UNJUK KERJA AMERICAN MULTIBLADE DENGAN DIAMETER SUDU 25 INCI TUGAS AKHIR - Unjuk kerja american multiblade dengan diameter sudu 25 inci - USD Repository

UNJUK KERJA AMERICAN MULTIBLADE

DENGAN DIAMETER SUDU 25 INCI

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh:

LUKAS ERI SENO AJI

NIM : 055214020

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2010

PERFORMANCE OF AMERICAN MULTIBLADE WITH 25 INCI

OF BLADE DIAMETERS

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of The Requirement

to Obtain The Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

By:

LUKAS ERI SENO AJI

Student Number : 055214020

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan untuk

Tuhanku Yesus Kristus

Ayah dan Ibu tercinta, Mas Koko, Mas Pras,

Mas Ony beserta seluruh keluarga

Segenap Dosen, Staff dan Karyawan

Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta

Teman-teman seperjuangan Tugas Akhir,

Teman-teman Teknik Mesin 2005,

Kost Sunrise, Kost 127, Teman-teman SMM’84,

Dan untuk seluruh teman-temanku yang

sekarang sedang berjuang dalam hidupnya

Perjuangan tak berhenti sampai disini...

INTISARI

Pada dasarnya angin bertiup di semua daerah di permukaan bumi. Artinya, di mana angin bertiup, tempat tersebut mempunyai potensi untuk memanfaatkan energi angin. Namun, untuk mendapatkan angin dengan kecepatan tinggi perlu dilakukan analisis terlebih dahulu. Secara umum daerah datar lebih menguntungkan dibandingkan daerah bertopografi beragam. Beberapa contoh daerah yang memiliki kecepatan angin yang cukup tinggi antara lain seperti daerah pantai, lepas pantai, padang pasir, padang rumput dan lain-lain. Namun terdapat juga tempat-tempat yang bisa meningkatkan kecepatan angin seperti di puncak bukit, atau di celah antara pegunungan juga di tepi pantai.

Listrik yang dihasilkan dari Sistem Konversi Energi Angin dengan menggunakan Kincir Angin akan bekerja optimal pada siang hari dimana angin berhembus cukup kencang dibandingkan dengan pada malam hari, sedangkan penggunaan listrik biasanya akan meningkat pada malam hari. Untuk mengantisipasinya sistem ini sebaiknya tidak langsung digunakan untuk keperluan produk-produk elektronik, namun terlebih dahulu disimpan dalam satu media seperti baterai atau aki (accu) sehingga listrik yang keluar besarnya stabil dan bisa digunakan kapan saja. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan efisiensi terhadap kecepatan angin untuk empat variasi kincir tipe AMERICAN MULTIBLADE dengan diameter sudu 25 inci.

Model kincir ini menggunakan sudu dengan ukuran diameter lingkar luar sudu 25 inchi. Agar menghasilkan listrik, alat ini dihubungkan dengan generator. Dari kincir ini kita bisa mengukur tegangan, arus, putaran dan efisiensi/Cp. Alat ini menggunakan variasi lampu sebagai pembebanannya. Pada setiap pembebanan dilakukan pengukuran putaran poros kincir dengan menggunakan tachometer, kecepatan angin yang diukur dengan menggunakan anemometer, dan arus listrik yang dihasilkan yang diukur dengan menggunakan multimeter. Dari keseluruhan data, didapatkan Cp terbesar diperoleh pada kecepatan angin 8,05 m/s yaitu 0,046 pada Tsr 0,942.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan bagi Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan kasih karuniaNya yang besar, yang senantiasa selau menuntun langkah demi langkah hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih atas segala bantuan yang berupa moril maupun materiil dari semua pihak, terutama kepada :

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

2. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, dorongan serta meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

3. Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas kuliah, bimbingan , serta fasilitas yang diberikan selama masa kuliah.

4. Kepada kedua orang tua dan seluruh keluarga, atas dukungan moral, material, doa dan motivasi yang diberikan secara tulus ikhlas hingga tugas akhir ini bisa selesai.

5. Segenap rekan-rekan Teknik Mesin terutama angkatan 2005 dan angkatan 2004 dan kepada adik-adik tingkat yang masih tersisa, karena banyak pembelajaran yang penulis dapatkan bersama kalian. Tiada kata yang bisa penulis ucapkan selain terima kasih dan semoga Tuhan selalu memberkati dan membalas segala kebaikan anda semua.

Demikian usaha yang telah penulis lakukan sudah semaksimal mungkin, namun penulis menyadari bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis dengan terbuka dan senang hati menerima saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kemajuan yang akan datang.

Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat berguna dan memberikan wawasan lebih tentang ilmu pengetahuan dan teknologi bagi semua pembaca.

Yogyakarta, 22 April 2010 Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL

i ……………………………………………...............

TITLE PAGE

ii ……………………………...…………………...........…....

HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING iii

………………............…

HALAMAN PENGESAHAN

iv …………………………………….............

HALAMAN PERSEMBAHAN

v ..………………………………...............

HALAMAN PERNYATAAN

vi ..……………………………...........……...

LEMBAR PERNYATAAN PUBLIKASI vii

..………………………...........

INTISARI

viii ……………………………………………………...........…….

KATA PENGANTAR

ix ..……………………………………....…...........…

DAFTAR ISI

xi .…………………………………..........................................

DAFTAR TABEL

xiii ………………………………………….......................

DAFTAR GAMBAR

xiv …………………………………...............................

BAB I PENDAHULUAN

1 ………………………............................

1.1

1 Latar Belakang Masalah …....………….........................

1.2

3 Rumusan Masalah…………………....…........................

1.3

4 Tujuan Penelitian……........…………….........................

1.4 Variasi kincir.......

4 ……………........……........................

BAB II LANDASAN TEORI

7 …………....………...........................

2.1 Pengertian angin dan pembangkit listrik..........................

2.2 Jenis-jenis kincir angin

8 ……….…...................................

2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada kincir angin......................

2.4 Perumusan 8 ……….....................…...................................

BAB III METODE PENELITIAN.

17 ….............……………...............

3.1 Metode Penelitian.

19 ……………………..……….............

3.2 Bahan dan alat.

21 ………………………………….............

3.3 Variabel yang dibutuhkan

26 …..….……………............….

3.4 Langkah penelitian.............

26 ……………………..............

BAB IV PEMBAHASAN..............................................................

29 …..

4.1 Data-data hasil pengukuran........

29 ………………..............

4.2 Pembahasan........

58 …………………………….....……….

BAB V KESIMPULAN...................................

59 ……………………..

5.1. Kesimpulan.

59 ……..........………………………………...

5.2. Saran...........

60 …………………………………………….

DAFTAR PUSTAKA............

61 ………………………………………………

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data-data hasil pengukuran pada variasi pertama.........................

29 Tabel 4.2 Data-data hasil pengukuran pada variasi kedua............................. 32 Tabel 4.3 Data-data hasil pengukuran pada variasi ketiga............................

35 Tabel 4.4 Data-data hasil pengukuran pada variasi keempat......................... 38 Tabel 4.5 Data-data hasil perhitungan Tsr dan Cp pada variasi pertama......

41 Tabel 4.6 Data-data hasil perhitungan Tsr dan Cp pada variasi kedua.......... 44 Tabel 4.7 Data-data hasil perhitungan Tsr dan Cp pada variasi ketiga.........

47 Tabel 4.8 Data-data hasil perhitungan Tsr dan Cp pada variasi keempat...... 50

DAFTAR GAMBAR

19 Gambar 3.3 Pemecah angin...........................................................................

Gambar 3.10 Anemometer............................................................................... 24 Gambar 3.11 Tachometer digital.....................................................................Gambar 3.9 Multimeter.................................................................................. 23Gambar 3.8 Generator.................................................................................... 23

21 Gambar 3.7 Transmisi (Puli dan Sabuk)........................................................ 22

21 Gambar 3.6 Rangka.......................................................................................

20 Gambar 3.4 Poros kincir................................................................................ 20 Gambar 3.5 Bantalan.....................................................................................

Gambar 3.1 Skema American Multiblade...................................................... 18 Gambar 3.2 Sudu kincir angin (American Multiblade).................................Gambar 1.1 Skema kincir untuk variasi pertama........................................... 4

12 Gambar 2.5 Penentuan Tip Speed Ratio pada tiap jumlah sudu.................... 15

11 Gambar 2.4 Diagram Betz.............................................................................

10 Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada sudu kincir angin.......................

Gambar 2.1 Jenis kincir angin poros horisontal............................................. 9 Gambar 2.2 Jenis kincir angin poros vertikal................................................Gambar 1.4 Skema kincir untuk variasi keempat.......................................... 6Gambar 1.3 Skema kincir untuk variasi ketiga.............................................. 5Gambar 1.2 Skema kincir untuk variasi kedua.............................................. 5

Gambar 3.12 Beban.........................................................................................

