Tiga model kincir angin american multi-blade sebelas sudu dari bahan dasar aluminium dengan pitch angle 10, 20 dan 30 derajat.

INTISARI

Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk maka kebutuhan akan energi pun akan semakin meningkat. Meningkatnya kebutuhan energi ternyata tidak diimbangi dengan sumber daya fosil yang semakin berkurang. Energi angin adalah sumber energi terbarukan yang murah dan mudah untuk dimanfaatkan, untuk memanfaatkan energi angin diperlukan alat untuk mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi energi mekanik yaitu kincir angin. Unjuk kerja kincir angin dipengaruhi oleh salah satunya yaitu pitch angle. Karena itu diperlukan penelitian yang bertujuan menyelidiki unjuk kerja dari tiga model kincir angin

American multi-blade.

Model-model kincir angin yang diteliti adalah model kincir sebelas sudu dengan bahan dasar aluminium berdiameter 80 cm dengan variasi pitch angle 100, 200 dan 300. Penelitian dilakukan menggunakan terowongan angin (wind tunnel) yang ada pada Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogjakarta. Data yang diambil saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran kincir dan gaya pengimbang torsi. Dari data tersebut dapat dihitung daya kincir, koefisien daya dan tip speed ratio (TSR) untuk setiap model kincir angin yang diteliti.

Dari hasil penelitian diketahui bahwa model kincir angin dengan pitch

angle 100 menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 4,8% pada tip speed

ratio optimal 0,85. Model kincir angin dengan pitch angle 200dapat menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,6% pada tip speed ratio optimal 1,0. Untuk model kincir angin dengan pitch angle 300 dapat menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,8% pada tip speed ratio optimal 0,92. Dari ketiga model kincir angin, model kincir angin dengan pitch angle 300 adalah yang terbaik dengan menghasilkan koefisien dayamaksimal sebesar 16,8% pada tip speed ratio optimal 0,92.

TIGA MODEL KINCIR ANGIN AMERICAN MULTI-BLADE

SEBELAS SUDU DARI BAHAN DASAR ALUMINIUM

DENGAN PITCH ANGLE 10

0

, 20

0

DAN 30

0

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

WAHYU BAYU AJI NIM : 115214007

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

THREE MODELS

MULTI-BLADE

MATERIAL

Presente t MECHANIC MECHAN FACULT SA ii

DELS OF ELEVEN BLADES OF AMER

DE WIND MILL MADE FROM ALUM

AL WITH 10

0

, 20

0

AND 30

0

PITCH ANG

FINAL PROJECT

nted as partial fullfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

By :

WAHYU BAYU AJI Student Number: 115214007

NICAL ENGINEERING STUDY PROGRA ANICAL ENGINEERING DEPARTMENT LTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA 2015

ERICAN

MINUM

NGLE

t AM ENT Y

vii

INTISARI

Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk maka kebutuhan akan energi pun akan semakin meningkat. Meningkatnya kebutuhan energi ternyata tidak diimbangi dengan sumber daya fosil yang semakin berkurang. Energi angin adalah sumber energi terbarukan yang murah dan mudah untuk dimanfaatkan, untuk memanfaatkan energi angin diperlukan alat untuk mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi energi mekanik yaitu kincir angin. Unjuk kerja kincir angin dipengaruhi oleh salah satunya yaitu pitch angle. Karena itu diperlukan penelitian yang bertujuan menyelidiki unjuk kerja dari tiga model kincir angin American

multi-blade.

Model-model kincir angin yang diteliti adalah model kincir sebelas sudu dengan bahan dasar aluminium berdiameter 80 cm dengan variasi pitch angle 100, 200 dan 300. Penelitian dilakukan menggunakan terowongan angin (wind tunnel) yang ada pada Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogjakarta. Data yang diambil saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran kincir dan gaya pengimbang torsi. Dari data tersebut dapat dihitung daya kincir, koefisien daya dan

tip speed ratio (TSR) untuk setiap model kincir angin yang diteliti.

Dari hasil penelitian diketahui bahwa model kincir angin dengan pitch angle 100menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 4,8% pada tip speed ratio optimal 0,85. Model kincir angin dengan pitch angle 200dapat menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,6% pada tip speed ratio optimal 1,0. Untuk model kincir angin dengan pitch angle 300 dapat menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,8% pada tip speed ratio optimal 0,92. Dari ketiga model kincir angin, model kincir angin dengan pitch angle 300 adalah yang terbaik dengan menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,8% pada tip speed ratio optimal 0,92.

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa

karena rahmat dan karuniaNya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan

sebaik-baiknya.

Tugas akhir ini adalah salah satu syarat yang wajib diselesaikan bagi setiap

mahasiswa program studi Teknik Mesin. Tugas akhir ini dilaksanakan dalam rangka

memenuhi syarat kelulusan untuk mendapat gelar sarjana S-1 untuk Program Studi

Teknik mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis mendapat banyak bantuan dan

bimbingan dari berbagai pihak. Karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. PK. Purwadi, S.T. ,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Budi Setyahandana, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

4. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA

5. R.B. Dwiseno Wihadi, S.T., M.si. dan Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku

Kepala Laboratorium Proses Produksi dan Konversi Energi.

6. Pak Intan dan pak Martono selaku Laboran Laboratorium Proses Produksi dan

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PENGESAHAN... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... v

LEMBAR PUBLIKASI ... vi

INTISARI... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI... ix

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL... xv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan ... 3

1.4 Batasan Masalah... 3

1.5 Manfaat ... 3

BAB II DASAR TEORI 2.1 Angin... 5

2.2 Energi Angin ... 5

2.3 Kincir Angin ... 5

2.3.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 6

2.3.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 10

2.4 Grafik Hubungan Antara CpTerhadap TSR ... 13

xi

2.5.1 Rumus Energi Kinetik... 13

2.5.2 Rumus Torsi ... 15

2.5.3 Rumus Daya Kincir... 15

2.5.4 Rumus tip speed ratio ... 16

2.5.5 Rumus Koefisien Daya ... 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 18

3.2 Bahan-bahan... 19

3.3 Alat-alat... 19

3.4 Prosedur Pembuatan Kincir Angin ... 21

3.5 Variabel Penelitian ... 23

3.6 Variable Yang Diukur ... 24

3.7 Variabel Yang Dihitung ... 24

3.8 Pengujian dan Pengambilan Data ... 25

3.9 Pengolahan Data... 26

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Percobaan... 28

4.2 Perhitungan ... 30

4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 30

4.2.2 Daya Kincir ... 30

4.2.3 Tip speed ratio ... 32

4.2.4 Koefisien Daya Kincir... 32

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 32

4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan... 34

xii BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 44

5.2 Saran... 45

DAFTAR PUSTAKA ... 46

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 upwind dan downwind wind turbine ... 7

Gambar 2.2 Kincir angin Propeller ... 8

Gambar 2.3 Kincir angin American multi-blade... 9

Gambar 2.4 Kincir angin Savonius ... 11

Gambar 2.5 Kincir angin Darrieus ... 11

Gambar 2.6 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (TSR) dari beberapa jenis kincir ... 13

