Unjuk kerja kincir angin poros vertikal dengan empat sudu yang dapat membuka dan menutup secara otomatis dengan variasi diameter - USD Repository

  

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN

EMPAT SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA

OTOMATIS DENGAN VARIASI DIAMETER

Tugas Akhir

  

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Program Studi Teknik Mesin

  

Oleh:

Stefanus Andryanto Eko Prabowo

NIM: 095214071

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

PERFORMANCE WINDMILL MODEL WITH FOUR BLADES THAT

OPEN AND CLOSE AUTOMATICALLY

WITH VARIATIONS IN DIAMETER

Final Project

  

Presented as fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree in

Mechanical Engineering Study Programme

  

By:

Stefanus Andryanto Eko Prabowo

Student Number: 095214071

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2011

  

UNJUK KERJA MODEL KINCIR POROS VERTIKAL DENGAN EMPAT

SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA OTOMATIS

DENGAN VARIASI DIAMETER

Disusun oleh:

Nama: Stefanus Andryanto E P

  

NIM: 095214070

Telah Disetujui Oleh:

Pembimbing Utama:

  

Ir. Rines, M.T.

  

TUGAS AKHIR

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN

EMPAT SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA

OTOMATIS DENGAN VARIASI DIAMETER

Dipersiapkan dan disusun oleh:

  

S. Andryanto Eko P

NIM: 095214071

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji

pada tanggal 11 Februari 2011

  

Susunan Dewan Penguji:

Nama Lengkap Tanda tangan Ketua : D Doddy Purwadianto, S.T., M.T …………… Sekretaris : Ir. Yohanes Baptista Lukiyanto, M.T.

  …………… Anggota : Ir. Rines, M.T. ...

  …………

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk

memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 23 Februari 2011

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

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang saya

tulis ini, tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah

disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

  Surakarta, 09 Februari 2011 Penulis Stefanus Andryanto E P

  

INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi, daya kincir,

koefisien daya dan tip speed ratio (tsr) pada model kincir angin poros vertikal

dengan empat sudu yang membuka dan menutup secara otomatis.

  Ukuran diameter kincir dibuat dengan dua variasi, yaitu 70 cm dan 100

cm. Sedangkan ukuran lebar sudu model kincir angin sebesar 40 cm saat

membuka maksimal. Untuk mengukur dan mengetahui torsi, daya kincir,

koefisien daya dan tip speed ratio, kincir dihubungkan ke generator yang

tersambung ke rangkaian lampu yang berfungsi sebagai variasi beban. Besarnya

beban pengimbang torsi diukur dengan neraca pegas, tachometer berfungsi untuk

mengukur besarnya putaran poros kincir, sedangkan untuk mengukur kecepatan

angin menggunakan anemometer.

  Daya kincir maksimal sebesar 3,8 watt didapatkan pada kincir dengan

diameter 100 cm saat kecepatan angin 6,71 m/s dan menghasilkan torsi sebesar

0,69 Nm. Sedangkan koefisien daya maksimal juga didapatkan dari kincir dengan

diameter 100 cm sebesar 5,24 % saat tsr sebesar 0,41.

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

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan

karuniaNya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir ini

sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 untuk program

studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Judul dari Tugas Akhir ini adalah “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros

Vertikal Dengan Empat Sudu yang Membuka dan Menutup Secara Otomatis

  Dengan Variasi Diameter”.

  Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan

dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin berterima kasih

kepada: 1.

  Rm Andreas Sugijopranoto SJ, Direktur utama ATMI Surakarta.

  2. Rm JB Clay Pareira SJ, Pudir 2 ATMI Surakarta.

  3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi.

  Universitas Sanata Dharma.

  4. Budi Sugiharto, S.T, M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  5. Ir. Rines, M.T., Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

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

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

  8. Semua rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin.

9. Semua pihak yang telah membantu atas terselesainya Tugas Akhir ini yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari bahwa naskah ini jauh dari sempurna, maka segala kritik dan saran yang membangun akan penulis terima.