25 Gambar 3.13 Wind tunnel (tampak depan)...................................................... 25

Gambar 3.14 Wind tunnel (tampak samping).................................................. 26Gambar 3.15 Rangkaian pengukuran beban dengan lampu............................. 27Gambar 3.16 Rangkaian pengukuran tegangan dan arus................................. 28Gambar 4.1 Grafik Cp vs Tsr untuk variasi pertama..................................... 53 Gambar 4.2 Grafik Cp vs Tsr untuk variasi kedua........................................

54 Gambar 4.3 Grafik Cp vs Tsr untuk variasi ketiga........................................ 55 Gambar 4.4 Grafik Cp vs Tsr untuk variasi keempat....................................

56 Gambar 4.5 Grafik Cp vs Tsr untuk seluruh variasi...................................... 57

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Pada saat ini, kebutuhan energi listrik masyarakat kita belum tercukupi, lebih- lebih masyarakat di daerah pedesaan yang sulit dijangkau oleh jaringan listrik. Sebagai pemenuhan akan kebutuhan energi tersebut, dikembangkanlah energi alternatif. Salah satu contoh energi alternatif tersebut adalah energi angin.

Energi angin dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik antara lain untuk listrik rumah tangga, untuk pompa air, sebagai pengisi baterai atau aki (battery charging) dan keperluan mekanik antara lain untuk pompa air dan untuk aerasi tambak. Potensi energi angin secara umum relatif kecil karena kecepatan angin pada umumnya relatif rendah, berkisar antara 3 - 5 m/s. Tetapi di beberapa daerah tertentu, khususnya di kawasan bagian timur Indonesia, kecepatan anginnya lebih dari 5 m/s. Diperkirakan potensi energi angin setara dengan 450.000 Mw yang diambil berdasarkan data kecepatan rata-rata angin yang diperoleh dari Badan Meteorologi dan Geofisika tahun 2000.

Meskipun secara umum kecepatan angin di Indonesia rendah, namun sudah memadai untuk pembangkit listrik skala kecil yang sesuai dipasang di daerah pedesaan dalam rangka memenuhi kebutuhan listrik rumah tangga di daerah tersebut. Sedangkan untuk daerah-daerah yang kecepatan anginnya tinggi, maka pembangkit listrik skala besar akan dimungkinkan untuk dikembangkan. Pembangkit listrik tenaga angin saat ini masih relatif sedikit, diperkirakan kurang lebih 0,5 Mw telah terpasang, khususnya untuk listrik di daerah pedesaan. Tenaga angin menunjuk kepada pemanfaatan energi yang berguna dari angin. Pada tahun 2005, kapasitas generator tenaga angin di Indonesia adalah 58.982 MW, hasil tersebut kurang dari 1% penggunaan listrik dunia. Meskipun masih berupa sumber energi listrik minor di kebanyakan negara, hasil pemanfaatan tenaga angin lebih dari empat kali lipat antara 1999 dan 2005. (Sumber : World Wind Energy Association

2007)

Tenaga angin bisa digunakan dalam skala besar untuk penghasilan listrik nasional dan juga dalam turbin individu kecil untuk menyediakan listrik di lokasi yang terisolir.

Tenaga angin banyak jumlahnya, tidak habis-habis, tersebar luas, bersih, dan merendahkan efek rumah kaca. Indonesia, negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin, namun sayang potensi ini nampaknya belum dilirik oleh pemerintah. Sungguh ironis, disaat Indonesia menjadi tuan rumah konfrensi dunia mengenai pemanasan global di Nusa Dua, Bali pada akhir tahun 2007, pemerintah justru akan membangun pembangkit listrik berbahan bakar batubara yang merupakan penyebab nomor 1 pemanasan global.

Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbaru yang paling berkembang saat ini. Berdasarkan data dari WWEA (World Wind Energy Association), sampai dengan tahun 2007 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 93.85 GigaWatts, menghasilkan lebih dari 1% dari total kelistrikan secara global. Amerika, Spanyol dan China merupakan negara terdepan dalam pemanfaatan energi angin. Diharapkan pada tahun 2010 total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin secara glogal mencapai 170 Giga Watt.

Keuntungan utama dari penggunaan pembangkit listrik tenaga angin adalah sifatnya yang terbarukan. Hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil. Oleh karenanya tenaga angin dapat berkontribusi dalam ketahanan energi dunia di masa depan. Tenaga angin juga merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang atau polusi yang berarti ke lingkungan.

1.2 Rumusan Masalah

Unjuk kerja American Multiblade - 25 inci ini dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain kecepatan angin dan beban listrik yang digunakan di rumah tangga. Untuk itu, penulis membuat sebuah kincir angin jenis American Multiblade - 25 inci untuk mengembangkan pemanfaatan energi angin yang ada di Indonesia, khususnya di daerah pedesaan yang belum terjangkau oleh listrik.

