Unjuk kerja model kincir angin savonius dengan luas frontal 5520 cm2 dan tiga variasi ukuran - USD Repository
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS DENGAN LUAS FRONTAL 5520 CM
2 DAN TIGA VARIASI UKURAN TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin
JurusanTeknikMesin Diajukan oleh :
DIAN AFRIL GANDA SINAGA NIM : 095214039 FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2011 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PERFORMANCE OF SAVONIUS WINDMILL MODEL
2
WITH 5520 CM FRONTAL AREA AND THREE SIZE VARIATIONS FINAL PROJECTPresented as fulfillment of the Requirements To obtain the Sarjana Teknik Degree
Mechanical Engineering Study Programme Mechanical Engineering
By :
DIAN AFRIL GANDA SINAGA Student Number : 095214039 SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2011
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar- besarnya kepada :
1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak Ir. Rines,M.T., Dosen pembimbing Tugas Akhir.
4. Bapak Ir. Wibowo Kusbandono, M.T selaku Dosen pembimbing akademik.
5. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Bapak Ir. YB. Lukiyanto, M.T., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.
6. Keluarga penulis, yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir. vii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7. Rekan sekelompok yaitu Kasianto dan Tumbur Sahala Tua, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data.
8. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuannya.
Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, Agustus 2011 Penulis viii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL.……………………………………….…………………. i
HALAMAN PERSETUJUAN........................................................................... ii
HALAMAN PENGESAHAN.………………………………………………… iii
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR…………...………………… iv
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN.................................................. v
KATA PENGANTAR......................................................................................... vi
DAFTAR ISI…………………………………………………………………...viii
DAFTAR GAMBAR….…………………….......……………………………. xi
DAFTAR TABEL.…………………………………………………………….. xiii
DAFTAR LAMPIRAN……............................................................................... xiv
INTISARI.……………………………………………………………………... xv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah…………………....................................................
1 1.2 Rumusan Masalah.........................................................................................
3 1.3 Batasan Masalah...........................................................................................
3 1.4 Tujuan Penelitian...........................................................................................
4 1.5 Manfaat Penelitian...................................................................................
5 BAB II DASAR TEORI 2.1 Konsep Dasar Angin ..............................................................................
6 2.2 Kincir angin.............................................................................................
8 2.3 Gaya Drag dan Lift…………………………..........................................
10 ix
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2.4 Rumus Perhitungan ……………………………….....................................
11 2.4.1 Energi Angin…………....................................................................
11 2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya...........................................................
12 2.4.2.1 Perhitungan Torsi.............................................................
13 2.4.2.2 Daya Kincir……...............................................................
13 2.4.3 Tip Speed Ratio...............................................................................
14
2.4.4 Koefisien Daya � �............................................................................ 15
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Peralatan dan bahan................................................................................
16 3.1.1 Bagian-bagian Utama Kincir…........................................................
17 3.1.2 Peralatan Pendukung dalam Pengambilan Data..................................
18 3.2 Variabel Penelitian..................................................................................
23 3.3 Variabel Yang Diukur...............................................................................
23 3.4 Parameter Yang Dihitung..........................................................................
24 3.5 Langkah Penelitian....................................................................................
25 BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Penelitian..........................................................................................
27 4.1.1 Data Penelitian Kincir Angin Dengan Diameter 92 Cm.....................
27 4.1.2 Data Penelitian Kincir Angin Dengan Diameter 74,3 Cm..................
29 4.1.3 Data Penelitian Kincir Angin Dengan Diameter 60 Cm.....................
30 4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan……........................................................
32 4.2.1 Perhitungan Daya Angin……………………………………............
32 4.2.2 Perhitungan Torsi………………………………………..................
34 x
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 4.2.3 Perhitungan Daya Kincir…………….…………………..................
35 4.2.4 Perhitungan tip speed ratio (TSR).....……………………..................
36 4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya ( )..………………………..................