  Semoga naskah Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa Teknik

Mesin dan pembaca lainnya. Penulis juga memohon maaf jika ada penulisan

dalam naskah ini yang salah, terima kasih. Surakarta, 9 Februari 2011

  

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 ........................................................................................................................ 1

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

  1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................... 2

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

  1.4 Tujuan Tugas Akhir .................................................................................. 2

  1.5 Manfaat Tugas Akhir ................................................................................ 3

  

Bab II ...................................................................................................................... 4

  2.1 Konsep Dasar Angin ................................................................................. 4

  2.3 Gaya Drag dan Lift ................................................................................... 7

  2.4 Rumus Perhitungan ................................................................................... 7

  

Bab III .................................................................................................................. 12

  3.1 Peralatan dan Bahan ............................................................................... 12

  3.2 Variabel Penelian .................................................................................... 18

  3.3 Variabel yang Diukur ............................................................................. 18

  3.4 Parameter yang Dihitung ........................................................................ 19

  3.5 Langkah Penelitian ................................................................................. 20

  

Bab IV .................................................................................................................. 22

  4.1 Data Penelitian ....................................................................................... 22

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

  4.3 Hasil dan Pembahasan ........................................................................... 30

  4.4 Pembahasan ........................................................................................... 42

  

Bab V .................................................................................................................... 44

  5.1 Kesimpulan ............................................................................................ 44

  5.2 Saran ..................................................................................................... 45

Daftar Pustaka ........................................................................................................ 46

Lampiran ................................................................................................................ 47

Gambar Kerja ........................................................................................................ 58

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Peta potensi angin Indonesia .............................................................. 5Gambar 2.2. Kincir angin poros vertikal ................................................................. 6Gambar 3.1. Kincir angin ...................................................................................... 12Gambar 3.2. Handle shaft...................................................................................... 13Gambar 3.3. Blade................................................................................................. 13Gambar 3.4. Support ............................................................................................. 14Gambar 3.5. Wind tunnel ...................................................................................... 15Gambar 3.6. Fan blower ........................................................................................ 15Gambar 3.7. Anemometer ..................................................................................... 16Gambar 3.8. Stopwatch ......................................................................................... 16Gambar 3.9. Neraca pegas .................................................................................... 16Gambar 3.10. Rangakian beban lampu ................................................................. 17Gambar 3.11. Generator ........................................................................................ 17Gambar 3.12. Tachometer ..................................................................................... 18Gambar 3.13. Pengambilan data torsi ................................................................... 19Gambar 3.14. Setting anemometer ........................................................................ 17Gambar 4.1. Grafik Betz limit................................................................................ 31

  2 Gambar 4.2. Grafik hubungan terhadap n/v, untuk diameter kincir F.n/(ρ.v )

  

70 cm ..................................................................................................................... 34

  2 Gambar 4.3. Grafik hubungan ) terhadap n/v, untuk diameter kincir F.n/(ρ.v

  

100 cm ................................................................................................................... 34

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara terhadap tsr untuk 2 model kincir ........ 40

  p

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara putaran poros- torsi- daya kincir, untuk diameter kincir 70 cm............................................................................................ 42Gambar 4.6. Grafik hubungan antara putaran poros- torsi- daya kincir, untuk diameter kincir 100 cm.......................................................................................... 42

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 70 cm ............................. 23Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 100 cm ........................... 24

  2 Tabel 4.3 Perhitungan F/ ) dan n/v kincir angin diameter 70 cm .................. 35 (ρxv

  2 Tabel 4.4 Perhitungan F/ ) dan n/v kincir angin diameter 100 cm ................ 36 (ρxv

  2 ) terhadap n/v kincir model dengan Tabel L1. Data perhitungan hubungan F/(ρxv

diameter 70 cm ...................................................................................................... 48

  2 ) terhadap n/v kincir model dengan Tabel L2. Data perhitungan hubungan F/(ρxv

diameter 100 cm .................................................................................................... 50

Tabel L3. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 70 cm, saat

kecepatan angin 6,84 m/s ...................................................................................... 52

Tabel L4. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 70 cm, saat

kecepatan angin 6,64 m/s ...................................................................................... 53