Untuk itu, dirancanglah suatu kincir angin dengan skala kecil yang bertujuan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik yang dihasilkan dari generator yang nantinya akan digunakan sebagai pembangkit listrik rumah-rumah tangga, khususnya digunakan untuk penerangan. Dalam hal ini dinamakan American

Multiblade - 25 inci atau Kincir angin jenis Amerika dengan diameter sudu 25 inci.

American Multiblade - 25 inci ini dibuat karena penerapan dan prinsip kerjanya

yang mudah dan sederhana. Bahan-bahan yang diperlukan untuk pembuatan kincir ini mudah didapat dan harganya cukup terjangkau sehingga diharapkan masyarakat bisa atau mampu untuk membuatnya. Pembuatan kincir ini dilakukan di bengkel-bengkel sederhana.

1.3 Tujuan Penelitian

Penelitian dan penerapan kincir angin ini bertujuan :

1. Untuk mengetahui unjuk kerja American Multiblade - 25 inci dalam pemanfaatannya untuk menghasilkan energi listrik yang akan digunakan untuk penerangan rumah tangga.

2. Untuk mengetahui daya kincir dan efisiensi yang dihasilkan oleh American Multiblade - 25 inci .

3. Untuk mendapatkan data-data yang berupa grafik Cp dan Tsr.

1.4 Variasi kincir

Variasi kincir yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan empat jenis posisi yaitu :

1. Untuk variasi pertama, sudu pada kincir dihadapkan ke depan atau pada posisi normal dan pada ujung kincir dipasangkan pemecah angin yang berfungsi untuk memecah angin yang terhisap dan melalui sela-sela sudu kincir.

2. Untuk variasi kedua, ujung kincir tidak diberi pemecah angin.

Gambar 1.2 Skema kincir untuk variasi kedua

3. Untuk variasi ketiga, sudu kincir dibalik dari posisi awal (menghadap kebelakang) dan pada ujung kincir diberi pemecah angin.

Gambar 1.3 Skema kincir untuk variasi ketiga

4. Untuk variasi keempat, pemecah angin yang semula dipasang di depan sudu kincir dilepas.

Gambar 1.4 Skema kincir untuk variasi keempat

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Angin dan Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Angin adalah udara yang bergerak, dan terjadi karena adanya perbedaan tekanan di permukaan bumi ini. Angin akan bergerak dari suatu daerah yang memilki tekanan tinggi ke daerah yang memiliki tekanan yang lebih rendah. Angin yang bertiup di permukaan bumi ini disebabkan oleh penyinaran matahari, pada siang hari sinar matahari memanaskan permukaan bumi, namun panas yang terserap oleh bumi tersebut besarnya tidak merata. Akibatnya, aliran udara bergerak dari daerah yang mempunyai tekanan yang lebih tinggi ke daerah yang memiliki tekanan lebih rendah. Udara yang bergerak akan semakin kencang bila perbedaan tekanan di daerah tersebut semakin besar.

Pada dasarnya angin bertiup di semua daerah di permukaan bumi. Artinya, di mana angin bertiup, tempat tersebut mempunyai potensi untuk memanfaatkan energi angin. Namun, untuk mendapatkan angin dengan kecepatan tinggi perlu dilakukan penelitian terlebih dahulu. Secara umum daerah datar lebih menguntungkan dibandingkan daerah bertopografi beragam. Beberapa contoh daerah yang memiliki kecepatan angin yang cukup tinggi antara lain seperti daerah pantai, lepas pantai, padang pasir, padang rumput dan lain-lain. Namun terdapat juga tempat-tempat yang bisa meningkatkan kecepatan angin seperti di puncak bukit, atau di celah antara pegunungan juga di tepi pantai.

Pembangkit Listrik Tenaga Angin yaitu mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Saat ini kapasitas total pembangkit listrik yang berasal dari tenaga angin untuk Indonesia dengan estimasi kecepatan angin rata-rata sekitar 3 m/s, 12 Km/jam atau 6,7 knot/jam turbin skala kecil lebih cocok digunakan, didaerah pesisir, pegunungan, dataran. Perlu diketahui bahwa kecepatan angin bersifat fluktuatif, sehingga pada daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata 3 m/s, akan terdapat pada saat-saat dimana kecepatan anginnya lebih besar dari 3 m/s pada saat inilah turbin angin dengan cut in wind speed 3 m/s akan bekerja. (Sumber : World Wind Energy

Association 2007)

Selain untuk pembangkitan listrik, turbin angin sangat cocok untuk mendukung kegiatan pertanian dan perikanan, seperti untuk keperluan irigasi, aerasi tambak ikan, dan sebagainya.