37 4.3 Hasil dan Pembahasan……..........................................................................
38 4.3.1 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Torsi………………....
45 4.3.2 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Kincir………....
50 4.3.3 Grafik Hubungan Antara C P Terhadap tip speed ratio (TSR).............
53 4.4 Pembahasan………………...........................................................................
57 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan..................................................................................................
59 5.2 Saran.......................................................................................................
60 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Peta potensi angin Indonesia........................................................
8 Gambar 3.1 Bagian-bagian utama kincir angin Savonius................................
16 Gambar 3.2 Poros utama…………..................................................................
17 Gambar 3.3 Sudu kincir angin.........................................................................
17 Gambar 3.4 Alas sudu……………….…….....................................................
18 Gambar 3.5 Wind tunnel ..................................................................................
19 Gambar 3.6 Fan blower ...................................................................................
19 Gambar 3.7 Anemometer ..................................................................................
20 Gambar 3.8 ……….........................................................................
20 Stopwatch Gambar 3.9 Neraca pegas................................................................................
21 Gambar 3.10 Rangkaian beban lampu...............................................................
21 Gambar 3.11 Generator......................................................................................
22 Gambar 3.12 Tachometer...................................................................................
22 Gambar 3.13 Posisi kincir angin……................................................................
24 Gambar 3.14 Posisi anemometer pada wind tunnel…........................................
25 Gambar 4.1 Grafik Betz Limit...................................................................
47 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi untuk kincir angin dengan diameter 92 cm dan tinggi 60 cm............................................
48 Gambar 4.3 Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi untuk kincir angin dengan diameter 74,3 cm dan tinggi 74,3 cm......................................
48 Gambar 4.4 Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi untuk kincir angin dengan diameter 60 cm dan tinggi 92 cm.............................................
50 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir dengan diameter 92 cm dan tinggi 60 cm.......................................................
51 xii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 4.6 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir dengan diameter 74,3 cm dan tinggi 74,3 cm.................................................52 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 92 cm.......................................................
53 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara terhadap untuk kincir dengan diameter 92 cm, dan tinggi 60 cm……….................................................... 53
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara terhadap untuk kincir dengandiameter 74,3 cm, dan tinggi 74,3 cm……….............................................. 55
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara terhadap untuk kincir dengandiameter 60 cm, dan tinggi 92 cm……….................................................... 56
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara terhadap untuk ketigakincir.........................................................................................................
56 xiii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 92 cm, tinggi 60 cm……………………………………………………………….…….............27 Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 74,3 cm, tinggi 74,3 cm……………………………………………………………………………..
29 Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm, tinggi 92 cm.........
31 Tabel 4.4 Data Hasil perhitungan kincir dengan diameter 92 cm, tinggi 60 cm….....................................................................................................................
38 Tabel 4.5 Data Hasil perhitungan kincir dengan diameter 74,3 cm, tinggi 74,3 cm……….....................................................................................................
41 Tabel 4.6 Data Hasil perhitungan kincir dengan diameter 60 cm, tinggi 92 cm…….…….....................................................................................................