Tabel L5. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 70 cm, saat

kecepatan angin 6,06 m/s ...................................................................................... 54

Tabel L6. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 70 cm, saat

kecepatan angin 5,46 m/s ...................................................................................... 55

Tabel L7. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 100 cm, saat

kecepatan angin 6,71 m/s ...................................................................................... 56

Tabel L8. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 100 cm, saat

kecepatan angin 6,58 m/s ...................................................................................... 56

Tabel L9. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 100 cm, saat

kecepatan angin 5,88 m/s ...................................................................................... 56

Tabel L10. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 100 cm, saat

  

Tabel L11. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 100 cm, saat

kecepatan angin 5,14 m/s ...................................................................................... 57

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH

  Energi fosil khususnya minyak bumi dan batu bara adalah sumber energi

utama dan sumber devisa negara. Salah satu penggunaannya adalah sebagai

pembangkit listrik. Energi Fosil merupakan energi yang tidak terbarukan (non

renewable energy). Dimana cadangan energi fosil Indonesia jumlahnya tidak tak

terbatas, yang akan habis pada suatu saat nanti. Padahal kebutuhan energi terus

meningkat sejalan pertumbuhan ekonomi dan penduduk. Pemakaian energi fosil

juga akan menyebabkan pemanasan global akibat sisa pembakarannya yang

berupa gas CO dan CO .

2 Maka perlu adanya energi alternative yang terbarukan (renewable energy)

  

dan ramah lingkungan sebagai sumber energi baru. Dari beberapa energi yang

terbarukan, salah satunya adalah energi angin.

  Pemanfaatan tenaga angin di Indonesia belum begitu optimal, walaupun di

beberapa daerah sudah mampu memanfaatkan tenaga angin sebagai pembangkit

listrik, penggerak pompa, namun penerapannya belum bisa dibilang efektif. Maka

diperlukan sebuah mekanisme untuk merubah energi angin menjadi energi yang

tepat guna, salah satunya adalah listrik. Kincir angin adalah salah satu mekanisme

yang dapat digunakan untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik.

  Tugas Akhir ini merupakan unjuk kerja kincir angin poros vertikal dengan

  

Desain kincir angin dibuat sesederhana mungkin agar nanti setiap orang dapat

mengaplikasikan Tugas Akhir ini.

  1.2 RUMUSAN MASALAH Dalam tugas akhir ini kincir model di uji di dalam terowongan angin yang

tersedia di Universitas Sanata Dharma. Dalam proses uji tersebut diharapakan

dapat memperoleh data yang dihasilkan dari unjuk kerja kincir 4 sudu dengan

variasi diameter.

  1.3 BATASAN MASALAH Untuk memfokuskan pembahasan, maka dalam tugas akhir ini diberi batasan masalah sebagai berikut :

  1. Kincir model yang digunakan adalah kincir poros vertikal dengan 4 sudu yang membuka dan menutup secara otomatis.

  2. Diameter maksimal kincir adalah 1 meter, menyesuaikan dengan lebar terowongan angin Universitas Sanata Dharma.

  3. Jumlah sudu kincir adalah empat.

  4. Variasi dilakukan pada diameter 70 cm dan 100 cm.

1.4 TUJUAN TUGAS AKHIR

  Tujuan dari tugas akhir ini adalah: 1.

  Membuat kincir angin tipe poros vertikal 4 sudu yang membuka dan menutup secara otomatis dengan variasi diameter.

  2. Menentukan hubungan antara daya kincir dan torsi dinamis untuk variasi kecepatan antara 5 m/s sampai dengan 7 m/s untuk 2 variasi diameter

3. Menentukan hubungan antara koefisien daya (power coefficient) dan tsr untuk tiga variasi diameter kincir.

1.5 MANFAAT TUGAS AKHIR

  Adapun manfaat dari tugas ini adalah: 1.

  Pengembangan teknologi tepat guna.

2. Dapat membantu masyarakat terutama di daerah pedesaan untuk pemberdayaan teknologi tepat guna.

BAB II DASAR TEORI 2.1 Konsep Dasar Angin. Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan

  juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah.

  Kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya letak tempat

dimana kecepatan angin di dekatlebih cepat dari yang jauh dari garis

khatulistiwa. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup,

hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di

permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya

memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempat, gaya gesekan

ini semakin kecil.

  Arah angin ditunjukan oleh arah dari mana angin berasal. Misalnya, angin

utara bertiup dari utara ke selatan. Di bandara, windsocks digunakan untuk

menunjukkan arah angin, tetapi juga dapat digunakan untuk memperkirakan

kecepatan angin dengan sudut gantungnya. Kecepatan angin biasanya diukur

dengan anemometer.

  Gambar2.1 Peta potensi angin Indonesia (sumber:

  6 November 2008)

  Indonesia seperti kebanyakan negara tropis, memiliki potensi angin yang

rendah. Dari Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa potensi angin terbesar di Indonesia

terletak di kepulauan Sumba, Sumbawa, Lombok dan Bali, yaitu sebesar 4,6

• – 6 m/s.

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 juga dapat digunakan untuk menghasilkan

energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. (sumber:

  Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibagi menjadi 2 yaitu kincir

angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Sedangkan tugas akhir ini

adalah pengembangan dari kincir angin poros vertikal.

Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal

  (sumber :

  Kincir angin poros vertikal seperti pada Gambar 2.2 memiliki keunggulan

diantaranya tidak harus mengubah posisinya jika arah angin berubah, kincir angin

poros vertikal juga memiliki kecepatan awal yang lebih rendah dibandingkan

dengan kincir angin poros horizontal, sehingga cocok untuk digunakan untuk

daerah yang memiliki potensi angin yang rendah seperti Indonesia. Namun kincir

angin poros vertikal juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya kebanyakan

kincir angin jenis ini membutuhkan energi awalan untuk mulai berputar. (sumber:

  2.3 Gaya Drag dan Lift.

  Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut hambatan fluida atau hambatan seret) adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. (sumber:

  Sedangkan gaya lift (gaya angkat) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang. Dalam teknologi pesawat terbang, gaya lift didapatkan dari desain sayap pesawat terbang yang menyebabkan tekanan udara yang berada di bawah permukaan sayap lebih besar daripada tekanan udara di atas permukaan sayap.

  2.4 Rumus Perhitungan.

  Berikut ini adalah beberapa rumus perhitungan yang mendukung analisa unjuk kerja kincir angin

2.4.1 Energi angin.

  Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut 2

= 0,5.

  (1) . yang dalam hal ini: : Energi kinetic, Joule : massa udara, kg : kecepatan angin, m/s Sedangkan daya adalah energi per satuan waktu, maka dari persamaan (1) dapat dituliskan:

  

= 0,5.

  .

  2 (2) yang dalam hal ini:

  : daya angin, watt : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu, kg/s : massa jenis udara, kg/m

  3 dimana: = . .

  (3) yang dalam hal ini:

: luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh kincir, m

  2 Dengan menggunakan persamaan (3), maka daya angin ( ) dapat dirumuskan menjadi: = 0,5.

  . . .

  2

, disederhanakan menjadi: Bila diasumsikan besarnya massa jenis udara ( ) adalah 1,2 kg/m

  3 , maka dari persamaan (4) dapat disederhanakan menjadi:

  

= 0,6.

  .

  3 (5) 2.4.2 Perhitungan torsi dan daya.

  Salah satu tujuan dari tugas akhir ini adalah menentukan hubungan antara daya kincir dan torsi dinamis.

2.4.2.1 Torsi

  Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Yang dapat dirumuskan sebagai berikut: = .

  (6) yang dalam hal ini: : torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros, Nm : gaya pada poros akibat puntiran, N : jarak lengan ke poros, m

2.4.2.2 Daya kincir

  Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai berikut: (7) = . yang dalam hal ini: : torsi dinamis, Nm

  : kecepatan sudut, rad/s Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut ( ) dirumuskan sebagai:

  

2

(8) =

  

60

Maka besarnya daya kincir berdasarkan persamaan (7) dapat dinyatakan dengan: = .

