UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS ENAM TINGKAT DENGAN VARIASI BENTUK SUDU

  

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS

ENAM TINGKAT DENGAN VARIASI BENTUK SUDU

Tugas Akhir

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

  Program Studi Teknik Mesin Oleh :

  

DIONISIUS JOHAN PRIMANANDA

NIM : 075214021

  PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013

THE PERFORMANCE OF SIX-STAGE SAVONIUS

  

WIND TURBINE MODEL WITH VARIATION IN

BLADE

Final Project

  Presented as fulfillment of the Requirements To obtain the Sarjana Teknik Degree in

  Mechanical Engineering Study Programme By :

  

DIONISIUS JOHAN PRIMANANDA

Student ID Number : 075214021

  MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2013

  INTISARI

  Ketergantungan akan energi listrik terus meningkat dan ketersediaan energi fosil saat ini mengalami penurunan maka diperlukan sumber energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi angin. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan unjuk kerja model kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua variasi bentuk sudu.

  Kedua model variasi kincir angin tersebut diatas dibuat dalam enam tingkat, dengan ukuran yang sama yakni 0,7 m x 0,75 m. Variasi pertama adalah kincir angin Savonius dengan bentuk sudu standard dan model variasi kedua dengan bentuk sudu modifikasi. Setiap model kincir angin diuji untuk mengetahui torsi, putaran poros, daya kincir, dan koefisien daya.

  Hasil penelitian menunjukkan bahwa model kincir Savonius dengan bentuk sudu modifikasi memberikan koefisien daya (C p ) maksimal (16,2 % pada tip 1,13) dan daya maksimal (22,2 watt pada kecepatan angin 7,53 m/s

  speed ratio

  dengan torsi 0,89 Nm) tertinggi diantara kedua model kincir yang diteliti. Model kincir angin Savonius dengan bentuk sudu standard menghasilkan koefisien daya maksimal 13,9 % pada tip speed ratio 1,01 menghasilkan daya 19 watt pada kecepatan angin 7,72 m/s dengan torsi 0,78 Nm.

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

  Kata kunci

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat karuniaNya penulis bisa menyelesaikan penelitian Tugas Akhir yang berjudul,

  “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Savonius Enam Tingkat dengan

  Variasi Bentuk Sudu

  ” dengan baik. Tugas Akhir merupakan salah satu persyaratan wajib untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Tugas Akhir ini dapat penulis selesaikan berkat bantuan, dukungan, dan nasihat dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.

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

  2. Ir. PK. Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  3. RB. Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si., selaku dosen pembimbing akademik.

  4. Ir. Rines M.T., selaku dosen pembimbing Tugas Akhir.

  5. Segenap dosen dan laboran program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  6. Aloysius Agus Priyono, Maryanah Yoanna Fransisca, Yasinta Osy Petriana, dan Vincencia Sari Wulaningtyas serta semua saudara-saudara penulis yang telah memberi semangat dan nasehat kepada penulis.

  7. Wara Budi Harno dan Sugeng Budi Prasetyo, selaku teman sekelompok pengerjaan Tugas Akhir.

  8. Semua teman-teman mahasiswa jurusan Teknik Mesin Univeritas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu terima kasih penulis ucapkan atas semua bantuannya.

  Penulis menyadari naskah Tugas Akhir ini jauh dari sempurna dan masih perlu pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak akan penulis terima dengan senang hati.

  Semoga naskah Tugas Akhir ini bermanfaat bagi teman-teman mahasiswa Teknik mesin Universitas Sanata Dharma dan para pembaca lainnya. Apabila terdapat kesalahan dalam naskah Tugas Akhir ini penulis mohon maaf dan sekali lagi penulis mengucapkan terima kasih. Berkah dalem.

  Yogyakarta, 10 Januari 2012 Penulis

  

DAFTAR ISI

  Halaman Judul ......................................................................................................... i Title Page ............................................................................................................... ii Halaman Pengesahan ............................................................................................ iii Daftar Dewan Penguji ........................................................................................... iv Pernyataan Keaslian Karya .................................................................................... v Lembar Pernyataan Persetujuan Publikasi Karya Ilmiah ...................................... vi Intisari .................................................................................................................. vii Kata Pengantar .................................................................................................... viii Daftar Isi ................................................................................................................. x Daftar Gambar ..................................................................................................... xii Daftar Tabel ........................................................................................................ xiv

  BAB I PENDAHULUAN

  1.1. Latar Belakang Masalah .................................................................................. 1

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

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

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

  1.5. Tujuan Penelitian ............................................................................................ 3

  BAB II DASAR TEORI

  2.1. Energi Angin ................................................................................................... 4

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

  2.3. Rumus-Rumus Perhitungan ............................................................................ 7

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  3.1. Diagram Alir Penelitian ................................................................................ 13