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian... 18

Gambar 3.2 Terowongan angin... 20

Gambar 3.3 Mekanisme pengereman(kiri) dan neraca pegas (kanan) ... 21

Gambar 3.4 Desainsudu kincir dan ukurannya ... 22

Gambar 3.5 Sudu kincir yang sudah disatukan dengan aluminium profil U ... 23

Gambar 3.6 Bentuk jadi kincir angin yang diuji ... 24

Gambar 3.7 Skema alat pengujian ... 26

Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan pitch angle 100pada kecepatan angin rerata 8,6 m/s ... 35

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan pitch angle 100pada kecepatan angin rerata 8,6 m/s... 35

Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio pada kincir dengan pitch angle 100... 36

Gambar 4.4 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan pitch angle 200pada kecepatan angin rerata 8,53 m/s ... 37

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan pitch angle 200pada kecepatan angin rerata 8,53 m/s... 38

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya(Cp) dengan tip speed ratio pada kincir dengan pitch angle 200... 38 Gambar 4.7 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan

xiv

pitch angle 300pada kecepatan angin rerata 8,52 m/s ... 40 Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan

pitch angle 300pada kecepatan angin rerata 8,52 m/s2... 40 Gambar 4.9 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio pada kincir

dengan pitch angle 300... 41 Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio 3 model kincir angin

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan pitch angle 100... 28

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan pitch angle 200... 28

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan pitch angle 300... 29

Tabel 4.4 Data perhitungan kincir dengan pitch angle 100... 33

Tabel 4.5 Data perhitungan kincir dengan pitch angle 200... 33

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk di Indonesia mengakibatkan

kebutuhan energi semakin meningkat. Tetapi meningkatnya kebutuhan energi

tidak diimbangi dengan sumber daya fosil yang semakin berkurang. Menurut data

Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan

Sumber Daya Mineral (DESDM) tahun 2005 mengatakan bahwa cadangan

minyak bumi di Indonesia akan habis pada tahun 2023 sedangkan untuk gas alam

akan habis dalam kurun waktu 40 tahun dan batubara 38 tahun. Karena itu

dibutuhkan sumber energi alternatif untuk mengurangi penggunaan sumber daya

fosil terutama sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.

Terdapat banyak sumber daya alternatif yang dapat dikembangkan seperti

energi angin, energi air, energi surya, energi panas bumi dan lain sebagainya. Dari

sekian banyak energi alternatif yang ada, energi angin adalah energi yang paling

mudah dimanfaatkan karena angin ada dimana-mana dan melimpah sehingga

mudah didapatkan dan biaya yang dibutuhkan tidak terlalu mahal. Untuk

menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan energi angin dibutuhkan

sebuah kincir angin untuk mengubah energi potensial dari angin menjadi energi

mekanik yang memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik.

Terdapat banyak jenis dan karakteristik kincir angin yang sudah

dikembangkan secara global. Secara umum jenis-jenis kincir angin dibedakan

kincir angin dengan sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) dan

kincir angin dengan sumbu horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine

(HAWT). Kincir angin American multi-blade termasuk dalam jenis kincir angin

sumbu horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT), kincir angin

American multi-blade adalah kincir angin yang mudah berputar atau mampu

bekerja dengan kecepatan angin yang rendah dan menghasilkan torsi yang cukup

besar. Dalam memanfaatkan energi angin, besar kemiringan sudu (pitch angle)

pada kincir angin akan mempengaruhi gaya lift dan drag yang dihasilkan oleh

energi angin. Penelitian model kincir angin jenis American multi-blade dengan

variasi pitch angle ini diharapkan dapat menemukan efisiensi terbaik dari

model-model kincir angin yang diteliti.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang diatas maka permasalahan yang muncul adalah:

1. Energi angin adalah salah satu sumber energi yang berlimpah, murah, ramah

lingkungan dan memiliki potensi yang baik tetapi belum dimanfaatkan secara

optimal di Indonesia.

2. Perlu mendesain kincir angin yang sesuai dengan potensi energi angin yang

tersedia di suatu tempat serta pemilihan material bahan yang tepat sehingga

dapat meningkatkan efisiensi yang dihasilkan oleh kincir angin.

3. Perlu diketahui nilai koefisien daya dan tip speed ratio untuk beberapa variasi

pitch angle kincir angin American multi-blade.

4. Perlu diketahui pengaruh penambahan kerapatan sudu pada unjuk kerja dari

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Merancang dan membuat model kincir angin American multi-blade 11 sudu

dengan bahan sudu aluminium berdiameter 80 cm dengan variasi pitch angle

100, 200dan 300.

2. Mengetahui koefisien daya dan tip speed ratio untuk ketiga variasi model

kincir angin yang akan dibuat.

3. Mengetahui model kincir angin American multi-blade yang memiliki unjuk

kerja terbaik dari tiga model yang diteliti.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah yang ada pada penelitian ini adalah:

1. Model kincir angin yang digunakan adalah American multi-blade 11 sudu

berbahan aluminium dan berdiameter 80 cm.

2. Penelitian dilakukan dengan menggunakan terowongan angin (wind tunnel) di

Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

3. Variasi dari penelitian adalah besarnya sudut kemiringan pada sudu (pitch

angle) sebesar: 100, 200dan 300.

4. Data yang diambil saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros

kincir, dan gaya pengimbang torsi.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin

2. Memberikan manfaat bagi berkembangnya teknologi energi terbarukan di

Indonesia, khususnya energi angin.

3. Sebagai sumber referensi bagi masyarakat di daerah dengan potensi energi

5 BAB II DASAR TEORI 2.1 Angin

Angin adalah udara yang bergerak dari suatu tempat yang bertekanan udara

tinggi ketempat lain yang bertekanan udara rendah. Permukaan bumi senantiasa

mendapatkan pemanasan yang berbeda disetiap tempat, karena tekanan udara

disetiap tempat berbeda pula, kondisi ini menimbulkan gerakan angin yang

berbeda-beda arah dan kecepatannya. Alat untuk mengukur kecepatan angin

adalah Anemometer.

2.2 Energi angin

Energi angin adalah salah satu jenis sumber energi terbarukan yang potensial

untuk menghasilkan energi listrik maupun mekanik melalui proses konversi

energi kinetik dari angin menjadi energi mekanik dan selanjutnya ke energi listrik.

Energi kinetik yang terdapat pada angin dapat diubah menjadi energi mekanik

untuk memutar peralatan (pompa piston, penggilingan, dan lain-lain). Sementara

itu, pengolahan selanjutnya dari energi mekanik yaitu untuk memutar generator

yang dapat menghasilkan listrik. Kedua proses pengubahan ini disebut konversi

energi angin, sedangkan sistem atau alat yang melakukannya disebut SKEA

(Sistem Konversi Energi Angin).

2.3 Kincir Angin

kincir angin adalah sebuah alat yang mampu mengkonversi energi kinetik

menangkap angin atau memperoleh energi angin yang dapat dipergunakan untuk

menumbuk biji-bijian, memompa air atau dikonversikan menjadi energi listrik.