Proses pemanfaatan energi angin dilakukan melalui dua tahapan konversi energi, pertama aliran angin akan menggerakkan rotor (baling-baling) yang menyebabkan rotor berputar selaras dengan angin yang bertiup, kemudian putaran dari rotor dihubungkan dengan generator, dari generator inilah arus listrik dihasilkan.

2.2 Jenis Kincir Angin

Kincir angin dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbunya:

1. Horisontal (horizontal axis wind turbine)

Turbin angin sumbu horisontal memilki sudu yang berputar dalam bidang vertikal seperti halnya propeller pesawat terbang. Turbin angin biasanya memiliki sudu dengan bentuk irisan melintang khusus dimana aliran udara pada salah satu melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada bagian belakang sudu dan daerah tekanan tinggi pada depan sudu, perbedaan ini yang menyebabkan kincir dapat berputar. Contohnya adalah : American multiblade, dutch windmill, high speed propeller, cretan wind mill, dan lain-lain.

Gambar 2.1 Jenis kincir angin poros horisontal.

2. Vertikal (Vertical axis wind turbine)

Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama, namun sudunya berputar pada bidang yang paralel dengan tanah, biasanya generatornya berada dibawah kincir. Contoh kincir angin poros vertikal adalah savonius wind mill, darrieus wind mill , dan lain-lain.

Gambar 2.2 Jenis kincir angin poros vertikal.

Setiap jenis kincir angin memiliki ukuran dan efisiensi berbeda-beda.

Pada umumnya kincir angin yang memilki jumlah sudu banyak (soliditas tinggi) akan memiliki torsi yang besar., kincir angin jenis ini biasanya digunakan untuk keperluan mekanikal seperti pompa air, pengolah hasil pertanian, aerasi tambak dan lain-lain. Sedangkan kincir angin dengan jumlah sudu sedikit, misal dua atau tiga digunakan untuk pembangkit listrik karena memiliki putaran rotor tinggi akan tetapi torsinya rendah.

Jika dikaitkan dengan sumber daya angin, turbin angin dengan jumlah sudu banyak lebih cocok digunakan pada daerah dengan potensi energi angin yang rendah karena rated wind speed-nya tercapai pada putaran rotor dan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sudu sedikit (untuk pembangkitan listrik) tidak akan beroperasi secara effisien pada daerah dengan kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s. Dengan demikian daerah-daerah dengan potensi energi angin rendah, yaitu kecepatan angin rata- mekanikal. Jenis turbin angin yang cocok untuk keperluan ini antara lain american wind mill , cretan sail dan savonius.

2.3 Gaya-gaya yang berkerja pada kincir angin

Pada setiap sudu kincir angin ada gaya-gaya yang berkerja, ada tiga jenis gaya antara lain: a. Gaya aksial (A) : gaya yang searah dengan arah angin.

b. Gaya sentrifugal (S) : gaya yang meninggalkan pusat.

c. Gaya tangensial (T) : gaya yang menghasilkan momen, bekerja pada radius dan merupakan gaya produktif.

Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada sudu kincir angin.

Gambar 2.4 Diagram Betz.

2.4 Perumusan

Pertama kali yang harus dihitung adalah luasan permukaan kincir yang tegak lurus dengan arah datang angin. Persamaan yang digunakan adalah :

1. Luasan permukaan kincir

2 A   r

...............................(1) Keterangan : A : Luas permukaan (m²) r : Jari-jari (m) Contoh perhitungan dengan r = 0,318 m.

2 A r

Maka   A = 3,14 x (0,318)² A = 0,3165 m² Berdasarkan ilmu fisika, energi kinetik suatu benda dengan massa m, bergerak

dengan kecepatan v adalah Ek = /

2 m.v² . Dengan asumsi kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya. Dan persamaan ini untuk energi kinetik oleh gerakan angin.

Sehingga dapat di tulis sebagai berikut :

2. Energi kinetik

1 Ek = / 2 m.v²

...............................(2) Keterangan : E : Energi kinetik (Joule)

m : Massa udara (kg) v : Kecepatan angin (m/s)

3. Laju aliran massa

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

(kg/s)

: laju aliran massa

(m²)

∶ luas penampang

v : kecepatan angin (m/s) (kg/m³)

ρ : kepadatan udara Daya yang dihasilkan oleh energi angin dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

₃ P  , _in 6  A  v

4. Daya angin

…….……………. (4) Keterangan :

Pin : Daya angin, (W) v : Kecepatan angin (m/s) Contoh perhitungan dengan A = 0,3165 m² dan v = 8 m/s. Pin = 0,6 x A x v³

Pin = 0,6 x 0,3165 x 8³ Pin = 97,229 watt

5. Daya listrik Pout = V. I

…………………(5) Keterangan:

Pout = Daya listrik (W)

V = Tegangan listrik (volt) I = Arus listrik (Ampere) Contoh perhitungan dengan V = 6,3 volt dan arus I = 0,3 Ampere, maka daya keluaran kincir Pout :

Pout = V.I Pout = 6,3 x 0,3 Pout = 1,89 watt

6. Kecepatan Ujung Sudu 2.

. .