  3.2. Objek Penelitian ............................................................................................ 14

  3.3. Perancangan Kincir Angin Savonius ............................................................ 14

  3.4. Peralatan dan Bahan ...................................................................................... 14

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

  3.6. Langkah Pengambilan Data ......................................................................... 22

  3.7. Langkah Pengolahan Data ............................................................................. 23

  BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

  4.1. Data Hasil Penelitian ..................................................................................... 25

  4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ................................................................ 25

  4.3. Data Hasil Perhitungan ................................................................................. 32

  4.4. Grafik Hasil Perhitungan ............................................................................... 34

  4.5. Pembahasan ................................................................................................... 38

  BAB V PENUTUP

  5.1. Kesimpulan ................................................................................................... 39

  5.2. Saran .............................................................................................................. 40 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 41 LAMPIRAN ......................................................................................................... 43

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir angin poros horisontal ............................................................. 5Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal ................................................................. 6Gambar 2.3 Penampang turbin Savonius ............................................................... 7Gambar 2.4 Grafik hubungan C dan tip speed ratio (tsr) beberapa jenis kincir . 10

  p

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ..................................................................... 13Gambar 3.2 Model kincir angin Savonius ............................................................ 14Gambar 3.3 Plat batas sudu .................................................................................. 15Gambar 3.4 Bilah penguat .................................................................................... 16Gambar 3.5 Poros kincir ...................................................................................... 16Gambar 3.6 Terowongan angin ............................................................................ 17Gambar 3.7 Fan blower ....................................................................................... 18Gambar 3.8 Generator .......................................................................................... 18Gambar 3.9 Neraca pegas .................................................................................... 19Gambar 3.10 Tachometer ..................................................................................... 19Gambar 3.11 Anemometer ................................................................................... 20Gambar 3.12 Rangkaian lampu pembebanan ....................................................... 20Gambar 3.13 Kabel-Kabel ................................................................................... 21Gambar 3.14 Stopwatch ....................................................................................... 21Gambar 4.1. Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros untuk kincir angin

  Savonius dengan variasi sudu standard ......................................... 34

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir angin

  Savonius dengan variasi sudu standard ......................................... 35

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara C dan tsr untuk kincir angin Savonius

  

p

  dengan variasi sudu standard ......................................................... 35

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros untuk kincir angin

  Savonius dengan variasi sudu modifikasi ...................................... 36

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir angin

  Savonius dengan variasi sudu modifikasi .................................... 37

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara C p dan tsr untuk kincir angin Savonius dengan variasi sudu modifikasi ..................................................... 37

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin Savonius dengan sudu standard ............. 30Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin Savonius dengan sudu modifikasi .......... 31Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kincir angin Savonius dengan sudu standard .. 38Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin Savonius dengan sudu modifikasi ............................................................................................ 39

  Tabel L.1 Tabel sifat udara .................................................................................. 44

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Pada masa kini ketergantungan akan energi listrik terus meningkat dan

  ketersediaan energi fosil saat ini mengalami penurunan. Dimulai dari revolusi industri, kebutuhan akan energi fosil meningkat tajam yang berbanding terbalik dengan ketersediaan bahan bakar fosil yang ada. Kebutuhan akan energi fosil masih besar, sebagian besar digunakan dalam bidang industri, transportasi, dan rumah tangga terutama untuk mencukupi kebutuhan energi listrik.

  Sebagai mahasiswa yang mempunyai visi mengembangkan energi terbarukan dan konservasi energi penulis mempunyai pemikiran untuk membuat alat pembangkit listrik menggunakan energi alternatif. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik adalah energi angin, mengingat bahwa Indonesia adalah negara kepulauan yang mempunyai potensi energi angin cukup besar namun angin mempunyai kelemahan yaitu dinamis atau tidak konstan. Untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik memerlukan proses dan metode tertentu. Salah satu alat yang dapat mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik adalah kincir angin yang ditransmisikan dengan generator untuk menghasilkan listrik.

  Kincir angin jenis Savonius adalah jenis kincir yang mampu menerima angin dari semua arah. Dengan menggunakan kincir angin Savonius, diharapkan energi listrik yang dihasilkan dapat membantu mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan energi fosil. Berdasarkan hal-hal diatas maka dilakukanlah penelitian ini.

1.2. Rumusan Masalah

  Permasalahan yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah: 1.

  Alat untuk mengkonversikan energi angin masih perlu dikembangkan.

2. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang murah,

  3. Negara Indonesia merupakan negara dengan potensi angin yang melimpah namun energi angin tersebut belum dimanfaatkan secara maksimal.

4. Diperlukan model kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin dengan efisiensi maksimal.

1.3. Batasan Masalah

  Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada: 1.

  Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin Savonius enam tingkat berdiameter 70 cm dan tinggi 75 cm dengan dua sudu pada setiap tingkatnya.

  2. Penelitian dilakukan dengan mengoperasikan model kincir angin didalam terowongan angin yang tersedia di Universitas Sanata Dharma.

  3. Jangkauan kecepatan angin disesuaikan dengan kondisi terowongan angin yang digunakan.

  4. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, temperatur udara, putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.

  5. Variasi pada penelitian ini adalah bentuk sudu.

1.4. Manfaat Penelitian

  Manfaat yang dapat diambil dalam penelitian ini adalah: 1.

  Dapat menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua sudu pada setiap tingkatnya.

  2. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi bagi masyarakat yang membutuhkan sumber energi alternatif selain sumber energi fosil.

  3. Menjadi sumber referensi bagi masyarakat di daerah dengan potensi energi angin yang besar untuk memberdayakan energi terbarukan.

  4. Dapat menambah literature (pustaka) mengenai kincir angin yang dapat digunakan untuk pembangkit tenaga listrik dan bagi perkembagan teknologi energi terbarukan, khususnya energi angin.

1.5. Tujuan Penelitian

  Tujuan melakukan penelitian ini adalah: 1.

  Membuat model kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua variasi kelengkungan sudu.

  2. Mengetahui koefisien daya maksimal yang dihasilkan oleh model kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua variasi kelengkungan sudu.

  3. Mengetahui daya output maksimal yang dihasilkan oleh model kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua variasi kelengkungan sudu.

BAB II DASAR TEORI 2.1. Energi Angin Angin adalah udara yang bergerak, gerakan ini disebabkan oleh perbedaan

  massa jenis udara itu sendiri. Massa jenis udara yang rendah akan menyebabkan tekanan udara ditempat itu menjadi rendah sehingga akan diisi oleh tekanan udara yang lebih tinggi yang memiliki massa jenis udara yang lebih tinggi. Tinggi rendahnya massa jenis udara disebabkan oleh temperatur sedangkan perbedaan temperatur disebabkan oleh perbedaan pemanasan dari sinar matahari karena perbedaan permukaan bumi.

2.2. Kincir Angin

  Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin untuk menumbuk biji-bijian. Kincir angin juga digunakan untuk memompa air untuk mengairi sawah. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan di Eropa dan Amerika Utara (Sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin).

  Menurut porosnya, kincir angin dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu kincir angin poros horisontal (TASH/HAWT) dan kincir angin poros vertikal (TASV/VAWT). Penelitian ini mengenai kincir angin poros vertikal.

2.2.1. Kincir Angin Poros Horisontal

  Kincir angin poros horisontal atau HAWT (Horizontal Axis Wind ) adalah jenis kincir angin yang poros utamanya tegak lurus dengan

  Turbine

  menara dan arah poros utama sejajar dengan arah datangnya angin. Kincir jenis ini terdiri dari sebuah menara dengan kincir berada di puncaknya, poros kincir harus dapat berputar 360 terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan dengan arah datangnya angin. Untuk membantu menyesuaikan dengan arah datangnya angin perlu ditambahkan sirip pengarah dibelakang kincir atau sirip pengarah digantikan oleh sensor elektrik.

  Beberapa keuntungan dari kincir angin poros horisontal : 1.

  Mampu mengkonversi energi angin berkecepatan tinggi.

  2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dalam skala besar. Beberapa kerugian dari kincir angin poros horisontal : 1.

  Diperlukannya mekanisme lain untuk menyesuaikan arah kincir dengan arah datangnya angin.

  2. Karena putarannya tinggi maka timbul polusi suara sebesar 80-110 dB (Sumber : http://www.jurnalinsinyurmesin.com). a b c

Gambar 2.1 Kincir angin poros horisontal

a. American Windmill , b. Rival Calzoni, c. Dutch Four Arm

  (Sumber : www.fineartamerica.com) 2.2.2.

   Kincir Angin Poros Vertikal

  Kincir angin poros vertikal atau VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) adalah jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus arah angin. Kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah dengan orientasi arah angin horisontal.

  Beberapa keuntungan dari kincir angin poros vertikal : 1.

  Mampu menerima angin dari segala arah.

