UNJUK KERJA DUTCH WIND MILL DENGAN TIGA VARIASI BENTUK SUDU TUGAS AKHIR - Unjuk kerja dutch wind mill dengan tiga variasi bentuk sudu - USD Repository
UNJUK KERJA DUTCH WIND MILL DENGAN TIGA VARIASI BENTUK SUDU
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program studi Teknik Mesin
Oleh: Andhi Riswantyo NIM : 045214068 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009
THE PERFORMANCE OF DUTCH WINDMILL
WITH THREE VARIATION OF BLADES TYPES
FINAL PAPER
Presented as Fulfillment of the Requirements For the Degree of Mechanical Engineers
Mechanical Engineering Study Programme
By:
Andhi Riswantyo
Student Number : 045214068
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2009
INTISARI
Turbin angin atau kincir angin secara umum dibedakan dalam dua jenis berdasarkan kedudukan porosnya yaitu poros vertikal atau VAWT (Vertical Axis
Wind Turbine ) dan turbin angin poros horizontal atau HAWT (Horizontal Axis Wind
Turbine ) adalah turbin dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit
listrik pada puncak menara. Poros mendatar pada HAWT terdiri atas posisi poros sejajar dengan permukaan tanah dan posisi poros sejajar dengan arah datang angin. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan daya keluaran, efisiensi dan besarnya tip speed ratio pada tiga variasi bentuk sudu yang berbeda. Bentuk sudu yang digunakan pada kincir 1 yaitu empat persegi panjang, kincir 2 yaitu trapesium melebar pada ujung sudu dan untuk kincir 3 adalah trapesium mengecil pada ujung sudu. 2 Ketiga model kincir dibuat dengan ukuran diameter 0,86 m dengan luas 2 penampang 0,58 m . Agar menghasilkan listrik, poros kincir dihubungkan dengan altenator dengan transmisi sabuk dan puli. Dari altenator kita bisa mengukur tegangan dan arus. Alat ini menggunakan 10 variasi lampu sebagai pembebanannya. Lampu dirangkai menggunakan rangkaian paralel. Pada setiap pembebanan dilakukan pengukuran putaran kincir.
Daya kincir tertinggi yaitu 9,76 watt pada kecepatan angin 8,26, efisiensi paling besar pada kincir 2 yaitu 4,97% pada tsr 1,10 dan efisiensi terkecil pada kincir 3 yaitu 4,45% pada tsr 1,07.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yesus Kristus atas setiap waktu yang telah diberikan serta semangat, harapan baru yang berlimpah dan tiada henti di dalam penulisan tugas akhir ini hingga selesai.
Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi bagi mahasiswa Teknik Mesin sebelum dinyatakan lulus sebagai Sarjana Teknik. Dalam pelaksanaan dan penulisan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, baik berupa materi, bimbingan, kerja sama serta dukungan moril. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Saints 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, atas dukungan moral, financial, doa dan motivasi yang tiada henti hingga tugas akhir ini bisa selesai.
5. Segenap teman-teman Teknik Mesin angkatan 2004 dan 2005, banyak pembelajaran yang penulis dapatkan bersama kalian.
6. Saudara-saudara penulis dan teman-teman penulis yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu per satu.
Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, banyak yang perlu diperbaiki dalam tugas akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan masukan dan kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca.
Terima kasih.
DAFTAR ISI
Hal.HALAMAN JUDUL ...…………..………………………………………...... i HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING .…………………………...... iii HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI DAN DEKAN ………................... iv HALAMAN PERNYATAAN .………………………………….................... v LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA
ILMIAH.…………………………………....................................................... vi
INTISARI …………………………………………………………………… vii KATA PENGANTAR …………………………………...………………….. viii DAFTAR ISI …………………………………………………….................... x DAFTAR TABEL……………………………………………………………. xii DAFTAR GAMBAR………………………………………………………… xiv BAB I PENDAHULUAN ……………………………...................................
1 1.1. Latar Belakang Masalah ……………...……………..................
1 1.2. Batasan Masalah ……………………………………………….
2 1.3. Tujuan Penelitian ………………………………………............
3 1.5. Manfaat Penelitian ……………………………………………..
3 BAB II DASAR TEORI………………….......…….…………………...........
4 2.1. Pengertian Angin ………..…………………………………….
4 2.2. Macam-macam Kincir Angin .....................................................
4
2.3. Daya yang Dihasilkan Angin .....................................................
6 2.4. Tip Speed Ratio ………………………………………………..
7 2.5. Transmisi Sabuk dan Puli ……………………………...............
10 BAB III METODE PENELITIAN…………………………………………...
13 3.1. Metode Penelitian........................................................................
13 3.1.1. Bahan ................................................................................
14 3.1.2. Peralatan ...........................................................................
15 3.2. Variabel yang Diukur .................................................................