Kincir angin dulunya banyak ditemukan di Belanda, Denmark dan

negara-negara Eropa lainnya yang digunakan sebagai sistem irigasi, menumbuk hasil

pertanian dan menggiling gandum, istilah yang dipakai pada saat itu adalah

windmill. Kini kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan mengubah energi mekanik yang dihasilkan

dari energi angin menjadi energi listrik yang biasa disebut dengan turbin angin.

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA) mengkonversikan energi angin

menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara

kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan

untuk memutar rotor pada generator dibelakang bagian turbin angin, sehingga

akan menghasilkan energi listrik.

Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua jenis, yaitu:

kincir angin dengan sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) dan

kincir angin dengan sumbu horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine

(HAWT).

2.3.1 Kincir angin Sumbu Horisontal

Kincir angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)

merupakan kincir angin yang sumbu rotasi rotornya sejajar terhadap permukaan

tanah. Kincir angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator

listrik di puncak menara dan diarahkan menuju arah datangnya angin untuk

arah datangnya angin dengan menggunakan ekor yang terdapat pada sisi belakang

kincir, sedangkan kincir angin besar umumnya menggunakan sensor angin

dan motor yang digunakan untuk mengubah rotor kincir mengarah pada angin.

Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin sumbu horizontal mengalami

gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag sehingga

rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift,

Kincir angin sumbu horisontal dapat dibedakan dalam dua varietas dasar,

yakni upwind dan downwind (Gambar 2.1). Perbedaan dari kedua jenis ini

hanyalah arah datangnya angin yang akan melewati kincir, untuk upwind arah

angin datang dari depan kincir sedangkan untuk downwind arah angin berasal dari

belakang kincir angin.

Gambar 2.1 upwind dan downwind wind turbine (sumber: http://www.cleanenergybrands.com/)

Beberapa jenis turbin angin sumbu horisontal yang telah banyak dikenal

1. Kincir angin Propeller

Kincir angin Propeller adalah kincir angin sumbu horizontal yang memiliki

jumlah blade yang relatif lebih sedikit dibandingkan kincir angin sumbu

horizontal lainnya seperti American multi-blade.

Gambar 2.2 Kincir angin Propeller. (sumber: www.bombayharbor.com)

2. Kincir angin American multi-blade

Kincir angin jenis American multi-blade adalah kincir angin yang

memiliki jumlah blade relatif lebih banyak dibandingkan dengan kincir angin

sumbu horizontal lainnya seperti Propeller. Kincir angin jenis ini mampu

berputar pada kecepatan angin rendah dan dapat menghasilkan torsi yang besar.

Kincir angin sumbu horisontal memiliki beberapa kelebihan diantaranya

adalah:

a. Sudu-sudu berada di samping pusat gravitasi kincir, sehingga membantu

stabilitas kincir.

b. Menara yang tinggi memungkinkan kincir mendapatkan angin yang kuat dan

permukaan tanah.

c. Kincir angin sumbu horisontal dapat dibuat dengan kemampuan wing warp,

sehingga pitch angle sudu-sudu turbin dapat diatur agar ditetapkan pada harga

yang paling baik.

d. Menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan kincir angin sumbu

vertikal.

e. Kincir angin sumbu horisontal dapat dibuat dengan kemampuan pitch control

untuk sudu-sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan bisa terserang

badai.

Gambar 2.3 Kincir angin American multi-blade (www.en.wikipedia.org)

Selain memiliki kelebihan kincir angin sumbu horisontal juga memiliki

kekurangan, yakni:

a. Menara-menara yang tinggi dan sudu-sudu yang panjang (mencapai hingga

b. kincir angin sumbu horisontal sulit untuk dipasang karena memerlukan crane

yang sangat tinggi dan mahal dan operator-operatur yang ahli.

c. Kincir angin sumbu horisontal sulit dioperasikan dekat dengan permukaan

tanah karena adanya angin turbolen.

d. Kincir membutuhkan mekanisme kontrol tambahan untuk membelokkan kincir ke arah datangnya angin.

e. Varian-varian downwind mengalami kelelahan dan kegagalan struktural yang disebabkan oleh turbulensi.

2.3.2 KincirAngin SumbuVertikal

Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)

merupakan kincir angin yang sumbu rotasi rotornya tegak lurus terhadap

permukaan tanah dan kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari

segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini

menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin sumbu horisontal.

Beberapa jenis kincir angin sumbu vertikal yang telah banyak dikenal

diantaranya:

1. Kincir angin Savonius

Kincir angin Savonius adalah kincir angin sumbu vertikal yang

memanfaatkan gaya drag dari angin. Kincir angin Savonius ini menghasilkan torsi

Gambar 2.4 Kincir angin Savonius (www.cleangreenenergyzone.com)

2. Kincir angin Darrieus

Kincir angin Darrieus adalah kincir angin sumbu vertikal berbentuk aerofoil

dan memanfaatkan gaya lift dari angin. Kincir angin ini dapat menerima angin

dari segala arah.

Gambar 2.5 Kincir angin Darrieus (http://img.bhs4.com)

Kelebihan dari kincir angin poros vertikal diantaranya adalah:

a. Kincir angin sumbu vertikal menerima angin dari segala arah sehingga

tidak perlu diubah posisinya jika arah angin berubah, tidak seperti kincir

angin sumbu horizontal yang memerlukan mekanisme tambahan untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah angin.

b. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar dan tinggi.

c. Konstruksi kincir lebih sederhana.

d. Kincir angin sumbu vertikal dapat didirikan dekat dengan permukaan tanah,

sehingga memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen

elektronik yang mendukung beroperasinya turbin.

e. Perawatan lebih mudah karena sebagian besar komponennya terletak dekat

dengan permukaan tanah.

Selain memiliki kelebihan, kincir angin sumbu vertikal juga memiliki kelemahan,

yakni:

a. Tinggi dan swept area lebih terbatas dibanding dengan turbin angin sumbu

horisontal.

b. Memerlukan permukaan tanah yang relatif datar sehingga tidak cocok

didirikan ditempat-tempat yang terlalu curam.

c. Kebanyakan kincir angin sumbu vertikal hanya menghasilkan energi dengan

efisiensi sekitar 50% dari efisiensi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin

2.4 Grafik Hubungan Antara CpTerhadap TSR

Menurut Albert Betz seorang ilmuan Jerman bahwa koefisien daya maksimal

dari kincir angin adalah sebesar 59% seperti yang terlihat pada Gambar 2.5

d a n nama untuk batas maksimal tersebut dengan Betz limit.

Gambar 2.6 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed

ratio (TSR) dari beberapa jenis kincir

(Sumber: www.intechopen.com)

2.5 Rumus Perhitungan

Berikut ini adalah rumus-rumus yang digunakan untuk perhitungan dan

analisis kincir angin yang akan diteliti.