  2. Tidak perlu menggunakan mekanisme pengarah angin seperti pada kincir angin poros horisontal.

  3. Memiliki torsi yang cukup besar walaupun putaran poros rendah.

  4. Bekerja pada rpm yang rendah. Beberapa kerugian dari kincir angin poros vertikal : 1.

  Sudu yang mampu menerima energi angin disebut downwind. Sudu yang melawan angin disebut upwind, sudu bagian ini cenderung menghambat putaran poros.

  2. Kincir angin poros vertikal mempunyai torsi awal yang rendah dan membutuhkan energi untuk mulai berputar. a b c

Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal

  a. Darrieus, b. Savonius, c. Giromill (Sumber : www.windturbine1.blogspot.com http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin) Tugas akhir ini meneliti tentang kincir angin poros vertikal, yaitu kincir angin Savonius.

2.2.3. Kincir Angin Savonius

  Kincir angin Savonius ditemukan oleh Sigurd J. Savonius dari Finlandia pada tahun 1922. Konsep dasar Savonius dikembangkan berdasarkan prinsip Flettner. Savonius menggunakan sudu dengan cara memotong silinder Flettner menjadi 2 paruhan sepanjang garis pusat dan kemudian memposisikan 2 paruhan terseb ut membentuk seperti huruf “S” yang diletakkan pada lingkaran batas sudu.

  a. tipe U b. tipe L c. tipe S

Gambar 2.3 Penampang turbin Savonius

  (Sumber : http://techref.massmind.org/techref/other/windmill.htm http://gramlich.net/projects/oceania/seastedl.html www.alpensteel.com/pdf)

  Dari penelitian Kansas State University pada tahun 1932-1938, kincir angin Savonius mampu menghasilkan efisiensi hingga 35 % sampai 40 %, nilai ini melebihi koefisien daya yang tercantum dalam grafik hubungan Cp dan tsr pada umumnya, yaitu sebesar 31 %.

2.3. Rumus Perhitungan

  Berikut ini adalah rumus-rumus yang dipergunakan dalam perhitungan unjuk kerja kincir angin :

2.3.1. Energi dan Daya Angin

  dimana :

  2 ).

  = luasan angin yang ditangkap kincir (m

  A

  

3

).

  = massa jenis udara (kg/m

  ρ

  …………….……………………………………………..(3) dengan :

  .A.v

   = ρ

  Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik yang dirumuskan berikut ini :

  E k

  = massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s).

  P a = daya yang dihasilkan angin (J/s = watt).

  ……………………………………………………….(2) dengan :

  2

  P a = 0,5. .v

  Dari Persamaan (1), dapat diketahui daya adalah energi per satuan waktu (J/s) maka persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

  E k = energi kinetik (joule). m = massa (kg). v = kecepatan angin (m/s).

  ………………………………………………………..(1) dengan :

  2

   = 0,5.m.v

  v = kecepatan angin (m/s). Dengan substitusi, Persamaan (2) dan Persamaan (3), daya angin (P ) dapat

  a

  dirumuskan menjadi :

  2 P = 0,5.( .A.v).v a ρ

  disederhanakan menjadi :

3 P a = 0,5. .A.v

  ρ ………………………………………………………(4)

  3 Dalam penggunaan secara sederhana dengan mengasumsikan udara : 1,2 kg/m ρ

  maka diperoleh persamaan :

  3 P = 0,6.A.v a ………………………………………………………..(5)

2.3.2. Torsi Kincir Angin

  Torsi sebuah kincir angin dapat dihitung menggunakan persamaan (Yunus A. Cengel, 2006, Thermodynamics An Engineering Approach, hal. 66) :

  T = r .F lengan

  …………………………………………………………(6) dengan : = torsi (Nm).

  T r = jarak lengan torsi (m). lengan = gaya pengimbang (N).

  F 2.3.3.

   Daya Kincir Angin

  Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat energi angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuwan Jerman bernama Albert Betz, didapatkan efisiensi maksimum kincir angin, yaitu sebesar 59,3 % (sumber : www.wikipedia.org/wiki/Bet’z_law) angka ini disebut Betz Limit. Dalam Gambar 2.4 grafik koefisien daya beberapa kincir angin.

Gambar 2.4 Grafik hubungan C dan tip speed ratio (tsr) beberapa jenis kincir

  p

  (Sumber : Johnson, 2006, hal. 18) Rumusan teori daya kincir yang dihasilkan oleh gerak melingkar pada poros kincir angin adalah :

  P k = T.

  ω …………………………………………………………….(7)

  dengan : P k = daya yang dihasilkan kincir angin (watt).

  = torsi (Nm).

  T = kecepatan sudut (rad/s). ω

  Satuan kecepatan sudut adalah radian per second (rad/s), satuan lain yang digunakan adalah putaran per menit (rpm). Konversi satuan yang menghubungkan

  (rpm) dan (rad/s) adalah 1 rpm = rad/s, maka Persamaan (7) dapat diubah menjadi : ....