17 3.3. Langkah Penelitian .………………………………..…………..
17 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN.......... …...………...........
19 4.1. Data Penelitian ...........................................................................
19 4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ……………………………..
24
4.3. Grafik Hasil Perhitungan ………………………………………
31 BAB V PENUTUP ..........................................................................................
38 5.1. Kesimpulan .................................................................................
38 5.2. Saran ...........................................................................................
39 DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................
40 LAMPIRAN...................................................................................................... 41
DAFTAR TABEL
Hal Tabel 4.1 Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 8,26 m/s ...
20 Tabel 4.2 Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 7,13 m/s ...
20 Tabel 4.3 Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 5,44 m/s ...
21 Tabel 4.4 Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 8,26 m/s ...
21 Tabel 4.5 Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 7,13 m/s ...
22 Tabel 4.6 Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 5,44 m/s ...
22 Tabel 4.7 Data perolehan dari kincir 3 dengan kecepatan angin 8,26 m/s ...
23 Tabel 4.8 Data perolehan dari kincir 3 dengan kecepatan angin 7,13 m/s ...
23 Tabel 4.9 Data perolehan dari kincir 3 dengan kecepatan angin 5,44 m/s ...
24 Tabel 4.10 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 8,26 m/s...............................................................
26 Tabel 4.11 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 7,13 m/s...............................................................
27 Tabel 4.12 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 5,44 m/s...............................................................
27 Tabel 4.13 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 8,26 m/s...............................................................
28 Tabel 4.14 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 7,13 m/s...............................................................
28
Tabel 4.15 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 5,44 m/s...............................................................29 Tabel 4.16 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 3 pada kecepatan angin 8,26 m/s...............................................................
29 Tabel 4.17 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 3 pada kecepatan angin 7,13 m/s...............................................................
30 Tabel 4.18 Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 3 pada kecepatan angin 5,44 m/s...............................................................
30
DAFTAR GAMBAR
Hal Gambar 1. Kincir angin poros mendatar ...................................................
5 Gambar 2. Penentuan tip speed ratio ........................................................
8 Gambar 3. Kontruksi sabuk v ...................................................................
11 Gambar 4. Ukuran penampang sabuk v………………………………….
11 Gambar 5. Skema alat ........................... ...................................................
13 Gambar 6. Bentuk sudu kincir ..................................................................
14 Gambar 7. Altenator .................................................................................
15 Gambar 8. Grafik hubungan tsr dengan cp pada semua jenis kincir.........
10 Gambar 9. Rangkaian paralel dengan 10 lampu........................................
16 Gambar 4.3.1. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan angin pada kincir 1 ....................................................................................
31 Gambar 4.3.2. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan angin pada kincir 2 ...................................................................................
32 Gambar 4.3.3. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan angin pada kincir 3 ................................................................................... 33
Gambar 4.3.4. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan angin pada ketiga kincir ...........................................................................33 Gambar 4.3.5. Grafik hubungan efisiensi terhadap tsr pada kincir 1 ............. 34
Gambar 4.3.6. Grafik hubungan efisiensi terhadap tsr pada kincir 2 ............. 35Gambar 4.3.7. Grafik hubungan efisiensi terhadap tsr pada kincir 1 ............. 36 Gambar 4.3.8. Grafik hubungan efisiensi terhadap tsr pada ketiga kincir .....37
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Di jaman sekarang, kebutuhan energi terus meningkat diperkirakan mencapai 40% per tahun. Hal ini dikarenakan semakin banyak populasi penduduk. Hampir semua peralatan rumah tangga, komunikasi, transportasi, maupun industri juga sangat membutuhkan sumber energi dalam bentuk minyak bumi yang diolah, untuk menunjang penggunaannya.Energi akan semakin meningkat penggunaannya seiring dengan perkembangan jaman dan pertumbuhan penduduk. Saat ini energi juga dapat digolongkan sebagai barang yang mahal. Hal ini dapat terlihat dari bagaimana cara masyarakat memperoleh energi. Masyarakat seringkali harus mengeluarkan biaya untuk memperoleh energi yang dibutuhkan.
Seringkali masyarakat yang kurang mampu tidak bisa menikmati energi tersebut. Misalnya saja, energi listrik yang perolehannya harus membayar kepada pihak PLN. Bahkan, sebagian besar masyarakat yang kurang mampu lebih memilih untuk hidup tanpa adanya sumber energi listrik. Hidup tanpa penerangan dan juga tanpa hiburan seringkali kita jumpai di lingkungan masyarakat tersebut.
Sebenarnya, masih banyak sumber energi lain dari alam yang pemanfaatannya belum dimaksimalkan. Misalnya saja energi angin dan tertentu, kedua energi tersebut dapat dikonversi menjadi suatu energi yang siap pakai.