  2 = .

  60 (9) =

  30

  yang dalam hal ini: : daya poros kincir angin, watt : putaran poros setiap menit, rpm

  2.4.3 Tip speed ratio Tip speed ratio (tsr) adalah perbadingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin, dapat dirumuskan dengan: =

  

2

  60 (10) yang dalam hal ini: : jari-jari kincir, m

  : putaran poros kincir tiap menit, rpm : kecepatan angin, m/s

  2.4.4 Koefisien daya (Cp) Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir ( ) dengan daya yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat

dirumuskan sebagai berikut: =

  . 100% (11) yang dalam hal ini: : koefisien daya, %

  : daya yang dihasilkan oleh kincir, watt : daya yang dihasilkan oleh angin, watt

BAB III METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma selama 2 hari, mulai tanggal 22 Januari 2011 hingga tanggal 23 Januari 2011. Pengambilan data dilakukan dari pukul 08.00 hingga pukul 24.00.

3.1 Peralatan dan Bahan

Gambar 3.1 Kincir angin model

  Kincir angin model tugas akhir yang dapat dilihat pada Gambar 3.1 memiliki 3 bagian utama, yaitu:

1. Handle Shaft

  Handle shaft seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.2 merupakan bagian yang berfungsi sebagai poros utama, sekaligus komponen tempat sudu berada. Kesentrisan komponen ini sangat penting, karena akan mempengaruhi efisiensi kerja kincir angin. Pada komponen ini terdapat stopper pin yang berfungsi membatasi sudut o o buka sebesar 85 dan sudut tutup sudu sebesar 5 .

Gambar 3.2 Handle shaft 2.

   Blade Blade seperti dapat dilihat pada gambar 3.3, adalah komponen kincir yang berfungsi untuk menangkap angin. Komponen ini didisain agar dapat membuka dan menutup secara otomatis. Pada komponen ini saat unjuk kerja akan divariasikan menjadi 2 variasi diameter kincir.

3. Support

  Suppor t seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.4, merupakan komponen pendukung kincir yang dirancang ini. Komponen ini juga merangkap sebagai support untuk komponen blade. Pada komponen ini juga terdapat blade stopper yang berfungsi sebagai limit maksimal dan minimal sudu kincir dapat membuka dan menutup.

Gambar 3.4 Support Sedangkan peralatan yang mendukung dalam pengambilan data antara

  lain: 1.

   Wind tunnel Dapat dilihat pada Gambar 3.5, wind tunnel berfungsi untuk menangkap angin yang dihisap oleh fan blower. Sekaligus menjadi tempat untuk pengujian kincir.

  2. Fan blower

Gambar 3.6 adalah fan blower dengan daya motor 5,5 KW yang berfungsi untuk menghisap angin melalui wind tunnel.

  3. Anemometer Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan angin yang ada di

Gambar 3.5 Wind tunnelGambar 3.6 Fan blower

  4. Stopwatch Stopwatch, seperti Gambar 3.8 digunakan untuk mencatat waktu saat pengambilan data kincir angin.

  5. Neraca pegas Neraca pegas yang ditunjukan pada Gambar 3.9 digunakan untuk mengukur beban pengimbang torsi dinamis.

Gambar 3.7 AnemometerGambar 3.8 Stopwatch

6. Rangkaian beban lampu

  Rangkaian lampu seperti pada Gambar 3.10 berfungsi untuk memberikan variasi beban dalam menguji kincir angin.

Gambar 3.10 Rangkaian beban lampu 7.

   Generator Generator seperti dapat dilihat pada Gambar 3.11 dihubungkan dengan rangkaian beban lampu, yang nantinya berfungsi sebagai penghambat/ pengerem putaran kincir dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.

8. Tachometer

  Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan putaran kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Tachometer yang dipakai ditunjukan pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12 Tachometer

3.2 Variabel Penelitian

  Beberapa variable penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian adalah:

  1. Variasi ukuran diameter kincir adalah: 70 cm, 100 cm.

  2. Variasi kecepatan angin dalam penelitian adalah: 5 m/s hingga 7 m/s.

3.3 Variabel yang Diukur

  Variable yang diukur yang sesuai dengan tujuan dari penelitian ini adalah: 1.