  P k = T.

  ……………………………………………………...(8) dengan :

  n = putaran poros (rpm).

2.3.4. Tip Speed Ratio (tsr)

  Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir

  angin yang berputar melingkar dengan kecepatan angin yang melewatinya, tsr dapat dirumuskan : =

  tsr

  disederhanakan menjadi : =

  tsr

  …………….……………………………………………...(9) dengan : = jari-jari kincir (m).

  r = putaran poros (rpm). n v = kecepatan angin (m/s).

  2.3.5. p ) Koefisien Daya (C

  Koefisien daya atau power coefficient (C ) adalah perbandingan antara

  p

  daya yang dihasilkan oleh kincir angin (P ) dengan daya yang dihasilkan oleh

  k

  angin (P ). Rumusnya adalah :

  a C = x 100% p …………………………………………………...(10) dengan : P k = daya yang dihasilkan kincir (watt).

  P a = daya yang dihasilkan angin (watt).

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian Langkah-langkah dalam penelitian ini ditunjukkan dalam diagram alir

  seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.1: Mulai

  Konsultasi Studi Pustaka

  Perancangan Kincir Angin Savonius Pembuatan Kincir Angin Savonius

  Pengambilan Data Pengolahan Data

  Pembahasan Kesimpulan

  Selesai

  3.2. Objek Penelitian

  Objek dalam penelitian ini adalah model-model kincir angin Savonius enam tingkat dengan dua buah sudu pada setiap tingkatnya dan untuk variasinya yaitu bentuk sudu yang berbeda antara model kincir angin Savonius satu dengan yang lainnya.

  3.3. Perancangan Kincir Angin Savonius

  Dalam perancangan ini, parameter yang sudah diketahui adalah kincir angin Savonius enam tingkat, panjang poros vertikal 120 cm (sesuai dengan tinggi wind

  ), diameter kincir 70 cm dengan dua sudu berbentuk U disetiap tingkatnya,

  tunnel dan tinggi kincir 75 cm.

  3.4. Peralatan dan Bahan

  Model kincir angin Savonius yang dibuat seperti yang ditunjukkann pada Gambar 3.2.

  4

  3

  1

  2 Gambar 3.2 Model kincir angin Savonius Keterangan : 1.

  Plat batas sudu.

  2. Bilah penguat sudu.

  3. Sudu kincir.

  4. Poros kincir.

  1. Plat Batas Sudu Plat batas sudu atau plat tumpuan ini berfungsi sebagai tempat meletakkan sudu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3, sudu akan menempel pada tempat yang sudah ditentukan. Untuk menguatkan penempelan sudu dijepit menggunakan baut. Plat tumpuan ini berjumlah tujuh buah dan bahannya terbuat dari triplek setebal 4 mm dan masing-masing plat tumpuan berdiameter 74 cm.

Gambar 3.3 Plat batas sudu 2.

  Bilah Penguat Bilah penguat pada Gambar 3.4 berfungsi untuk menguatkan bentuk lengkungan sudu dan sebagai tempat menjepit sudu kincir dengan plat batas sudu dengan cara dibaut. Bentuk bilah penguat adalah parabola karena mengikuti bentuk sudu kincir. Bilah penguat ini berjumlah 24 buah pada setiap kincir dan bahan yang digunakan adalah dari triplek setebal 4 mm.

  a. standard

  b. modifikasi

Gambar 3.4 Bilah penguat 3.

  Sudu Kincir Seperti pada umumnya, sudu kincir berfungsi untuk mengkonversi energi angin yang datang melintasi kincir. Material yang dipakai adalah plat seng setebal

  0,2 mm. Pada bagian atas dan bawah sisi sudu ditopang oleh bilah-bilah penguat.

4. Poros Kincir

  Poros kincir adalah alat yang berfungsi menopang kincir saat berputar dan juga sebagai pusat putaran kincir selain itu poros kincir juga berfungsi untuk mentransmisikan putaran kincir. Material yang dipakai adalah pipa PVC 1 inchi dan ¾ inchi dengan panjang 120 cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.

  Ø 19,1 mm 1200 mm Ø 25,4 mm Dalam pengambilan data untuk penelitian ini digunakan beberapa peralatan pendukung antara lain :

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 pengujian kincir angin dimana kecepatan angin bisa diatur dengan memajukan atau memundurkan blower, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6. Di dalam lorong udara tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu.

Gambar 3.6 Terowongan angin 2.