Kedua macam energi tersebut dapat dikonversi menjadi energi listrik yang akan sangat berguna bagi kahidupan masyarakat. Energi surya dapat dikonversi menjadi energi listrik melalui suatu alat yang disebut solar cell. Energi angin dapat dikonversi menjadi energi listrik menggunakan kincir angin.
Energi angin dapat dengan mudah diperoleh di daerah pantai. Indonesia yang memiliki garis pantai yang panjang sebenarnya juga sangat mendukung dipergunakannya energi angin sebagai sumber energi. Dengan tambahan transmisi untuk menambah kecepatan putaran poros dari kincir dan sedikit modifikasi tambahan, generator listrik dapat dimanfaatkan sebagai penghasil energi listrik.
Energi listrik yang dihasilkan dapat digunakan sebagai sumber energi untuk penerangan dan pemenuhan kebutuhan lain dalam rumah tangga.
Biaya yang seharusnya dikeluarkan masyarakat untuk membayar listrik kepada PLN, dapat digunakan untuk keperluan yang lain.
1.2. Batasan Masalah
Penelitian kincir dutch wind mill dengan tiga variasi bentuk sudu, dengan cara mencari unjuk kerja dengan menggunakan 3 bentuk sudu berbeda, luas penampang sama, dengan bentuk sudu sebagai berikut b. Trapesium melebar keluar pada ujung sudu.
c. Trapesium mengecil kedalam pada ujung sudu.
1.3. Tujuan
a. Mendapatkan hubungan daya output dengan kecepatan angin untuk kincir angin dengan tiga variasi bentuik sudu.
b. Hubungan efisiensi dengan tsr (tip speed ratio) pada ketiga variasi bentuk sudu.
c. Mendapatkan efisiensi kincir maksimal pada ketiga variasi bentuk sudu.
1.4. Manfaat
a. Kincir angin diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu usaha untuk menjaga kelestarian sumber energi yang telah tersedia dari alam, sehingga ketersediaan energi akan selalu terjamin.
b. Energi angin yang dikonversi menjadi energi listrik menggunakan kincir angin diharapkan dapat mengurangi krisis energi yang selama ini sering dialami oleh masyarakat.
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Angin Udara bergerak karena adanya gaya Coriolis, yaitu gaya yang
menyebabkan adanya perbedaan temperatur. Perbedaan temperatur ini menyebabkan adanya perbedaan tekanan udara. Tempat dengan tekanan yang lebih rendah akan ditempati oleh udara. Udara yang bergerak menempati daerah tersebut itulah yang akhirnya disebut sebagai angin.
Angin terjadi di lapisan atmosfer pada lapisan troposfer. Lapisan troposfer ini memiliki ketebalan kurang lebih 11 km (3600 ft) dari permukaan laut ke atas.
2.2. Macam-macam Kincir Angin
Kincir angin memiliki berbagai macam jenis. Ditinjau dari bentuk dan ukurannya, kincir angin dapat dikelompokkan berdasarkan kegunaan dan berdasarkan posisi porosnya
Berdasarkan kegunaannya, kincir angin terbagi menjadi wind turbine dan wind mill. Wind turbine biasanya digunakan sebagai pembangkit energi listrik, sedangkan wind mill biasanya digunakan bukan sebagai pembangkit energi listrik. Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin terbagi menjadi dua kelompok, yaitu kincir angin poros mendatar (horizontal axis wind turbine) dan kincir angin poros tegak/vertikal (vertical axis wind turbine).
Dalam pembuatan kincir angin dengan poros mendatar, biasanya diberi peralatan tambahan untuk menyearahkan rotor dengan arah datangnya angin. Tanpa peralatan tambahan, kincir ini tidak akan dapat memberikan efisiensi maksimum, apalagi jika arah datangnya angin berubah-ubah.
Gambar 1. Kincir angin poros mendatar
Kincir angin poros mendatar berbeda dengan kincir angin poros tegak/vertikal. Kincir angin poros vertikal dapat menerima angin dari segala arah. Kincir ini tidak membutuhkan peralatan tambahan untuk menyearahkan rotor dengan arah datangnya angin. Selain itu, kincir poros vertikal biasanya memiliki konstruksi yang lebih sederhana, sehingga biaya pembuatannya pun tidak semahal pembuatan kincir angin poros mendatar.
Menurut American Wind Energy Association (AWEA), kincir angin Contoh kincir angin jenis lift type adalah kincir angin Darrius yang memiliki dua atau tiga buah sudu. Bentuk sudu yang aneh menjadi ciri khas kincir Darrius. Sedangkan contoh kincir angin jenis drag type adalah kincir angin
cup-anemometer yang biasanya digunakan untuk mengukur kecepatan
angin. Contoh kincir angin poros tegak yang lain adalah kincir angin Savonius.