2.5.1 Rumus Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak. Energi

kinetik pada angin adalah energi yang dimiliki angin ketika angin itu bergerak,

=1

2 . (1)

dengan :

Ek= Energi kinetik

m = masa udara v = kecepatan angin

Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat dituliskan dengan

rumus sebagai berikut:

=1

2 ̇ . (2)

dengan:

Pin= daya angin (watt)

ṁ = masa udara yang mengalir persatuan waktu (kg/s)

v = kecepatan angin

sedangkan untukṁ dapat dicari dengan rumus sebagi berikut:

̇ = . . (3)

dengan :

ρ =masa jenis udara (kg/m3)

A = luas penampang sudu (m2)

Dengan menggunakan persamaan (3) maka daya angin Pindapat dirumuskan

menjadi

=1

yang dapat disederhanakan menjadi :

= 1

2( . . )

(4)

2.5.2 Rumus Torsi

Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong

pada sumbu kincir. Torsi dapat dihitung dengan mengkalikan gaya pembebanan

(F) dengan jarak lengan torsi ke poros (r). Perhitungan torsi dapat dituliskan

sebagai berikut :

= . (5)

dengan:

F = gaya pembebanan (N)

r = jarak lengan torsi ke poros (m)

2.5.3 Rumus Daya Kincir

Daya yang dihasilkan kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan kincir akibat

adanya angin yang melintasi sudu kincir. Pada umumnya persamaan daya gerak

melingkar dapat dituliskan sebagai berikut:

= . (6)

dengan :

T = torsi (N.m)

ω= kecepatan sudut, dapat diperoleh dari:

= 2

n = kecepatan putar poros kincir permenit , (rpm)

Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dapat dirumuskan sebagai

berikut:

= . =

30 / (7)

dengan:

Pout= daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt)

n = putaran poros (rpm)

2.5.4 Rumus Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (TSR) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin.

Kecepatan diujung sudu dapat dirumuskan sebagai :

= .

dengan :

vt = kecepatan ujung sudu ω= kecepatan sudut (rad/sec)

r = jari-jari kincir (m)

sehingga tip speed ratio-nya dapat dirumuskan sebagai berikut:

=2

60

=

30 (8)

dengan :

r = jari-jari kincir (m)

n = putaran poros kincir tiap satuan menit (rpm) v = kecepatan angin (m/s)

2.5.5 Koefisien Daya

Koefisien daya (Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukan

perbandingan daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan daya yang dihasilkan

oleh angin (Pin). Koefisien daya dapat dirumuskan:

= 100% (9)

dengan:

Cp = koefisien daya (%)

Pout = daya yang dihasilkan kincir

18

MULAI Studi pustaka

Perancangan kincir angin

Pembuatan kincir angin

Pengambilan data kecepatan angin, putaran poros dan pembebanan

Pengolahan data mencari daya angin, daya kincir, Cp dan TSR untuk setiap variasi penelitian dan membandingkan hasilnya

Analisis dan pembahasan data dan pembuatan laporan

SELESAI BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Perencanaan dan pembuatan kincir dilaksanakan di Laboratorium Proses

Produksi, sedangkan untuk pengambilan data dilaksanakan di Laboratorium

Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.1 Diagram Alir Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perancangan kincir hingga

analisis data dapat disajikan dalam diagram alir sebagai berikut:

3.2 Bahan - bahan

Bahan–bahan yang digunakan dalam pembuatan kincir angin adalah sebagai

berikut :

1. Plat aluminium dengan ketebalan 0,7 mm sebagai bahan baku sudu-sudu

kincir angin.

2. Tutup pipa paralon diameter 6 inchi digunakan sebagai hub kincir angin.

3. Aluminium profil U dengan panjang 35 cm digunakan sebagai penyangga

sudu kincir.

4. Mur dan baut digunakan untuk menyambung sudu, penyangga sudu kincir,

dan hub.

3.3 Alat_–alat

Alat – alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dikelompokkan

menjadi dua kelompok, yaitu :

A. Alat–alat pembuatan kincir angin meliputi :

1. Busur, jangka, penggaris, dan spidol untuk menggambar pola pada plat

aluminium.

2. Gerenda potong untuk memotong plat aluminium sesuai dengan pola yang

telah digambar.

3. Gerenda duduk dan kikir untuk menghaluskan potongan sudu kincir.

4. Bor digunakan untuk membuat lubang baut pada kincir angin.

5. Mesin penekuk plat, digunakan untuk menekuk sudu kincir sesuai dengan

sudut yang diinginkan.

B. Alat–alat pengujian dan alat bantu pengukuran meliputi :

1. Terowongan angin untuk pengkondisian angin yang dilengkapi dengan

blower penyedot sebagai penghasil angin.

Gambar 3.2 Terowongan angin

2. Anemometer untuk mengukur kecepatan angin yang dihasilkan blower

penyedot.

3. Tachometer untuk mengukur kecepatan poros kincir persatuan menit (rpm)

4. Mekanisme pengereman atau alat ukur gaya tangensial yang dihubungkan

dengan neraca pegas.

5. Neraca pegas untuk pengukuran pembebanan yang diberikan pada saat

pengereman yang diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis.

6. Mekanisme pengereman berfungsi sebagai pengerem atau penghambat

putaran kincir dalam melakukan pengambilan data gaya pembebanan.

7. Tiang penahan kincir. Tiang penahan kincir dipasang di dalam terowongan

sebelah depan dan sebelah belakang rumahnya. Kedua bantalan ini digunakan

untuk menumpu poros utama kincir angin.

Gambar 3.3 Mekanisme pengereman(kiri) dan neraca pegas(kanan)

8. Poros utama kincir. Poros kincir yang dibuat dengan bahan dasar baja dengan

bentuk dan ukuran yang sudah disesuaikan dengan kincir. Poros ini dipasang

pada naf atau pusat kincir dan selanjutnya sebagian ujungnya (ujung

belakang) dipasang pada tiang penyangga kincir melalui dua bantalan

berdiameter 15 mm.

3.4 Prosedur Pembuatan kincir angin

Langkah-langkah yang dilakukan dalam pembuatan kincir angin tipe

American Multiblade yang akan diteliti adalah:

1. Menggambar desain sudu kincir angin pada plat aluminium. Pola sudu yaitu

membagi lingkaran berdiameter 80 cm menjadi 10 bagian. Desain sudu kincir

Gambar 3.4 De

2. Memotong plat

menggunakan ger

3. Merapikan hasil

gerenda.

4. Setelah terbentuk

lagi sehingga terda

5. Memotong batanga

35cm sebagai pen

6. Membuat lubang

kincir buatlah luba

sebesar 5mm.

3.4 Desain sudu kincir dan ukurannya, sudutβmenunj angle dari sudu kincir.

plat Aluminium berdasarkan pola yang

gerinda tangan.

sil potongan plat Aluminium dengan mengg

ntuk 10 sudu kincir dari plat Aluminium lalu mem

erdapat 11 sudu kincir dengan besar yang sama.

angan aluminium profil U menjadi 11 bagian de

penyangga sudu kincir.

ng pada tutup paralon menggunakan mesin bor

lubang sebesar 1cm sedangkan untuk lubang pe

enunjukan pitch

g sudah dibuat

nggunakan mesin

embuat satu sudu

a.

n dengan panjang

n bor. Untuk poros

7. Membuat lubang pada sudu plat aluminium dan besi penyangga sebagai

tempat membaut plat aluminium dan aluminium penyangga. Diameter lubang

yang diperlukan sebesar 5mm.

8. Menekuk plat aluminium menggunakan mesin press agar memiliki

kemiringan sesuai variasi penelitian yaitu 100, 200, 300.