   Fan Blower Fan Blower adalah alat yang digunakan untuk menciptakan angin di dalam

  terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu dengan cara memajukan atau memundurkan blower itu sendiri. Fan Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW, sebagai transmisinya menggunakan sabuk dan puli, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7 Fan blower 3.

  Generator Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik putaran poros menjadi energi listrik, yang dihubungkan menggunakan sabuk dan puli. Generator ini membangkitkan energi listrik untuk menyalakan rangkaian lampu pembebanan dan juga berfungsi sebagai pengereman dalam pengambilan data torsi yang dihasilkan.

Gambar 3.8 Generator

4. Negaca pegas

  Neraca pegas, seperti yang terlihat pada Gambar 3.9 digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi dinamis kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan panjang lengan yang telah ditentukan.

Gambar 3.9 Neraca pegas 5.

   Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir

  angin untuk mengambil 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 warna yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros.

Gambar 3.10 Tachometer

6. Anemometer

  Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Anemometer diletakkan didepan terowongan angin pada saat pengambilan data dilakukan.

Gambar 3.11 Anemometer 7.

  Lampu pembebanan Lampu digunakan untuk memberikan variasi pembebanan atau efek pengereman pada poros kincir yang berputar. Lampu disusun secara paralel dan berjumlah 27 lampu.

Gambar 3.12 Rangkaian lampu pembebanan

8. Kabel

  Kabel digunakan sebagai penghantar arus listrik dari generator ke lampu pembebanan.

Gambar 3.13 Kabel-Kabel 9.

  Stopwatch Stopwatch, seperti Gambar 3.14 digunakan untuk mencatat waktu saat pengambilan data kincir angin.

Gambar 3.14 Stopwatch 3.5.

   Variabel Penelitian

  Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian dilaksanakan adalah :

  1. Variasi bentuk sudu kincir : sudu kincir a. standard (setengah lingkaran) dan sudu kincir b. modifikasi (tidak setengah

  2. Variasi kecepatan angin : setiap variasi kincir diikuti empat variasi kecepatan angin.

  3. Variasi pembebanan : tanpa lampu pembebanan atau dengan lampu pembebanan.

  Variabel data yang diambil dalam penelitian ini antara lain : 1.

  Kecepatan angin (V).

  2. Putaran poros kincir (n).

  3. Gaya pengimbang (F).

  4. Temperatur udara (T). Setelah mendapatkan variabel data diatas, maka dari variabel data tersebut parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir adalah : 1. ).

  a

  Daya angin (P 2. Torsi (T). 3. ).

  k

  Daya kincir (P 4. Tip Speed Ratio (tsr). 5. ).

  p

  Koefisien daya (C 3.6.

   Langkah Pengambilan Data

  Pengambilan data kecepatan angin, putaran poros, torsi dinamis dan temperatur udara dilakukan secara bersamaan dengan cara berikut ini :

  1. Memasang kincir yang akan diuji pada wind tunnel (lorong angin).

  2. Memasang neraca pegas pada tempat yang telah ditentukan.

  3. Memasang tali yang menghubungkan antara neraca pegas dengan lengan generator.

  4. Memposisikan anemometer didepan kincir untuk mengukur kecepatan angin yang diinginkan di dalam terowongan angin.

  5. Menghubungkan rangkaian lampu dengan generator menggunakan kabel yang telah disiapkan. Sebelumnya lampu harus pada posisi off.

  6. Memutar saklar blower dari posisi off ke posisi on. Menekan tombol start (warna hijau).

  7. Mengatur jarak blower terhadap wind tunnel hingga kecepatan angin sesuai yang diinginkan.

  8. Meluruskan lengan generator dengan cara mengatur tali pada neraca pegas.

  9. Setelah kecepatan angin konstan pengambilan data 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. Pada saat pengamatan tanpa lampu pembebanan.

  10. Mengulangi langkah 8 dan 9 sampai pembebanan maksimal sehingga lengan generator yang terhubung dengan neraca pegas tidak bisa bergerak lagi.

  11. Mematikan semua saklar lampu pembebanan.

  12. Mengulangi langkah 7 s/d 10 sampai kincir angin tidak bisa menyalakan lampu pembebanan dengan cara menurunkan kecepatan angin 0,5 m/s.

  13. Menekan tombol stop (warna merah) untuk mematikan blower. Memutar saklar blower dari posisi on ke posisi off.

  14. Melepas anemometer untuk mengganti kincir angin.

  15. Mengganti kincir yang satunya dan mengulangi langkah 1 s/d 13.

  16. Melepaskan dan mengembalikan semua peralatan ke tempat semula.

3.7. Langkah Pengolahan Data

  Data yang didapat dengan menggunakan langkah-langkah diatas, kemudian data tersebut diolah dengan langkah sebagai berikut :

1. Dari data kecepatan angin (v) dan dengan diketahui luasan frontal kincir (A), maka daya angin (P ) dapat dicari dengan Persamaan (4).

  a 2.