Kincir angin Savonius memiliki torsi awalan yang besar. Torsi yang besar inilah yang menjadikan keuntungan pemakaian kincir angin Savonius.
Akan tetapi, bobot kincir yang ada menjadi kekurangan dari kincir Savonius ini. Bobot kincir yang terlalu berat menjadikan kincir angin ini terganggu perputarannya, walaupun angin yang berputar cukup kencang.
Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan di beberapa negara, kincir angin Savonius ini belum dapat dipastikan berapa efisiensi yang tepat.
Kincir angin Savonius dapat menyerap energi angin dengan effisiensi kurang lebih 30%. Menurut Profesor Betz, effisiensi maksimum kincir Savonius sekitar 20%. Pada penelitian di Universitas Illionis, efisiensi maksimalnya 35%.
2.3. Daya yang Dihasilkan Angin
Energi angin terjadi karena adanya beberapa penyebab. Penyebab utama terjadinya energi angin, yaitu pemanasan udara atmosfer yang menghasilkan arus konveksi dan gerakan relatif udara atmosfer terhadap dihitung dengan persamaan yaitu (Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin bossanyi, 2001) :
( )
ρ = massa jenis udara, kg / m
kecepatan angin. Tip speed ratio akan menentukan berapa cepat turbin angin yang diinginkan akan berputar dan juga sebagai implikasi untuk altenator yang dapat digunakan.
Tip speed ratio adalah kecepatan keliling ujung sudu dibagi
P
v = kecepatan angin, m / s = daya angin, W in
2
3 A = luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, m
…………………………………………………………. (2) Dengan :
1000 2 /
3 P 6 , v A in ⋅ ⋅ =
ρ 1 = 3
Apabila massa jenis udara ( standar kg/m ), maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi 225 ,
ρ ……………………………………….. (1)
⋅ ⋅ ⋅ =
P in
1 3 A v
2.4. Tip Speed Ratio
Gambar 2. Penentuan tip speed ratio pada tiap jumlah sudu berbeda.
(Sumber : http://www.hugh.piggott@enterprise.net)
Turbin angin modern dibuat untuk berputar pada kecepatan bervariasi. Menggunakan aluminium dan komposit pada sudu – sudunya menghasilkan putaran inertia rendah, yang mana turbin angin yang baru dapat dengan mudah mempercepat putaran jika angin dapat mengangkat, dan menjaga tip speed ratio lebih mendekati konstan. Pengoperasian mendekati pada optimalnya tip speed ratio saat hembusan keras dari angin mengizinkan turbin angin untuk meningkatkan energi yang ditangkap dari hembusan keras yang tiba – tiba adalah merupakan tipe di tempat berpopulasi.
Sebaliknya, bentuk lama turbin angin dibuat dengan sudu besi yang berat, dimana lebih memiliki inertia yang besar, dan berputar pada kecepatan, berpengaruh atas frekuensi AC (alterning current) pada hasil daya. Inertia yang tinggi menahan perubahan dalam kecepatan putaran dan itu membuat daya keluaran lebih stabil.
Pada intinya aspek ratio sangat penting dan merupakan indikator dari liftdan drag pada sudu yang terbentuk. Di sebuah pesawat yang mempunyai aspek rasio tinggi – dengan sayap lebar dan tipis – akan menyebabkan drag berkurang, dimana keadaannya didominasi dengan angin kecepatan rendah. Itulah mengapa Para Gliders mempunyai sayap yang panjang.
Tip speed ratio ditentukan sendiri tetapi bila perlu dapat
diperhitungkan dengan rumusan yaitu (Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin bossanyi, 2001) :
π Dn Tsr =
.......................... (3)
60 ×V ∞
Dengan : Tsr = Tip speed ratio D = diameter sudu n = kecepatan putar kincir
Ganbar 8. Grafik hubungan tsr dengan cp pada semua jenis kincir.
2.5. Transmisi Sabuk dan Puli
Jarak yang jauh antara dua poros sering tidak memungkinkan transmisi langsung dengan roda gigi. Oleh karena itu, dalam perancangan kincir angin ini digunakan transmisi berupa sabuk dan puli.
Sabuk yang digunakan dalam transmisi ada 2 macam, yaitu sabuk- V dan sabuk gilir. Sabuk-V terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium. Tenunan atau semacamnya dipergunakan sebagai inti sabuk untuk membawa tarikan yang besar. Sedangkan sabuk gilir terbuat dari karet neoprene atau plasik poliuretan sebagai bahan cetak dengan inti dari serat gelas atau kawat baja. Selain itu, sabuk gilir juga mempunyai gigi-gigi yang dicetak secara teliti di permukaan sebelah dalam.