  Kecepatan angin ( ) 2. Putaran kincir/ poros ( ) 3. Gaya pengimbang torsi (F)

3.4 Parameter yang Dihitung

  Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin adalah: 1. ) Daya angin ( 2. ) Daya kincir ( 3. ) Koefisien daya ( 4.

  Tip speed ratio ( ) Langkah pertama dalam pengambilan data penelitian adalah memposisikan

kincir angin seperti Gambar 3.13. Sambungkan kincir angin dengan transmisi

sabuk yang berada dibawah wind tunnel.

Gambar 3.13 Pengambilan data torsi

3.5 Langkah Penelitian

  Pengambilan data torsi dinamis dan daya kincir dilakukan secara bersamaan.

  Saat pengambilan data torsi dinamis, hal-hal yang perlu dilakukan adalah: 1.

  Memasang neraca pegas pada tempat yang ditentukan.

  2. Memasang tali yang dihubungkan antara neraca pegas dengan lengan pada generator.

  3. Memposisikan anemometer seperti Gambar 3.14 untuk mengukur kecepatan angin di dalam wind tunnel.

Gambar 3.14 Setting anemometer 4.

  Menghubungkan generator ke rangkaian lampu, yang nantinya berfungsi sebagai rem/ penghambat.

  5. Rangkaian lampu diposisikan pada posisi saklar off semua terlebih

dahulu, pengujian dilakukan hingga 4 variasi beban lampu.

  6. Jika sudah siap, nyalakan blower untuk menghembuskan angin pada merubah jarak blower terhadap wind tunnel untuk menentukan variasi

angin mulai dari 7 m/s hingga 5 m/s, mulai dari yang tercepat.

  7. Bila kecepatan angin sudah sesuai dengan yang diinginkan, maka pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa pengimbang yang terukur pada neraca pegas.

  8. Mengukur putaran poros dengan tachometer yang diarahkan pada pulley besar.

  9. Hasil dari pengamatan kemudian dicatat.

  10. Ulangi langkah 5 hingga 9, untuk 4 hingga 5 variasi kecepatan, dan 2 variasi diameter kincir.

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

  4.1.1 Data penelitian kincir dengan diameter 70 cm Data penelitian diperoleh dari pengambilan data torsi pada kincir angin

diameter 70 cm. Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan angin mulai dari

yang tertinggi yaitu sekitar 7 m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir

berhenti berputar. Pembebanan variatif menggunakan rangkaian lampu, mulai dari

0 atau tidak ada pembebanan hingga 4 lampu. Dari penelitian didapatkan data

yang dapat dilihat pada Tabel 4.1.

  4.1.2 Data penelitian kincir dengan diameter 100 cm Proses penelitian sama seperti pengujian kincir dengan diameter 70 cm.

  Dari penelitian diperoleh data yang tampak pada Tabel

  4.2

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 70 cm.

  33.02 5.97 200

  36.03 6.1 180

  35.16 5.97 180

  34.58 5.46 140

  19.13 5.51 140

  18.93 5.41 140

  18.2 6.76 240

  42.87 6.57 240

  42.91 6.6 240

  43.4 6.84 230

  45.26 6.78 230

  45.42 6.92 230

  45.1 6.1 200

  30.24 6.1 200

  31.19 5.46 150

  (m/s) beban (gram) Putaran (rpm)

  16.33 5.51 150

  12.11 5.41 150

  14.71 6.76 270

  39.89 6.57 270

  39.7 6.6 240

  39.26 6.84 260

  42.36 6.78 260

  41.01 6.92 260

  42.03 6.1 220

  26.27 6.1 220

  26.2 5.97 220

  25.41 5.46 170

  9.42 5.51 170

  10.52 5.41 170

  6.1 180

  50.85

  (m/s) beban (gram) Putaran (rpm)