  Data beban pegas (F) dapat digunakan untuk mencari torsi dinamis (T) dengan Persamaan (6).

  3. Data putaran poros (n) dan torsi dinamis (T) dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir (P k ) dengan Persamaan (8).

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

  5. Dari data daya kincir (P

  k

  ) dan daya angin (P

  a

  ) maka power coefficient (C

  P

  ) dapat diketahui dengan Persamaan (10).

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Data Hasil Penelitian Data hasil penelitian terdiri dari kincir angin Savonius dengan sudu standard

  dan kincir angin Savonius dengan sudu modifikasi. Setiap kincir angin dilakukan lima kali variasi kecepatan rata-rata angin dengan cara mengatur jarak blower terhadap terowongan angin untuk setiap perubahan posisi. Untuk setiap variasi kincir angin data dianggap selesai apabila putaran poros sudah tidak konstan dan gaya pengimbang (F) tidak mengalami perubahan. Dari hasil percobaan didapatkan data seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 4.1 dan Tabel 4.2.

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan

  Contoh perhitungan yang disajikan diambil dari data dalam Tabel 4.1 pada baris pertama dengan kondisi kincir angin tanpa pembebanan dan jarak antara dengan terowongan angin pada posisi rapat. Dari data tersebut diketahui

  blower

  kecepatan angin 7,49 m/s, putaran poros kincir 205,93 rpm, gaya pengimbang 0,395 kg dan suhu 27,9 C.

4.2.1. Perhitungan Daya Angin

  Untuk mengetahui daya yang dihasilkan angin dapat dicari dengan Persamaan 4 pada Sub Bab 2.3.1. yaitu :

3 P a = 0,5. .A.v

  ρ

  dengan : = daya yang dihasilkan angin (watt).

  P a

  3 massa jenis udara (kg/m ).

  ρ =

  2 = luasan angin yang ditangkap kincir (m ).

  A

  v = kecepatan angin (m/s).

  nilai massa jenis udara ( ) diketahui dengan cara interpolasi dari tabel massa jenis

  ρ

  3

  yang ada pada lampiran, dari data suhu udara 27,9 C maka = 1,17419 kg/m

  ρ

  besarnya luas penampang (A) diketahui dengan persamaan :

  A = d .t

  dengan : d = diameter kincir angin (m).

  = tinggi kincir angin (m).

  t

  dengan diameter kincir 0,70 m dan tinggi kincir angin 0,75 m maka daya angin (P a ) sebesar :

  3 P = 0,5. .d.t.v a ρ

  3

  3

  = 0,5.(1,17419 kg/m ).(0,70 m).(0,75 m).(7,49 m/s) = 129,686 W Jadi didapatkan daya angin (P ) sebesar 129,686 watt.

  a 4.2.2.

   Perhitungan Torsi

  Untuk mengetahui torsi yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan Persamaan 6 pada Sub Bab 2.3.2. yaitu :

  T = r lengan .F

  dengan : T = torsi (Nm).

  = jarak lengan torsi (m).

  r

  F = gaya pengimbang (N).

  gaya pengimbang (F) dapat dicari dengan persamaan : = m.a

  F

  dengan : = massa yang ditunjukkan pada neraca pegas (kg).

  m

  2 = percepatan gravitasi (m/s ). a

  2

  maka dengan jarak lengan 0,2 m dan percepatan gravitasi sebesar 9,81 m/s , besarnya torsi (T) adalah :

  T = r lengan .m.a

  

2

  = (0,2 m).(0,395 kg).(9,81 m/s ) = 0,775 Nm Jadi didapatkan torsi (T) sebesar 0,775 Nm.

4.2.3. Perhitungan daya kincir

  Untuk menghitung daya yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan Persamaan 8 pada Sub Bab 2.3.3. yaitu : P = T.

  k

  dengan : P = daya yang dihasilkan kincir angin (watt).

  k = torsi kincir angin (Nm).

  T = putaran poros (rpm). n maka dengan nilai torsi 0,775 Nm dan putaran poros 205,93 rpm besarnya daya yang dihasilkan kincir angin (P ) sebesar :

  k P k = T.

  = 0,775. = 16,704 watt Sehingga didapatkan daya kincir angin (Pk) sebesar 16,704 watt.