Gambar 3. Konstruksi sabuk-V ( Sumber : Sularso dan Kiyokatsu Suga, 1997 )
Transmisi sabuk-V bekerja berdasarkan gesekan belitan. Sabuk ini memili ki konstruksi yang sederhana, mudah untuk didapatkan perbandingan putarannya, dan murah harganya. Dilihat dari keuntungan yang ada, maka sabuk-V digunakan sebagai transmisi pada konstruksi kincir angin ini.
Dalam perhitungan sabuk dan puli, maka perlu lebih da hulu diketah ui ukuran diameter poros yang nantinya dihubungkan pada kedua puli. Jika diameter kedua poros sudah diketahui, maka diperlukan pemilihan jenis sabuk-V yang sesuai dan diameter minimal puli.
Gambar 4. Ukuran penampang sabuk-V ( Sumber : Sularso dan Kiyokatsu Suga, 1997 )
U ntuk mendapatkan putaran yang diinginkan untu k dihubungkan antara kedua puli. Perbandingan putaran dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut ( Sumber : Sularso dan Kiyokatsu Suga, 1997. ) :
n 2 i n n . i
= ⎯ ⎯→ = ………………………………………………(4) 2 1
n 1 Dengan : n 1 = putaran puli yang terhubung pada poros kincir, rpm n 2 = putaran puli yang terhubung pada poros generator, rpm
Set elah iketahui perbandingan putaran kedua puli, maka diame d ter masing- ma sing uli juga harus diperhitungkan. p
Kecepatan linear sabuk-V dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
d ⋅ n p 1 v = ……………………………………………..………(5)
60 × 1000 Di pasaran terdapat bermacam-macam ukuran sabuk. Akan tetapi, ukuran yang sesuai dengan hasil perhitungan biasanya sulit didapatkan.
Oleh k arena itu, perhitungan yang dilakukan menyesuaikan dengan sabuk dan puli yang diperdagangan.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian Daya dikonversikan menjadi listrik, pengujian dilakukan didalam
terowongan angin (wind tunnel). Kincir angin yang digunakan akan dirancang untuk kecepatan angin maksimum 9m / detik dengan diameter kincir 86cm. Kincir tersebut akan dihubungkan pada transmisi. Transmisi yang akan digunakan dalam kincir ini berupa puli dengan penghubung daya berupa sabuk. Daya tersebut akan dihubungkan pada poros rotor generator. Rotor generator akan berputar sehingga menghasilkan energi listrik. Energi listrik inilah yang nantinya diharapkan dapat digunakan sebagai penerangan dan pemenuhan kebutuhan listrik lain dalam rumah tangga.
Hasil yang diharapkan adalah suatu prototype atau alat yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat kecil sebagai mitra kerja mereka. Model atau disainnya dapat digambarkan sebagai berikut :
Transmisi Kincir Altenator Kerangka
Kincir
3.1.1. Bahan
Bahan atau materi yang digunakan untuk pembuatan kincir angin sebagai pembangkit listrik ini adalah sebagai berikut :
1. Poros Poros yang digunakan terbuat dari besi cor
2. Sudu kincir Sudu kincir terbuat dari triplek dengan ketebalan 0.5cm. Bahan tersebut diharapkan dapat membuat kincir ringan dan kuat.
23,5cm 16,5cm 40 cm
20cm 23,5cm 16,5cm
Kincir 1 Kincir 2 Kincir 3
Gambar 6. Bentuk sudu kincir 3. Dudukan kincir dan altenator.
Dudukan kincir dan altenator terbuat dari besi cor .
4. Kerangka kincir terbuat dari besi cor.
5. Bantalan Bantalan ini berfungsi sebagai pengikat poros agar tidak berubah-ubah saat terkena angin.
3.1.2. Peralatan
1. Anemometer Anemometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin.
2. Altenator Altenator merupakan alat yang digunakan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Gambar 7. Altenator
3. Multimeter Multimeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur
4. Tachometer Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros motor DC.
Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul cahaya (contoh alumunium foil) yang dipasang pada poros.
Lampu / beban 5.
Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini, lampu yang digunakan 10 lampu, tiap lampu memiliki daya 8 watt. Dengan menggunakan rangkaian paralel seperti dibawah ini.
Keterangan
altenato r
= lampu V = voltmeter
Amper meter
V
6. Wind Tunnel Alat ini berfungsi sebagai lorong yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya pada kincir yang juga diletakkan didalam wind tunnel tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan dialat ini.
3.2. Variable yang diukur : a.
dihasilkan ( P
Memasang kabel yang keluar dari altenator kedalam rangkaian paralel lalu memasang lampu pada kabel multimeter, Lampu sebagai beban untuk mengambil arus dan tegangan yang keluar seperti pada Gambar 9.
b.
e. Perhitungan TSR.
) untuk menghitung efisiensi ( η).
out
in ) dan perhitungan daya yang
7. Peralatan lainnya yang berfungsi untuk membongkar pasang kerangka kincir, misalnya saja kunci pas / ring, obeng, tang, dan lain sebagainya.