  52.08 6.57 180

  6.76 140

  61.49 6.57 140

  61.13 6.6 140

  64.3 6.84 140

  64.68 6.78 140

  63.43 6.92 140

  64.87 6.1 110

  46.95 6.1 110

  51.6 5.97 110

  51.8 5.46 100

  34.37 5.51 100

  34.86 5.41 100

  37.04 6.76 180

  51.99 6.6 180

  52.12 6.92 200

  51.37 6.84 190

  54.49 6.78 190

  55.75 6.92 190

  54.95 6.1 150

  39.9 6.1 150

  39.45 5.97 150

  40.07 5.46 130

  25.75 5.51 130

  27.64 5.41 130

  27.16 6.76 210

  49.53 6.57 210

  47.06 6.6 210

  47.72 6.84 200

  50.61 6.78 200

  13.31

Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 100 cm.

  54.67 6.68 330

  40.65 5.87 310

  39.67 5.85 310

  49.02 5.91 310

  50.23 6.63 330

  51.28 6.52 330

  56.35 6.6 330

  53.75 6.74 330

  35.91 5.48 290

  31.52 6.71 330

  31.32 5.11 240

  31.4 5.11 240

  37.64 5.19 240

  37.63 5.52 250

  39.23 5.48 250

  42.74 5.6 250

  39.62 5.6 290

  36.14 5.52 290

  (m/s) Beban (gram) Putaran (rpm)

  49.86 5.91 340

  28.52 5.11 310

  33.31 5.19 310

  34.38 5.52 310

  34.4 5.48 310

  37.55 5.6 310

  38.2 5.87 340

  37.68 5.85 340

  48.84 6.63 370

  37.06 5.19 290

  47.62 6.52 370

  51.19 6.6 370

  52 6.68 350

  52.84 6.74 350

  29.27 6.71 350

  28.43 5.11 290

  29.92 5.11 290

  5.87 270

  52.93

  (m/s) Beban (gram) Putaran (rpm)

  49.48 5.87 160

  36.6 5.11 150

  37.1 5.11 150

  44.96 5.19 150

  45.91 5.52 160

  47.49 5.48 160

  51.64 5.6 160

  51.24 5.85 160

  63.46 6.74 230

  61.99 5.91 160

  60.13 6.63 160

  62.12 6.52 160

  64.94 6.6 160

  67.02 6.68 160

  66.25 6.74 160

  6.71 160

  35.71 6.71 230

  63.01 6.68 230

  53.16 6.63 280

  39.53 5.19 210

  53.9 6.52 280

  58.06 6.6 280

  57.02 6.68 280

  59.8 6.74 280

  32.07 6.71 280

  33.21 5.11 210

  33.69 5.11 210

  40.09 5.52 220

  61.85 6.6 230

  40.97 5.48 220

  46.42 5.6 220

  43.51 5.87 220

  45.47 5.85 220

  58.2 5.91 220

  57 6.63 230

  56.41 6.52 230

  28.39 Contoh perhitungan untuk kincir angin dengan diameter 100 cm pada kecepatan angin 6.7 m/s ditunjukan pada sub bab 4.2:

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

4.2.1 Perhitungan daya angin

  Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan (5) yang dapat dilihat pada sub bab 2.4.1: 3 = 0,6.

  . yang dalam hal ini: : daya angin, watt

  2 : luas penampang melintang angin yang ditangkap oleh kincir, m : kecepatan angin, m/s Sedangkan dalam hal ini, besarnya luas penampang ( ) sendiri adalah: = . dengan: : diameter kincir, m : tinggi sudu saat membuka maksimal, m sehingga persamaan (5) dapat disederhanakan menjadi:

  3 = 0,6.

  3 = 0,6.

  . . Sebagai contoh diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa beban variatif (0).

  Dari data, kecepatan angin ( ) sebesar 6,76 m/s, sedangkan diameter kincir yang diuji ( ) adalah 0,7 m, dan tinggi sudu saat membuka maksimal ( ) adalah 0,4 m. Maka dapat dihitung besarnya daya angin ( ) sebesar:

  3 = 0,6.

  . .

