950 27,3 11 5,87 1,18 76,76 980 27,2

  12

  1 5,52 1,17 160,90 380 27,7 13 5,53 1,18 126,17 500 27,4 14 5,57 1,18 119,93 550 27,4 15 5,56 1,18 112,33 630 27,5 16 5,57 1,17 107,13 700 27,7 17 5,58 1,18 102,93 740 27,6 18 5,53 1,18 99,23 780 27,5 19 5,57 1,18 92,27 860 27,4 20 5,58 1,18 80,19 920 27,5 21 5,62 1,17 65,43 1000 27,7

  22

  2 5,28 1,17 145,20 380 27,9 23 5,24 1,17 115,77 460 27,8 24 5,18 1,17 108,43 520 27,7 25 5,25 1,17 103,60 580 27,8 26 5,22 1,17 98,61 670 27,9

Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin dengan pengarah 30 .(lanjutan)

  No. Posisi blower Kecepatan angin massa udara Putaran poros Beban suhu (m/s) (kg/m³) (rpm) (gram) (°C)

  27

  2 5,29 1,17 90,24 730 28,2 28 5,27 1,17 81,27 800 28,1 29 5,29 1,17 72,47 830 28,2 30 5,27 1,17 65,65 870

  28

  31

  3 4,96 1,17 115,53 360

  28

  32 4,88 1,17 101,07 440 28,2 33 4,91 1,17 96,52 510 28,3 34 4,92 1,17 91,53 550 28,4 35 4,98 1,17 86,73 600 28,5 36 4,97 1,17 82,71 680 28,4 37 4,93 1,17 70,93 730 28,2 38 4,98 1,17 59,60 790 28,1 39 4,98 1,17 49,72 840 28,1

  40