Perhitungan daya kincir ( P
d.
out ).
Tegangan (V) dan arus (A) yang dihasilkan Altenator untuk menghitung daya yang dihasilkan ( P
b. Kecepatan angin (v) c.
Putaran poros yang dihasilkan ( n ).
3.3. Langkah penelitian : a. Mengangkat kincir yang dibuat kedalam terowongan angin.
c. Memasang anemometer untuk mengetahui kecepatan angin, kecepatan angin untuk perbandingan putaran poros dan daya kincir.
d. Menghidupkan blower untuk mengatur kecepatan angin e.
Mengubah-ubah beban lampu hingga 10 variasi lampu dalam 1 kali percobaan dan Mencatat data dari lampu pertama hingga kesepuluh f. Data yang di ambil yaitu kecepatan angin, putaran poros kincir, tegangan dan arus yang keluar dari altenator.
g. Mengganti bentuk sudu setelah selesai pada percobaan pertama.
h.
Mengulangi percobaan diatas hingga 3x bentuk sudu yang berbeda- beda.
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1.Data Penelitian
Data yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan bentuk sudu yang berbeda dengan 3 kecepatan angin sama sebagai berikut : Keterangan: v = kecepatan angin ( m s ) = 8,26 m s = 7,13 m s
= 5,44 m s
r = Jari - jari sudu = 0,43 m d = diameter poros kincir = 0,025 m d = diameter generator = 0,016 m alt d = diameter puli kecil = 0,076 m pulikecil d = diameter puli besar = 0,38 m pulibesar a.
Data hasil percobaan
Percobaan dilakukan 3 kali supaya diperoleh hasil baik dan dirata-rata supaya mempermudah perhitungan, pada tiap percobaan disertakan variasi bentuk sudu supaya dapat dilihat secara langsung.
Tabel 4.1 Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 8,26 m/sBeban Tegangan Arus Putaran (N) No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 8.81 0.81 289.70 2 2 7.46 1.00 274.50 3 3 6.52 1.31 262.10 4 4 5.90 1.47 254.80 5 5 4.74 1.85 250.40 6 6 4.54 1.98 243.70 7 7 3.95 2.27 232.10 8 8 3.46 2.12 227.10 9 9 3.21 2.13 189.90 10 10
2.94 2.20 177.30
Tabel 4.2. Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 7,13 m/sBeban Tegangan Arus Putaran (N) No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 6.44 0.56 162.50 2 2 5.38 0.85 153.50 3 3 4.82 1.20 141.50 4 4 3.92 1.41 131.10 5 5 3.32 1.58 125.20 6 6 2.97 1.73 112.30 7 7 2.69 1.92 107.70 8 8 2.10 1.95 105.80 9 9 1.89 2.03 98.90 10 10
1.79 2.11 93.20
Tabel 4.3. Data perolehan dari kincir 1 dengan kecepatan angin 5,44 m/sBeban Tegangan Arus Putaran (N) No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 3.00 0.36 97.70 2 2 2.13 0.55 70.50 3 3 1.08 0.61 56.70 4 4 0.78 0.69 49.00 5 5 0.66 0.75 45.60 6 6 0.70 0.80 42.60 7 7 0.56 0.78 34.20 8 8 0.54 0.77 32.40 9 9 0.51 0.81 31.70 10 10
0.44 0.80 29.40 Tabel 4.4 Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 8,26 m/s.
No. Beban Tegangan Arus Putaran (N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 7.75 0.82 276.50 2 2 6.59 1.22 252.60 3 3 6.16 1.37 242.20 4 4 5.51 1.59 216.30 5 5 4.83 1.83 212.90 6 6 4.44 2.02 205.10 7 7 3.95 2.47 201.40 8 8 3.83 2.43 196.10 9 9 2.78 2.48 179.90 10 10
2.57 2.55 165.50
Tabel 4.5. Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 7,13 m/s.
No. Beban Tegangan Arus Putaran
(N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)1 1 6.05 0.47 165.70 2 2 5.34 0.80 162.90 3 3 4.61 1.02 145.00 4 4 3.41 1.42 139.30 5 5 3.08 1.56 136.70 6 6 2.80 1.72 124.70 7 7 2.43 1.86 118.30 8 8 2.10 1.90 114.90 9 9 1.97 1.98 112.60 10 10
1.61 2.01 110.80
Tabel 4.6. Data perolehan dari kincir 2 dengan kecepatan angin 5,44 m/s
No. Beban Tegangan Arus Putaran
(N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)1 1 3.23 0.37 90.30 2 2 1.83 0.57 63.70 3 3 1.57 0.73 61.00 4 4 1.03 0.80 53.90 5 5 0.71 0.83 46.70 6 6 0.65 0.86 46.50 7 7 0.72 0.87 44.60 8 8 0.54 0.89 44.30 9 9 0.65 0.90 41.40 10 10
0.63 0.91 38.80
Tabel 4.7 Data perolehan dari kincir 3 dengan Kecepatan angin 8,26 m/s.No. Beban Tegangan Arus Putaran (N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 8.13 0.63 300.10 2 2 6.94 0.90 244.80 3 3 6.01 1.30 224.60 4 4 5.56 1.57 196.50 5 5 4.59 1.81 179.00 6 6 4.05 2.03 172.80 7 7 3.24 2.05 175.40 8 8 2.77 2.10 166.90 9 9 2.50 2.31 154.40 10 10
2.29 2.43 142.10 Tabel 4.8. Data perolehan dari kincir 3 dengan kecepatan angin 7,13 m/s.