9. Menyatukan sudu kincir plat aluminium dan besi penyangga menggunakan

mur dan baut seperti pada Gambar 3.5.

10. Menyatukan sudu-sudu kincir yang sudah berpenyangga pada hub yang

terbuat dari tutup paralon menggunakan mur dan baut. Kincir angin yang

sudah selesai dibuat dan digunakan dalam penelitian seperti pada Gambar 3.6.

Gambar 3.5 Sudu kincir yang sudah disatukan dengan Aluminium profil U

3.5 Variabel Penelitian

Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan

1. Variasi kemiringan sudut pada sudu-sudu kincir sebesar 100,200,300.

2. Variasi pembebanan saat pengujian dimulai dari keadaan tanpa beban hingga

beban maksimum kincir.

Gambar 3.6 Bentuk jadi kincir angin yang diuji

3.6 Variabel Yang Diukur

Parameter yang akan diukur pada penelitian ini adalah:

1. Kecepatan angin, (m/s)

2. Gaya pengimbang, (N)

3. Putaran kincir, (rpm)

3.7 Variabel Yang Dihitung

Parameter yang dihitung untuk mendapatkan hasil perhitungan yang

menunjukan karakteristik kincir angin yang diuji dalam penelitian ini adalah:

1. Daya angin (Pin)

2. Daya kincir (Pout)

3. Koefisien daya (Cp)

3.8 Pengujian dan pengambilan data

Pengujian dan pengambilan data dilakukan menggunakan wind tunnel yang

ada pada Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Saat pengujian, data yang diambil meliputi: kecepatan angin, besarnya

pembebanan dan kecepatan putaran kincir. Pengambilan data dilakukan secara

bersama-sama saat kincir sudah berputar. Untuk sekema alat dapat dilihat pada

Gambar 3.7. Adapun langkahnya yaitu:

1. Memasang kincir angin dan menghubungkan kincir angin dengan porosnya.

2. Menyambungkan poros kincir angin dengan cakram pada sistem pengereman.

3. Memasang neraca pegas yang terhubung dengan sistem pengereman.

4. Memasang anemometer untuk menghitung kecepatan angin

5. Menyiapkan tackometer untuk menghitung kecepatan putaran poros kincir.

6. Menyalakan blower setelah semua siap.

7. Mengatur kecepatan rata-rata angin dengan cara merubah jarak terowongan

ke blower hingga mendapatkan kecepatan rata-rata angin yang diinginkan.

8. Setelah kecepatan rata-rata angin yang diinginkan didapatkan, mulailah

mengukur kecepatan angin dan kecepatan putaran poros yang dihasilkan dari

pembebanan. Untuk masing-masing data kecepatan angin dan kecepatan

poros putar diambil 3 kali pengambilan data untuk setiap pembebanan. Pada

pengambilan data pertama belum ada pembebanan atau beban masih kosong.

9. Menambahkan beban pada kincir dengan cara menambahkan karet pada pedal

kecepatan angin

pembebanan yang

10. Melakukan penam

11. Lalu memvariasi

menggunakan kinc

3.9 Pengolahan data

Dari data yang

membandingkan unjuk ke

Langkah-langkah pen

1. Setelah didapatka

maka dapat dicari

2. Setelah didapatka

menggunakan Per

ginnya. Untuk memudahkan dalam pe

ang diberikan kurang lebih sebesar 50 gram dan

ambahan beban pada kincir hingga kincir berhe

iasi penelitian dengan mengulangi langkah

n kincir dengan sudut kemiriringan (pitch angle) y

Gambar 3.7 skema alat pengujian

ata

g sudah diperoleh, maka data tersebut dapa

unjuk kerja dari 3 model kincir angin yang diteliti

h pengolahan data adalah sebagai berikut:

tkan data kecepatan angin(v) dan luasan kincir(sw

ari daya angin (Pin) menggunakan Persamaan(4

tkan data gaya pengimbang (F) maka torsi (

n Persamaan(5).

pengolahan data

dan kelipatannya.

rhenti berputar.

ah diatas dengan

e) yang berbeda.

dapat diolah untuk

liti.

ir(swept area) (A),

n(4).

3. Dari data putaran poros kincir (n) dan torsi (T) maka daya kincir (Pout) dapat

dicari dengan menggunakan Persamaan(7).

4. Dengan menggunakan Persamaan(8) dengan membandingkan kecepatan

ujung sudu dengan kecepatan angin maka diperoleh data tip speed ratio

(TSR).

5. Dari data daya kincir (Pout) dan daya angin (Pin) maka koefisien daya dapat

28

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Percobaan

Dari pengujian kincir angin diperoleh data untuk masing-masing variasi pitch

angle meliputi : kecepatan angin (m/s), beban pengimbang (gram) dan putaran

kincir (rpm). Pitch angle yang digunakan pada pengujian kincir sebesar 100, 200, dan 300. Data dari pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.1, 4.2 dan 4.3.

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan pitch angle 100 No. KecepatanAngin, v Beban, F Putaran Kincir, n

(m/s) (gram) (rpm)

1 9,01 8,97 8,57 0 350 347 351 2 8,65 8,49 8,78 50 318 315 314 3 8,81 8,79 8,77 100 261 263 268 4 8,44 8,44 8,55 150 246 255 249 5 8,62 8,86 8,62 200 212 218 218 6 8,34 8,8 8,86 250 187 180 182 7 8,66 8,56 8,65 300 139 139 141 8 8,24 8,19 8,31 350 41 38 38 9 8,42 8,65 8,34 400 17,3 16,5 16,3

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan pitch angle 200 No. KecepatanAngin, v Beban, F Putaran Kincir, n

(m/s) ( gram ) (rpm)

1 8,49 8,91 8,67 0 461 440 459 2 8,35 8,67 8,5 50 429 435 422 3 8,81 8,53 8,59 100 398 402 399 4 8,67 8,63 8,8 150 370 366 376 5 8,77 8,24 8,6 200 350 353 349 6 8,63 8,56 8,92 250 328 322 335 7 9,1 8,86 8,48 300 316 314 315

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan pitch angle 200 lanjutan No. KecepatanAngin, v Beban, F Putaran Kincir, n

(m/s) ( gram ) (rpm)

8 8,84 8,74 8,65 350 296 294 297 9 8,58 8,42 8,73 400 278 275 279 10 9,03 8,6 8,39 450 248 238 249 11 8,39 8,32 8,32 500 207 210 204 12 8,24 8,59 8,31 550 180 177 176 13 8,13 8,29 8,49 600 142 144 138 14 8,42 8,65 8,34 650 117 114 116 15 8,2 8,53 8,65 700 88 93 94 16 8,23 8,11 8,14 750 45 47 42 17 8,38 8,41 8,22 800 26 29 30

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan pitch angle sudu 300 No. KecepatanAngin, v Beban, F Putaran Kincir, n

(m/s) (gram) (rpm)

1 8,74 8,49 8,51 0 424 430 423 2 8,67 8,84 8,72 50 412 411 406 3 8,34 8,5 8,56 100 391 389 391 4 8,67 8,54 8,37 150 377 379 379 5 8,89 8,71 8,78 200 364 362 366 6 8,8 8,59 8,84 250 350 349 349 7 8,89 8,77 8,45 300 336 337 339 8 8,63 8,6 8,73 350 311 313 314 9 8,55 8,49 8,6 400 297 297 295 10 8,68 8,61 8,55 450 282 282 280 11 8,47 8,62 8,6 500 266 270 266 12 8,54 8,53 8,54 550 251 248 251 13 8,71 8,7 8,53 650 234 233 231 14 8,52 8,6 8,79 750 204 203 208 15 8,49 8,43 8,43 800 191 193 189 16 8,36 8,36 8,26 850 181 181 180 17 8,54 8,48 8,41 900 173 173 175 18 8,6 8,54 8,49 950 153 152 151 19 8,31 8,47 8,35 1000 139 136 138 20 8,47 8,39 8,2 1050 125 125 128 21 8,57 8,44 8,53 1100 114 116 113

4.2 Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang diambil

dari data tabel. Untuk mempermudah penjelasan semua sampel perhitungan yang

digunakan adalah data terakhir (nomer 9) dari percobaan kincir dengan pitch

angle 100.