…………………(6)

60 Keterangan:

u : Kecepatan ujung sudu (m/s)

n : Putaran kincir (rpm) r : Jari-jari terluar sudu (m)

7. Tip Speed Ratio (TSR)

TSR adalah salah suatu faktor penentu dalam mengetahui kinerja kincir angin

karena dari nilai TSR dapat diketahui seberapa baik kincir yang dirancang, jika kincir angin memiliki nilai TSR tinggi umumnya kincir angin menghasilkan putaran tinggi sebagai contoh high speed propeller 3 sudu memiliki nilai rasio 5. Jadi selain untuk merencanakan seberapa cepat kincir yang dirancang akan berputar, Dan juga sebagai implikasi altenator yang akan digunakan pada kincir angin. Nilai TSR dari beberapa jumlah sudu kincir angin dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Penentuan Tip speed ratio pada tiap jumlah sudu berbeda.

Persamaan Tips Speed Ratio :  u

 = = _r ……………….…. (7)

60 . v v



Dengan :  = Tip speed ratio

D = Diameter sudu (m) n = Kecepatan putar kincir (rpm) v ∞ = Kecepatan angin (m/s)

Contoh perhitungan dengan D = 0,635 m, n = 262,6 rpm dan v = 8 m/s, maka Tips

Speed Ratio :

λ = (3,14 x 0,635 x 262,6) / ( 60 x 8) λ= 1,091

8. Unjuk kerja (CP)

Unjuk kerja suatu kincir angin merupakan hasil bagi dari daya yang di keluarkan kincir Pout dibagi dengan daya angin Pin.

Pout

Cp = …..………………(8)

Pin

keterangan : Cp = Coefisien of power

out

P = Daya keluaran (W) P in = Daya angin (W)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Proses yang dilakukan untuk mendapatkan daya dari kincir dilakukan dalam alat penguji kincir angin atau Wind tunnel. Wind tunnel dapat bekerja secara maksimum menghasilkan kecepatan angin kurang lebih 8,5 m/s. Kincir angin yang digunakan adalah jenis American Multiblade dengan delapan sudu, diameter kincir 25 inci atau 0,635 m. Disini kincir angin diletakkan diatas rangka besi dengan diameter poros kincir 0,025 m dan panjangnya 0,6 m. Poros dihubungkan dengan trasmisi, transmisi menggunakan sabuk dan puli. Ukuran diameter puli pada poros utama kincir 0,4 m dan ukuran diameter puli pada generator 0,08 m. Kemudian puli dihubungkan dengan generator. Generator merupakan alat pengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik dan dari generator didapatkan arus keluaran I dan tegangan V. Sehingga dapat mengetahui berapa daya yang dihasilkan oleh kincir.

Dari model kincir angin yang digunakan diharapkan agar nantinya pada penelitian selanjutnya dapat dikembangkan lebih baik untuk kepentingan masyarakat.

2 Gambar 3.1 Skema American Multiblade

Keterangan :

1. Sudu kincir

2. Rangka

3. Poros

4. Puli besar

5. Bantalan

6. Sabuk

7. Puli kecil

8. Motor

3.2 Bahan dan Alat

Bahan dan peralalatan yang digunakan dalam pembuatan American Multiblade adalah sebagai berikut:

1. Sudu

Sudu untuk kincir jenis American Multiblade ini terbuat dari bahan plastik dengan diameter terluar 25 inci atau 0,635 m dengan jumlah bilah sudu 8 buah, yang diambil dari kipas radiator truk jenis Fuso. Bahan ini dipilih karena mudah didapat dan kokoh, karena sudah terdiri dari satu rangkaian, jadi tidak perlu merangkai lagi antara dudukan sudu dengan bilah sudu-sudunya karena keduanya telah menjadi satu kesatuan.