No. Beban Tegangan Arus Putaran (N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 6.03 0.58 165.30 2 2 4.43 0.80 149.20 3 3 4.00 1.10 133.30 4 4 3.16 1.30 123.40 5 5 2.75 1.53 122.80 6 6 2.47 1.65 119.30 7 7 2.12 1.80 112.80 8 8 2.03 1.86 100.70 9 9 1.56 1.88 99.20 10 10
1.29 2.03 97.80
Tabel 4.9. Data perolehan dari kincir 3 dengan kecepatan angin 5,44 m/s.No. Beban Tegangan Arus Putaran (N) (Lampu) (Volt) (Ampere) (rpm)
1 1 2.13 0.78 107.60 2 2 1.65 1.02 90.70 3 3 1.28 1.05 60.80 4 4 0.68 1.14 55.70 5 5 0.56 1.18 48.80 6 6 0.53 1.23 40.80 7 7 0.54 1.20 39.50 8 8 0.49 1.29 38.50 9 9 0.48 1.36 37.80 10 10
0.40 1.45 37.50
4.2 Pengolahan data dan perhitungan
1. Luas penampang kincir 2 A r
π = = 3,14 × 0,43 2
= 0,58 m 2
2. Daya keluaran (Pout)
P out = V×I (watt)
dengan:
P out = daya output (watt) V = tegangan ( volt )
3. daya yang tersedia pada angin
3 p A v
= , 6 ⋅ ⋅ in
Dengan : = daya angin, (watt)
P in
A= luas penampang kincir 3
v
= kecepatan angin Kecepatan angin: 1. 8,26 m/s = 0,6 x 0,53 x 8,26 = 196,12 watt 2. 7.13 m/s = 0,6 x 0,53 x 7,13 = 126,14 watt 3. 5,44 m/s = 0,6 x 0,53 x 5,44 = 56,02 watt 4.
Perbandingan putaran puli n 2
= i ⎯ ⎯→ n = n . i 2 1
n 1 Dengan :
n = putaran puli yang terhubung pada poros kincir, rpm
1 n 2 = putaran puli yang terhubung pada poros generator, rpm
1446
i =
289 ,
2
=
5
5. Menghitung TSR (tip speed ratio) dan Efisiensi.
4.42 5 5 4.74 1.85 8.77 250.40
3.30
0.97
3.49 10 10 2.94 2.20 6.47 177.30
1.03
3.74 9 9 3.21 2.13 6.84 189.90
1.24
4.57 8 8 3.46 2.12 7.34 227.10
1.26
4.58 7 7 3.95 2.27 8.97 232.10
1.33
4.47 6 6 4.54 1.98 8.99 243.70
1.36
∞ = xV Dn tsr
60
4.36 4 4 5.90 1.47 8.67 254.80
1.43
3.80 3 3 6.52 1.31 8.54 262.10
1.50
3.64 2 2 7.46 1.00 7.46 274.50
1.58
1 1 8.81 0.81 7.14 289.70
Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
Tabel 4.10. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 8,26 m/s6. Tabel perhitungan pada ketiga kincir.