  3 = 0,6 . 0,7 . 0,4 . 6,76 = 51,90

4.2.2 Perhitungan torsi

  Mengacu pada persamaan (6) yang dapat dilihat pada sub bab 2.4.2.1, maka besarnya torsi dapat dirumuskan: = . yang dalam hal ini: : torsi, Nm : jarak lengan ke poros, m : gaya pengimbang yang diukur tegak lurus, N diamana besarnya gaya pengimbang ( ) sendiri sebesar: = .

  : massa pengimbang, kg

  2 : percepatan gravitasi, m/s Maka persamaan (6) dapat disederhanakan menjadi: = .

  = . .

  Untuk contoh perhitungan dapat diambil data dari tabel 4.1 no. 1 tanpa adanya beban variatif dari rangkaian lampu (0).

  Dari data, diperoleh besarnya massa pengimbang ( ) 0,14 kg, sedangkan jarak lengan ke poros ( ) diukur saat pengujian sepanjang 0,2 m. jika percepata

  2 gravitasi dianggap 9,81 m/s , maka besarnya torsi adalah: = . .

  = 0,2 . 0,14 . 9,81 = 0,27

4.2.3 Perhitungan daya kincir

  Daya kincir dihitung dengan persamaan (9) yang dibahas pada sub bab 2.4.2.2: =

  30

  yang dalam hal ini:

  : besarnya torsi, Nm : putaran poros, rpm Untuk contoh perhitungan dapat diambil dari table 4.1 no. 1 tanpa pembebanan variatif rangkaian lampu (0).

  Dari data, didapatkan bahwa pada kecepatan angin ( ) 6,76 m/s didapatkan putaran poros ( ) sebesar 61,49 rpm, sedangkan besarnya torsi ( )

telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar 0,27 Nm, maka besarnya daya

poros:

  =

  30 0,27 .

  . 61,49 =

  30

  = 1,74 s

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio

  Perhitungan tip speed ratio (tsr) mengacu pada persamaan (10) yang telah dibahas pada sub bab 2.4.3 dimana: 2 =

  60 yang dalam hal ini: : jari-jari kincir, m

  : kecepatan angin, m/s Untuk contoh perhitungan diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa beban variatif rangkaian lampu (0).

  Dari data, didapatkan putaran poros tiap menit ( ) sebesar 61,49 rpm pada kecepatan angin ( ) 6,76 m/s, sedangkan jari-jari kincir ( ) sebesar 0.35 m. Maka besarnya tip speed ratio:

  2 =

  60

  2 . 0,35 .61,49 = 60 . 6,76 = 0,33

4.2.5 Perhitungan koefisen daya ( )

  Koefisen daya ( ) dapat dihitung dengan persamaan (11) yang pembahasannya terdapat pada sub bab 2.4.4.

  . 100% = yang dalam hal ini: : koefisien daya, %

  : daya kincir, watt : daya angin, watt

  Untuk contoh perhitungan diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa pembebanan variatif rangkaian lampu (0).

  Besarnya daya kincir ( ) didapatkan dari perhitungan pada sub bab 4.2.3

sebesar 1,74 watt. Sedangkan besarnya daya angin ( ) didapatkan dari

perhitungan pada sub bab 4.2.1 sebesar 51,90. Maka didapatkan koefisen daya

(

  ) sebesar: . 100% = 1,74

  . 100% = 51,9 = 3,35%

4.3 Hasil dan Pembahasan 4.3.1 Persamaan garis polynomial.

  

Grafik hubungan dengan tsr untuk berbagai jenis kincir angin dapat dilihat

pada grafik batas Betz ( Betz limit, atas nama ilmuan Jerman Albert Betz) seperti

terlihat pada Gambar 4.1. Jika dilihat pada grafik batas Betz, hubungan da tsr

untuk kincir angin poros vertikal (savonius) merupakan fungsi persamaan garis

polynomial pangkat dua, sehingga dapat didekati dengan persamaan:

  2 =

  (12)

  1

• +

  dimana:

  2

  3 ∙ ∙ +

  : Tip speed ratio , , : konstanta

  1

  2

  3 Gambar 4.1 Grafik Betz limit. (sumber: digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-

  5125-4203109009-bab2.pdf)