4.2.1 Perhitungan daya angin

Untuk perhitungan daya angin dengan luas penampang (swept area) sebesar :

0,5026 m2 dan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,6 m/s. maka daya angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan(4).

= 1

2( . . )

= (1,18 kg/m3 . 0,5026 m2 . (8,47 m/s) )

=180,21 watt

4.2.2 Daya Kincir

Dengan menggunakan Persamaan(7) kita dapat menghitung daya yang

dihasilkan kincir, tetapi untuk menghitung daya kincir diperlukan menghitung

torsi dan kecepatan sudut terlebih dahulu. Untuk mencari torsi dan kecepatan

sudut digunakan Persamaan(5) dan (6).

Untuk menghitung torsi terlebih dahulu dicari gaya pengimbang torsi (F)

dimana gaya pengimbang torsi (F) adalah hasil kali dari beban (gram) dengan

F = m.g

= 0,4 Kg . 9,81 m/s2

= 3,92 N

Setelah diketahui besar gaya pembebanan (F) maka torsi dapat dihitung

dengan Persamaan(5).

T = F.r

= 3,92 N . 0,2 m

= 0,78 N.m

Untuk perhitungan kecepatan sudut (ω) digunakan Persamaan(6), kecepatan

putar poros kincir yang dipakai dalam perhitungan adalah rata-rata dari tiga

pengambilan data kecepatan putar poros kincir pada pembebanan yang sama.

=

30 / = , .

=1,75 rad/s

Setelah torsi dan kecepatan sudut diketahui maka dengan Persamaan(7) bisa

didapatkan daya kincir

Pout= T.ω

= 0,78 N.m . 1,75 rad/s

4.2.3 Tip Speed Ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan

Persamaan(8):

= πrn 30

=

π , . ,

. , / rad/s

=0,083rad/s

4.2.4 Koefisien Daya Kincir

Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan Persamaan(9), untuk

sampel perhitungan koefisien daya kincir adalah sebagai berikut:

= 100%

=

,

, 100%

=0,76%

4.3 Data Hasil Perhitungan

Setelah semua data hasil percobaan dari ketiga pitch angle sudah diperoleh

maka untuk mempermudah perhitungan data dan pembuatan grafik hubungan

digunakan Microsoft excell. Grafik hubungan yang dibuat adalah grafik hubungan

besar torsi yang dihasilkan dan kecepatan putar poros (Gambar 4.1 , 4.4 , 4.7),

Grafik hubungan besar torsi yang dihasilkan dan daya yang dihasilkan kincir

(Gambar 4.3 , 4.6 , 4.9). Berikut adalah Tabel data hasil perhitungan dari

pengambilan data tiap variasi pitch angle.

Tabel 4.4 Data perhitungan kincir dengan pitch angle sudu 100

No. Beban (gram) Putaran kincir, n (rpm) Torsi, T (N.m) Kecepatan Sudut,ω (rad/s) Daya angin,

Pin(watt)

Daya kincir, Pout (watt) Tip speed ratio (TSR) koef. Daya (Cp) (%)

1 0 349,33 0 36,58 205,56 0 1,65 0 2 50 315,67 0,10 33,06 191,28 3,24 1,53 1,69 3 100 264,00 0,20 27,65 201,41 5,42 1,25 2,69 4 150 250,00 0,29 26,18 180,63 7,70 1,23 4,26 5 200 216,00 0,39 22,62 195,29 8,88 1,04 4,54 6 250 183,00 0,49 19,16 193,05 9,40 0,88 4,86 7 300 139,67 0,59 14,63 190,17 8,61 0,67 4,52 8 350 39,00 0,69 4,08 166,32 2,80 0,19 1,68 9 400 16,70 0,78 1,75 180,21 1,37 0,08 0,76

Tabel 4.5 Data perhitungan kincir dengan pitch angle sudu 200

No. Beban (gram) Putaran kincir, n (rpm) Torsi, T (N.m) Kecepatan Sudut,ω (rad/s) Daya angin, Pin (watt) Daya kincir, Pout (watt) Tip speed ratio (TSR) koef. Daya (Cp)

%

1 0 453,33 0 47,47 194,62 0 2,19 0 2 50 428,67 0,10 44,89 182,56 4,40 2,11 2,41 3 100 399,67 0,20 41,85 191,50 8,21 1,94 4,29 4 150 370,67 0,29 38,82 195,29 11,42 1,78 5,85 5 200 350,67 0,39 36,72 184,49 14,41 1,72 7,81 6 250 328,33 0,49 34,38 195,51 16,86 1,58 8,63 7 300 315,00 0,59 32,99 203,02 19,42 1,50 9,56 8 350 295,67 0,69 30,96 198,22 21,26 1,42 10,73 9 400 277,33 0,78 29,04 187,10 22,79 1,35 12,18 10 450 245,00 0,88 25,66 193,50 22,65 1,18 11,71 11 500 207,00 0,98 21,68 172,24 21,27 1,04 12,35 12 550 177,67 1,08 18,61 174,52 20,08 0,89 11,50 13 600 141,33 1,18 14,80 169,78 17,42 0,71 10,26 14 650 115,67 1,28 12,11 180,21 15,45 0,57 8,57 15 700 91,67 1,37 9,60 179,57 13,18 0,45 7,34 16 750 44,67 1,47 4,68 161,13 6,88 0,23 4,27 17 800 28,33 1,57 2,97 171,83 4,66 0,14 2,71

Tabel 4.6 Data perhitungan kincir dengan pitch angle sudu 300 No. Beban (gram) Putaran kincir, n (rpm) Torsi, T (N.m) Kecepatan Sudut,ω (rad/s) Daya angin, Pin (watt) Daya kincir, Pout (watt) tip speed ratio (TSR) Koef. daya (Cp)