Dengan : tsr = Tip speed ratio D = diameter kincir n = kecepatan putar kincir
P P
π , efisiensi = 100 × in out
1.39
Tabel 4.11. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 7,13 m/s.42.60
0.58
2.09 3 3 1.08 0.61 0.66
56.70
0.47
1.18 4 4 0.78 0.69 0.54
49.00
0.41
0.96 5 5 0.66 0.75 0.50
45.60
0.38
0.88 6 6 0.70 0.80 0.56
0.35
1.93 2 2 2.13 0.55 1.17
1.00 7 7 0.56 0.78 0.44
34.20
0.28
0.78 8 8 0.54 0.77 0.42
32.40
0.27
0.74 9 9 0.51 0.81 0.41
31.70
0.26
0.74 10 10 0.44 0.80 0.35
29.40
0.24
70.50
0.81
Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
0.71
1 1 6.44 0.56 3.61 162.50
1.03
2.85 2 2 5.38 0.85 4.57 153.50
0.97
3.62 3 3 4.82 1.20 5.78 141.50
0.89
4.58 4 4 3.92 1.41 5.53 131.10
0.83
4.37 5 5 3.32 1.58 5.25 125.20
0.79
4.15 6 6 2.97 1.73 5.14 112.30
4.06 7 7 2.69 1.92 5.16 107.70
97.70
0.68
4.09 8 8 2.10 1.95 4.10 105.80
0.67
3.24 9 9 1.89 2.03 3.84
98.90
0.62
3.04 10 10 1.79 2.11 3.78
93.20
0.59
2.99 Tabel 4.12. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 1 pada kecepatan angin 5,44 m/s.
Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi No. (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
1 1 3.00 0.36 1.08
0.63
Tabel 4.13. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 8,26 m/s.3.83 5 5 3.08 1.56 4.80 136.70
1 1 6.05 0.47 2.84 165.70
1.05
2.25 2 2 5.34 0.80 4.27 162.90
1.03
3.38 3 3 4.61 1.02 4.70 145.00
0.92
3.72 4 4 3.41 1.42 4.84 139.30
0.88
0.86
3.34 Tabel 4.14. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 7,13 m/s.
3.80 6 6 2.80 1.72 4.82 124.70
0.79
3.81 7 7 2.43 1.86 4.52 118.30
0.75
3.58 8 8 2.10 1.90 3.99 114.90
0.73
3.16 9 9 1.97 1.98 3.90 112.60
0.71
No. Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
0.90
No. Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
4.47 5 5 4.83 1.83 8.84 212.90
1 1 7.75 0.82 6.36 276.50
1.51
3.24 2 2 6.59 1.22 8.04 252.60
1.38
4.10 3 3 6.16 1.37 8.44 242.20
1.32
4.30 4 4 5.51 1.59 8.76 216.30
1.18
1.16
3.52 10 10 2.57 2.55 6.55 165.50
4.51 6 6 4.44 2.02 8.97 205.10
1.12
4.57 7 7 3.95 2.47 9.76 201.40
1.10
4.97 8 8 3.83 2.43 9.31 196.10
1.07
4.75 9 9 2.78 2.48 6.89 179.90
0.98
3.09 10 10 1.61 2.01 3.24 110.80 0.70 2.56
Tabel 4.15. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 2 pada kecepatan angin 5,44 m/s.1.07
38.80
0.32
1.02 Tabel 4.16. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 3 pada kecepatan angin 8,26 m/s.
No. Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
1 1 8.13 0.63 5.12 300.10
1.64
2.61 2 2 6.94 0.90 6.25 244.80
1.33
3.18 3 3 6.01 1.30 7.81 224.60
1.22
3.98 4 4 5.56 1.57 8.73 196.50
4.45 5 5 4.59 1.81 8.31 179.00
0.34
0.98
4.24 6 6 4.05 2.03 8.22 172.80
0.94
4.19 7 7 3.24 2.05 6.64 175.40
0.96
3.39 8 8 2.77 2.10 5.82 166.90
0.91
2.97 9 9 2.50 2.31 5.78 154.40
0.84
2.94 10 10 2.29 2.43 5.56 142.10
0.77
1.04 10 10 0.63 0.91 0.57
41.40
No. Beban Tegangan Arus Daya (Pout) Putaran (N) Efisiensi (Lampu) (Volt) (Ampere) (Watt) (rpm) tsr (%)
0.45
1 1 3.23 0.37 1.20
90.30
0.75
2.13 2 2 1.83 0.57 1.04
63.70
0.53
1.86 3 3 1.57 0.73 1.15
61.00
0.50
2.05 4 4 1.03 0.80 0.82
53.90
1.47 5 5 0.71 0.83 0.59
0.86 9 9 0.65 0.90 0.59
46.70
0.39
1.05 6 6 0.65 0.86 0.56
46.50
0.38
1.00 7 7 0.72 0.87 0.63
44.60
0.37
1.12 8 8 0.54 0.89 0.48
44.30
0.37
2.84
Tabel 4.17. Perhitungan tsr, efisiensi dan daya output pada kincir 3 pada kecepatan angin 7,13 m/s.0.36
3.00 3 3 1.28 1.05 1.34
60.80
0.53
2.40 4 4 0.68 1.14 0.78
55.70
0.49
1.38 5 5 0.56 1.18 0.66
48.80
0.43
1.18 6 6 0.53 1.23 0.65
40.80
1.16 7 7 0.54 1.20 0.65
90.70
39.50
0.35
1.16 8 8 0.49 1.29 0.63
38.50
0.34
1.13 9 9 0.48 1.36 0.65
37.80
0.33
1.17 10 10 0.40 1.45 0.58
37.50
0.33
0.79
2.97 2 2 1.65 1.02 1.68