0,13 m 0,025 m

0,3 m 0,635 m

0,002 m

45 0,06 m

Gambar 3.2 Sudu kincir angin (American Multiblade)

Keterangan : Diameter kincir : 0,635 m Diameter lubang poros : 0,025 m Tebal kincir : 0,06 m Tebal bilah sudu : 0,002 m Lebar sudu : 0,13 m

2. Pemecah angin

Pemecah angin ini digunakan untuk memecah angin yang terhisap melalui sela-sela sudu kincir. Alat ini dipakai untuk mencari perbandingan data hasil pengukuran kincir. Pemecah angin ini terbuat dari bahan sterofom dengan diameter alas 0,3 m dan tinggi 0,4 m yang sangat ringan yang dipasang di bagian depan kincir.

0,3 m 0,4 m

Gambar 3.3 Pemecah angin 3.

Poros Poros berfungsi untuk dudukan kincir dan berfungsi untuk dudukan puli.

Poros untuk kincir jenis American Multiblade ini terbuat dari besi cor pejal berdiameter 2,5 cm dan panjangnya 60 cm.

4. Bantalan

Bantalan berfungsi untuk tempat berputarnya poros kincir dan juga sebagai dudukan poros kincir. Bantalan ini terbuat dari bahan baja agar tidak mudah aus karena digunakan sebagai tempat berputarnya poros kincir.

Gambar 3.5 Bantalan 5.

Rangka

Rangka berfungsi sebagai fondasi atau dudukan kincir agar kincir kokoh dari getaran yang ditimbulkan karena kincir yang berputar dan memudahkan dalam pemakaian kincir tersebut. Rangka yang digunakan terbuat dari besi profil bentuk L yang kuat dan tahan lama.

6. Puli dan Sabuk

Puli dan Sabuk berfungsi untuk mentransmisikan daya dari kincir. Puli yang digunakan ada 2 buah yaitu puli besar dan puli kecil. Puli besar dihubungkan dengan poros kincir dan puli kecil dihubungkan dengan poros generator. Diameter puli besar 40 cm dan diameter puli kecil 8 cm. Puli tersebut terbuat dari bahan alumunium karena ringan, sehingga putaran kincir tidak menjadi berat dan berkurang karena terbebani oleh berat puli. Sabuk terbuat dari bahan karet khusus yang lentur namun kuat. Sabuk berfungsi untuk penghubung antara puli besar dan puli kecil.

Gambar 3.7 Transmisi (puli dan sabuk)

7. Generator

Generator berfungsi sebagai penghasil arus listrik yang bekerja dengan cara mengubah energi mekanik (putaran poros kincir) menjadi energi listrik.

Gambar 3.8 Generator 8.

Multimeter

Multimeter berfungsi sebagai alat pengukur tegangan dan arus keluaran dari geneator.

Gambar 3.9 Multimeter

9. Anemometer

Anemometer berfungsi sebagai alat ukur kecepatan angin dan diletakkan di mulut lorong angin pada wind tunnel.

Gambar 3.10 Anemometer 10.

Tachometer

Tachometer berfungsi untuk mengukur putaran poros pada kincir angin. Jenis tachometer yang digunakan adalah jenis digital light tachometer. Prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima oleh sensor dari reflektor (alumunium foil atau benda dengan warna yang dapat memantulkan cahaya) yang di pasang pada poros.

11. Beban

Beban yang digunakan adalah berupa lampu bohlam yang disusun secara parallel. Lampu bohlam berjumlah 27 buah dan masing-masing dayanya 8 watt.

Gambar 3.12 Beban 12.

Wind tunnel Wind tunnel adalah alat untuk menguji kincir angin, berbentuk lorong dengan

blower untuk menghisap udara masuk sehingga kincir angin dapat berputar karena ada aliran udara yang masuk dengan kecepatan tertentu. Wind tunnel dapat di atur kecepatan anginnya dengan cara memajukan atau memundurkan blower sehingga jarak lorong blower dengan lorong kincir angin berubah sesuai keinginan untuk mendapatkan kecepatan angin tertentu. Kecepatan angin maksimum yang dapat di hasilkan dari wind tunnel adalah sekitar 8,5 m/s.

Gambar 3.14 Wind tunnel (tampak samping) 13.

Peralatan lain

Peralatan lain yang digunakan adalah kunci pas dan kunci ring ukuran 27, 14/15, 10/12, serta kabel-kabel.

3.3 Variabel yang dibutuhkan a. Putaran poros (n).

b. Tegangan (V) dan arus (I) dari generator untuk menghitung daya (Pout).

c. Kecepatan angin (v).

d. Perhitungan daya kincir (Pin) dan daya keluaran (Pout) untuk menghitung unjuk kerja (Cp).

e. Perhitungan Tip Speed Ratio (Tsr).