% 1 0 425,67 0 44,58 187,32 0 2,08 0 2 50 409,67 0,10 42,90 198,22 4,21 1,96 2,12 3 100 390,33 0,20 40,88 179,99 8,02 1,93 4,46 4 150 378,33 0,29 39,62 183,85 11,66 1,86 6,34 5 200 364,00 0,39 38,12 201,64 14,96 1,73 7,42 6 250 349,33 0,49 36,58 198,22 17,94 1,67 9,05 7 300 337,33 0,59 35,33 195,51 20,79 1,62 10,63 8 350 312,67 0,69 32,74 192,16 22,48 1,51 11,70 9 400 296,33 0,78 31,03 185,14 24,35 1,45 13,15 10 450 281,33 0,88 29,46 189,51 26,01 1,37 13,73 11 500 267,33 0,98 28,00 186,23 27,46 1,31 14,75 12 550 250,00 1,08 26,18 184,49 28,25 1,23 15,31 13 650 232,67 1,28 24,36 191,72 31,07 1,13 16,21 14 750 205,00 1,47 21,47 191,05 31,59 0,99 16,53 15 800 191,00 1,57 20,00 178,93 31,39 0,95 17,55 16 850 180,67 1,67 18,92 171,21 31,55 0,91 18,43 17 900 173,67 1,77 18,19 180,63 32,11 0,86 17,78 18 950 152,00 1,86 15,92 184,93 29,67 0,75 16,04 19 1000 137,67 1,96 14,42 174,31 28,29 0,69 16,23 20 1050 126,00 2,06 13,19 172,86 27,18 0,63 15,72 21 1100 114,33 2,16 11,97 182,99 25,84 0,56 14,12

4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan

Dari data perhitungan yang telah diperoleh dapat disederhanakan dalam

bentuk grafik untuk melihat hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar

(rpm), daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan torsi (N.m), dan koefisien daya

kincir dengan tip speed ratio. Dibawah ini akan disajikan grafik hubungan untuk

Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan

pitch angle 100pada kecepatan angin rerata 8,6 m/s

Grafik 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan pitch

angle 100pada kecepatan angin rerata 8,6 m/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

K ec epa ta n put ar , n (r pm )

Torsi, T (N.m)

P_out= -56,2T2_{+46,19T-0,594}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

D ay a O ut put Po u t (w at t)

Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya dengan Tip Speed Ratio pada kincir dengan pitch angle 100

Seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.1, bahwa semakin besar torsi yang

dihasilkan maka kecepatan putar kincir semakin kecil, atau dengan kata lain

hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir adalah berbanding terbalik.

Kecepatan angin rerata saat pengujian kincir dengan pitch angle 100 adalah sebesar 8,6 m/s, dengan kecepatan angin tersebut dapat menghasilkan kecepatan

putar kincir maksimal sebesar 349,33 rpm saat tanpa pembebanan. Kincir masih

dapat berputar dan menghasilkan torsi 0,78 N.m pada kecepatan putar kincir 16,7

rpm.

Gambar 4.2 memperlihatkan bahwa besar daya kincir (Pout) berbanding lurus

dengan torsi hingga mencapai titik maksimal daya kincir (Pout). Setelah melewati

titik maksimal dari daya kincir (Pout) hubungan daya kincir dengan torsi menjadi

berbanding terbalik. Dari Grafik 4.2 diketahui persamaan pendekatan kuadrat

Pout= -56,2T2+46,19T-0,594, dari persamaan tersebut dapat dicari daya kincir

maksimal dan torsi optimalnya. Daya kincir maksimal yang didapat dari

C_p= -7,076TSR2_{+ 11,93TSR -0,273}

0 1 2 3 4 5 6

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

K oe fi si en da y a, C p

persamaan tersebut sebesar 8,89 watt pada torsi optimal 0,41 N.m pada kecepatan

angin rerata 8,6 m/s.

Dari Gambar grafik 4.3 didapatkan persamaan kuadrat Cp = -7,076TSR2 +

11,93TSR -0,273. Dengan menggunakan persamaan kuadrat tersebut dapat dicari

koefisien daya maksimal dan tip speed ratio optimal. Koefisien daya maksimal

yang didapat dari persamaan kuadrat tersebut sebesar 4,75 % pada tip speed ratio

optimal 0,83.

Gambar 4.4 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan

pitch angle 200pada kecepatan angin rerata 8,53 m/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 0,5 1 1,5 2

K ec epa ta n put ar , n (r pm )

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan pitch

angle 200pada kecepatan angin rerata 8,53 m/s

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio pada kincir dengan pitch angle 200

Dari gambar 3.4 dapat dilihat bahwa hubungan torsi dan kecepatan putar

kincir pada variasi pitch angle 200 seperti hubungan torsi dan kecepatan putar kincir pada variasi pitch angle 100yaitu semakin besar torsi yang dihasilkan maka

P_out= -32,53T2_{+ 54,35T - 0,961}

0 5 10 15 20 25

0 0,5 1 1,5 2

D ay a out put , Po u t (w at t)

Torsi, T (N.m)

C_p= -9,925TSR2_{+ 21,74TSR - 0,217}

0 2 4 6 8 10 12 14

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

K oe fi si en da y a (C p)

kecepatan putar kincir semakin kecil, atau dengan kata lain hubungan torsi dengan

kecepatan putar kincir adalah berbanding terbalik. Kecepatan angin rerata saat

pengujian kincir dengan pitch angle 200 adalah sebesar 8,53 m/s, dengan kecepatan angin tersebut dapat menghasilkan kecepatan putar kincir sebesar

453,33 rpm saat keadaan tanpa beban dan kincir masih dapat berputar dan

menghasilkan torsi sebesar 1,57 N.m pada kecepatan putar kincir sebesar 28,33

rpm.

Grafik yang dihasilkan pada Gambar 4.5 memiliki bentuk yang sama dengan

grafik dari Gambar 4.2 hanya daya output yang dihasilkan pada Gambar 4.5 lebih

tinggi dibandingkan daya output pada Gambar 4.2. Dari grafik pada Gambar 4.5

memperlihatkan bahwa hubungan antara besar daya kincir berbanding lurus

dengan torsi hingga mencapai titik maksimal daya kincir dan setelah melewati

titik maksimal, daya output yang dihasilkan menurun atau hubungan daya kincir

dan torsi berbanding terbalik. Kecepatan rata-rata saat pengujian kincir angin

dengan pitch angle 200 adalah sebesar 8,53 m/s dan dari persamaan pendekatan kuadrat Pout = -32,53T2 + 54,35T - 0,961 dapat diketahui daya kincir maksimal

sebesar 21,73 watt pada torsi optimal sebesar 0,83 N.m.

Dari Gambar 4.6 didapatkan persamaan pendekatan kuadrat Cp= -9,925TSR2

+ 21,74TSR - 0,217. Dari persamaan kuadrat tersebut dapat dihitung untuk

mencari koefisien daya maksimal dan tip speed ratio optimal. Dari persamaan

pendekatan kuadrat tersebut diperoleh koefisien daya maksimal sebesar 11,68%

Gambar 4.7 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar pada kincir dengan

pitch angle 300pada kecepatan angin rerata 8,56 m/s

Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada kincir dengan pitch

angle 300pada kecepatan angin rerata 8,56 m/s2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 0,5 1 1,5 2 2,5

K ec epa ta n put ar , n (r pm )

Torsi, T (N.m)

P_out= -13,80T2_{+ 41,54T + 0,421}

0 5 10 15 20 25 30 35

0 0,5 1 1,5 2 2,5

D ay a out put , Po u t (w at t)

Gambar 4.9 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio pada kincir dengan pitch angle 300

Pola Grafik pada Gambar 4.7 sama seperti pola Grafik pada gambar 4.1 dan

4.4 dimana menunjukan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka

kecepatan putar kincir semakin kecil, atau hubungan torsi dengan kecepatan putar

kincir adalah berbanding terbalik. Kecepatan angin rerata saat pengujian kincir

dengan pitch angle 300adalah sebesar 8,52 m/s, dengan kecepatan angin tersebut dapat menghasilkan kecepatan putar kincir maksimal sebesar 425,67 rpm saat

tanpa pembebanan, dan kincir masih berputar dan menghasilkan torsi 2,16 N.m

pada kecepatan putar kincir 114,33 rpm.