4.2.4. Perhitungan tsr (tip speed ratio)

  Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 9 pada Sub Bab 2.3.4. yaitu :

  =

  tsr

  dengan : = jari-jari kincir (m).

  r = putaran poros (rpm). n v = kecepatan angin (m/s).

  maka dengan jari-jari kincir 0,35 m, putaran poros 205,93 rpm dan kecepatan angin 7,49 m/s besarnya tip speed ratio adalah : =

  tsr

  = = 1,079

  Sehingga didapatkan tsr sebesar 1,079

  4.2.5. ) p

   Perhitungan koefisien daya (C

  Untuk mengetahui perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pk) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pa), dapat dicari dengan Persamaan 10 pada Sub Bab 2.3.5 yaitu :

  C p = x 100%

  dengan : P = daya yang dihasilkan kincir (watt).

  k = daya yang dihasilkan angin (watt).

  P a

  maka dengan daya kincir 16,704 watt dan daya angin 129,686 watt besarnya koefisien daya (C p )adalah :

  C = x 100% p

  = x 100 % = 12,88 % Sehingga didapatkan nilai Cp sebesar 12,88 %.

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin Savonius dengan sudu standard Posisi No.

  Kec. Angin (v) Putaran Poros (n) Suhu Gaya Pengimbang (F) m/s Rpm C Kg 1 7,49 206 27,9 0,4 2 7,66 176 27,9 0,52 3 7,67 119 27,9 0,65 4 7,72 66,8 28,1 0,67 5 7,79 58 28,3 0,68 6 7,80 49,8 28,3 0,71 7 7,74 47 28,4 0,71 8 7,87 43,6 28,6 0,72

  1 9 6,98 172 28,7 0,38 10 7,03 145 28,8 0,49 11 7,13

  82 29 0,55 12 7,11 58,6 29 0,57 13 7,08 45,7 29 0,6 14 7,12 39,8 28,8 0,62

  15 7,15 39,1 28,7 0,65

  2 16 6,45 138 28,5 0,36 17 6,45 97,1 28,8 0,43 18 6,51 51,1 28,5 0,46 19 6,55 41,2 28,5 0,48 20 6,55 35,8 28,6 0,5 21 6,59 29 28,8 0,52

  3 22 5,95 83,3 28,9 0,32 23 6,00 46,6 28,8 0,34 24 6,05 32,2 29,1 0,39 25 6,07 23,8 28,8 0,42 26 6,04 20,6

  29 0,43

  4 27 5,46 45,7 29 0,26 28 5,47 28,3 28,9 0,3

  29 5,51 17,3 29 0,32 *panjang lengan torsi 20 cm.

Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin Savonius dengan sudu modifikasi Posisi No.

  Kec. Angin (v) Putaran Poros (n) Suhu Gaya Pengimbang (F) m/s Rpm C Kg 1 7,55 229 28,6 0,41 2 7,62 197 28,5 0,53 3 7,61 169 28,7 0,62 4 7,59 146 28,8 0,69 5 7,35 117 28,8 0,7 6 7,39 81,1 28,9 0,72 7 7,53 64,5 29,2 0,77 8 7,61

  55 29,1 0,79

  1 9 7,13 218 29 0,39 10 7,29 188 28,8 0,53

  11 7,43 162 29 0,63 12 7,38 133 29,1 0,67 13 7,36 64,1 29,1 0,7 14 7,43 57,5 29,3 0,74 15 7,50 49,1 29,7 0,75

  2 16 6,71 184 29,6 0,38 17 6,96 155 29,9 0,5 18 6,86 118 29,4 0,56 19 6,88 61,7 29,1 0,57 20 6,86 51,1 29,4 0,61 21 6,93 41,4 29,4 0,63

  3 22 6,20 146 29,5 0,35 23 6,31 111 29,8 0,44 24 6,40

  73 29,5 0,47 25 6,40 51,5 30,2 0,49 26 6,53 41,4 29,9 0,52 27 6,46 31,9 30,4 0,55

  4 28 5,74 108 30,6 0,33 29 5,79 57,4 30,7 0,36 30 5,81 44,2 31,2 0,39 31 5,84 33,5 30,9 0,41 32 5,82 30,8 30,7 0,43

• panjang lengan torsi 20 cm.

4.3. Data Hasil Perhitungan

  17 8,6 0,84 82,5 8,57 0,1 10,4% 0,55 18 9,2 0,9 85 4,83 0,06 5,68% 0,29

  28 6 0,59 50,3 1,74 0,04 3,47% 0,19 29 6,4 0,63 51,3 1,14 0,02 2,22% 0,12

  27 5,2 0,51 50 2,44 0,05 4,89% 0,31

  4

  25 8,4 0,82 68,6 2,06 0,03 3,00% 0,14

26 8,6 0,84 67,8 1,82 0,03 2,68% 0,13