3.4 Langkah-langkah penelitian.

1. Menyiapkan semua peralatan.

2. Merangkai bagian-bagian dari American Multiblade.

3. Memasang rangkaian American Multiblade kedalam wind tunnel.

5. Menghubungkan kabel-kabel output dari generator ke multimeter dan beban, untuk mendapatkan tegangan, rangkaian pada multimeter pengukur tegangan disusun secara parallel dan untuk mendapatkan arus, rangkaian pada multimeter pengukur arus disusun secara seri.

Gambar 3.15 Rangkaian pengukuran beban dengan lampu 6. Lalu setelah semua siap, hidupkan wind tunnel.

7. Setelah kincir berputar, ukurlah kecepatan angin yang diperlukan yaitu 8 m/s, 7 m/s, 6 m/s dengan mengatur jarak antara Wind Tunnel dengan blower, semakin jauh jarak antara wind tunnel dengan blower maka akan semakin kecil kecepatan angin yang masuk Wind Tunnel.

8. Setelah itu, lakukanlah pencatatan data.

9. Pencatatan data dilakukan dengan cara menghidupkan satu-persatu switch lampu pada beban mulai lampu no.1 sampai dengan no.27 dan pada setiap penyalaan lampu dilakukan pembacaan pada multimeter untuk mengukur tegangan dan arus keluaran dari generator.

10. Untuk variasi kincir yang dibutuhkan dalam penelitian ini dapat dilihat didalam Sub BAB 1.4 variasi kincir yang terdapat di BAB I halaman 4.

Gambar 3.16 Rangkaian pengukuran tegangan dan arus

11. Catat data tegangan dan arus keluaran, serta putaran kincir pada setiap penyalaan lampu pada beban.

12. Pembacaan dan pencatatan data dilakukan setiap kurang lebih 1 menit pada setiap lampu mulai dari lampu no.1 sampai dengan no.27.

13. Pencatatan data dilakukan pada setiap pengujian yaitu 4 kali pada setiap variasi yang dilakukan. Jadi total penelitian dan pencatatan data yang dilakukan ada 12 kali. Data yang dicatat yaitu voltase tegangan (V), ampere arus (I), putaran kincir (n) dan kecepatan angin.

BAB IV PEMBAHASAN

4.1 Data-data hasil pengukuran

120

136

1,8 1,15 142,7 8,17

128

1,9 1,25 142,1 8,25

1,9 1,2 142,6 8,25

112

1,8 1,2 137,7 8,02

104

1,9 1,2 134,8 7,84

1,7 1,2 137,1 7,9

144

1,5 1,3 131,8 7,99

1,5 1,3 138,3 7,76

184

1,3 1,2 136,9 7,93

176

168

1,5 1,2 135,7 7,96

1,2 1,25 130,5 8,02

160

1,5 1,3 136,6 8,12

152

Untuk data-data hasil pengukuran, dapat dilihat pada tabel 4.1, tabel 4.2, tabel 4.3, dan tabel 4.4.

Tabel 4.1 Data-data hasil pengukuran pada variasi pertama.

3,1 1,1 190,3 8,06

4,6 1 227,8 8,05

5,8 0,7 250,7

6,3 0,3 262,6

No. Beban (watt) tegangan (volt) arus (ampere) putaran poros (rpm) kec angin (m/s)

2,5 1,1 163,2 8,21

1,9 1,1 140,3 8,26

1,9 1,1 142,2

2,1 1,1 144,1 7,88

2,2 1,2 165,3 7,98

2,2 1,2 161,5 7,97

1,9 1,15 137,3 7,83

Tabel 4.1 Data-data hasil pengukuran pada

168

1,2 0,1 109,8 7,16

192

1,15 0,95 106,7 7,13

184

1,15 0,9 105,7 7,06

176

1,1 0,9 104,8 6,84

1,1 0,1 105,9 7,33

1 0,95 107,4 7,11

160

1,1 0,95 107,4 7,23

152

1,1 0,9 109,3 7,28

144

1,1 0,95 111,3 7,11

136

200

1,1 0,95 106,5 7,02

1,1 0,5 85,3 6,77

0,9 0,5 73,1 6,36

1 0,5 85,9 6,61

1 0,5 84,1 6,55

208

1,9 0,4 94,3 6,48

2,2 0,3 114,8 6,51

1 0,9 103,2 6,95

220

1 0,95 106,9 7,18

128

variasi pertama (lanjutan).

1,6 0,9 123,7 7,08

2 0,8 131,2 7,3

2,2 0,7 142,8 7,04

3,2 0,5 163,5 7,22

1,8 0,9 127,3 7,35