Grafik pada Gambar 4.8 memperlihatkan bahwa daya kincir berbanding lurus

dengan torsi hingga mencapai titik maksimal dari daya kincir. Setelah melewati

titik maksimal dari daya kincir hubungan besar daya kincir dengan torsi menjadi

berbanding terbalik. Saat pengambilan data kecepatan rata-rata adalah sebesar

C_p= -12,78TSR2_{+ 23,43TSR + 6,098}

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

K oe fi si en da y a (C p)

8,52 m/s dan dari persamaan pendekatan kuadrat Pout= -13,80T2+ 41,54T + 0,421

dapat dicari daya kincir maksimal dan torsi optimalnya. Daya kincir maksimal

yang dihasilkan dari persamaan pendekatan kuadrat tersebut sebesar 31,68 watt

dan terjadi pada torsi optimal 1,5 N.m.

Gambar 4.9 memperlihatkan hubungan koefisien daya dan tip speed ratio dari

model kincir angin dengan pitch angle 300. Dari Gambar grafik 4.9 dihasilkan persamaan kuadrat Cp = -12,78TSR2 + 23,43TSR + 6,098. Dari persamaan

kuadrat tersebut dapat digunakan untuk menentukan koefisien daya maksimal dan

tip speed ratio optimal. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan berdasarkan

persamaan tersebut sebesar 16,87 % pada tip speed ratio optimal 0,92.

4.5 Grafik Cp-TSR Untuk Tiga Variasi Percobaan

Dari perhitungan data dapat disimpulkan bahwa setiap variasi pitch angle

memiliki unjuk kerja yang berbeda. Grafik koefisien daya dan tip speed ratio

Grafik 4.10 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk 3 model

kincir angin yang diteliti.

Dari grafik 4.10 menunjukan bahwa hubungan koefisien daya dan tip speed

ratio terbesar pada variasi pitch angle 300 dengan koefisien daya maksimal sebesar 16,87% pada tip speed ratio optimal 0,92. Kincir angin dengan pitch

angle 300 adalah kincir angin terbaik dibandingkan dengan kincir angin dengan

pitch angle 100dan 200.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

K

oe

fi

si

en da

y

a,

(C

p)

44

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari pengujian kincir angin American multi-blade sebelas sudu berbahan

aluminium dengan tiga variasi pitch angle diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Telah berhasil dibuat model kincir angin American multi-blade sebelas sudu

dengan bahan sudu aluminium berdiameter 80 cm dengan pitch angle 100,200 dan 300dan sudah digunakan dalam penelitian.

2. Model kincir angin dengan pitch angle 100 menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 4,75% pada tip speed ratio optimal 0,83. Model kincir

angin dengan pitch angle 200menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,68% pada tip speed ratio optimal 1,09. Model kincir angin dengan pitch

angle 300 menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,87% pada tip

speed ratio optimal 0,92.

3. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar nilai pitch angle

sudu maka koefisien daya yang dihasilkan pun semakin besar. Model kincir

dengan pitch angle 300 merupakan model terbaik dibandingkan dengan model-model lainnya, yakni menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar

5.2 Saran

Setelah melakukan penelitian ini maka peneliti memiliki saran untuk

penelitian berikutnya yaitu sebagai berikut:

1. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi pitch angle yang lebih besar,

karena dimungkinkan koefisien daya yang dihasilkan masih bisa bertambah.

2. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi penambahan kerapatan jumlah

sudu yang lebih banyak.

3. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi bahan sudunya. Karena

kehalusan permukaan dan berat sudu dimungkinkan akan berpengaruh pada

unjuk kerja yang dihasilkan.

4. Saat pengambilan data diusahakan mencatat data ketika kecepatan angin

mendekati rata-rata kecepatan angin yang diinginkan agar hasil perhitungan

DAFTAR PUSTAKA

Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan.

Pudjanarsa, A., dan Nursuhud, D,. 2008. Mesin Konversi Energi. Andi offset, Yogyakarta.

Sastrowijoyo, F. 2008. Energi angin dan potensinya. Alamat web:

http://konversi.wordpress.com. Diakses : 15 Mei 2015.

Sutrisna, F. 2011. Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Alamat web:

LAMPIRAN

Mesin penekuk plat

Motor listrik pada blower

44

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari pengujian kincir angin American multi-blade sebelas sudu berbahan aluminium dengan tiga variasi pitch angle diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Telah berhasil dibuat model kincir angin American multi-blade sebelas sudu dengan bahan sudu aluminium berdiameter 80 cm dengan pitch angle 100,200 dan 300dan sudah digunakan dalam penelitian.

2. Model kincir angin dengan pitch angle 100 menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 4,75% pada tip speed ratio optimal 0,83. Model kincir angin dengan pitch angle 200menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,68% pada tip speed ratio optimal 1,09. Model kincir angin dengan pitch angle 300 menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,87% pada tip speed ratio optimal 0,92.

3. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar nilai pitch angle sudu maka koefisien daya yang dihasilkan pun semakin besar. Model kincir dengan pitch angle 300 merupakan model terbaik dibandingkan dengan model-model lainnya, yakni menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,87% dan terjadi pada tip speed ratio optimal 0,92.

5.2 Saran

Setelah melakukan penelitian ini maka peneliti memiliki saran untuk penelitian berikutnya yaitu sebagai berikut:

1. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi pitch angle yang lebih besar, karena dimungkinkan koefisien daya yang dihasilkan masih bisa bertambah. 2. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi penambahan kerapatan jumlah

sudu yang lebih banyak.

3. Meneliti model kincir angin ini dengan variasi bahan sudunya. Karena kehalusan permukaan dan berat sudu dimungkinkan akan berpengaruh pada unjuk kerja yang dihasilkan.

4. Saat pengambilan data diusahakan mencatat data ketika kecepatan angin mendekati rata-rata kecepatan angin yang diinginkan agar hasil perhitungan lebih rapih.

DAFTAR PUSTAKA

Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan.

Pudjanarsa, A., dan Nursuhud, D,. 2008. Mesin Konversi Energi. Andi offset, Yogyakarta.

Sastrowijoyo, F. 2008. Energi angin dan potensinya. Alamat web: http://konversi.wordpress.com. Diakses : 15 Mei 2015.

Sutrisna, F. 2011. Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Alamat web: https://indone5ia.wordpress.com/. Diakses: 15 Mei 2015.

LAMPIRAN

Mesin penekuk plat

Motor listrik pada blower