44 xiv
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR LAMPIRANLampiran 1 Tabel Sifat Umum Udara Lampiran 2 Gambar Proses Pembuatan Kincir Lampiran 3 Gambar Posisi Kincir di Dalam Wind Tunnel Lampiran 4 Gambar Kincir Angin Yang Digunakan Pada Penelitian xv
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
INTISARI
Ketergantungan terhadap energi semakin lama semakin meningkat, sumber energi yang kita gunakan sebagian besar berasal dari minyak bumi. Persediaan minyak bumi semakin lama semakin menipis, sedangkan kebutuhan akan energi semakin meningkat, selain persediaan minyak bumi yang semakin menipis penggunaan minyak bumi juga menghasilkan gas buang yang mengakibatkan terjadinya pemanasan global atau biasa disebut global warming, untuk mengatasi masalah tersebut sudah saatnya untuk beralih ke energi terbarukan, salah satu energi terbarukan adalah energi angin. Kincir angin digunakan untuk memperoleh energi angin. Kincir angin yang akan dibahas adalah kincir angin Savonius dengan dua tingkat, dua sudu atas dan dua sudu bawah.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi, daya kincir, koefisien daya dan tip speed ratio (TSR) pada kincir angin model Savonius dengan ukuran diameter kincir 92 cm, tinggi 60 cm, diameter kincir 74,3 cm, tinggi 74,3 cm, diameter 60 cm, tinggi 92 cm. Ketiga kincir tersebut memiliki ukuran luas frontal
2
yang sama yakni 5520 cm . Untuk menentukan torsi, daya kincir, koefisien daya dan (TSR), kincir dihubungkan ke generator yang tersambung ke
tip speed ratio
rangkaian lampu-lampu yang berfungsi sebagai beban. Besarnya beban pengimbang torsi diukur dengan neraca pegas, tachometer berfungsi untuk mengukur besarnya putaran poros kincir sedangkan untuk mengukur kecepatan angin menggunakan anemometer.
Dari hasil-hasil penelitian menunjukkan daya kincir maksimal sebesar 36,87 watt didapatkan pada kincir dengan diameter 60 cm, tinggi 92 cm saat kecepatan angin 6,11 m/s dan menghasilkan torsi sebesar 1,37 Nm, sedangkan koefisien daya tertinggi juga didapatkan dari kincir dengan diameter 60 cm, tinggi 92 cm sebesar 46,7 % pada saat TSR 1,3
Kata kunci : koefisien daya, daya kincir, torsi, tip speed ratio
xvi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ABSTRACT
This study aims to identify and find the torque, powers, the coefficient of power and tip speed ratio (TSR) in a model of Savonius windmill with two floors, two upper and two leaves of the lower blade.
The whell size of the diameter made with three variations, 92 cm, 74,3 cm, and 60 cm. While the size of a windmill in height 60 cm, 74,3 cm, 92 cm model.
2 The third mill has a front surface of the same size which is 5520 cm . To measure
and find the torque, Power Wheels, coefficient of power and tip speed ratio (TSR), Windmill connected to a generator, the generator connected to a series of lights that it functions as the load. The amount of the par load balancer measured by the spring of balance, a tachometer use to measure the speed of the whells, anemometer use to measurement the speed off the wind.
From the research results can be drawn some conclusions which windmill power 36,87 watts maximum obtained at the factory with a diameter of 60 cm, height 92 cm at wind speed of 6,11 m/s and 1,37 Nm of torque. While the maximum power coefficient is also obtained from the wheel with a diameter of 60 cm, 92 cm high by 46,7% at TSR 1,3
Keywords : power, torque, coefficient, tip speed ratio
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Ketergantungan terhadap energi semakin lama semakin meningkat, salah satu energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah energi listrik. Sejak ditemukan pada awal abad 19, pemakaian energi listrik semakin lama semakin berkembang. Pada permulaan abad ke-19 energi listrik dimanfaatkan untuk penerangan kemudian berkembang untuk menggerakkan motor-motor dalam industri, keberadaan motor listrik ini banyak memberi sumbangan bagi kemajuan industri-industri yang juga akan mendorong kemajuan suatu bangsa. Energi listrik pada generator listrik diperoleh dengan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Salah satu cara yang umum digunakan untuk menghasilkan energi mekanik pada generator listrik adalah dengan menggunakan motor berbahan bakar minyak bumi.
Banyak negara-negara di dunia menggunakan minyak bumi sebagai sumber energi terbesarnya. Bahan bakar minyak bumi yang terus menerus digunakan persediaannya semakin menipis sedangkan kebutuhan terhadap energi semakin meningkat. Untuk menghasilkan minyak bumi lagi diperlukan waktu yang sangat lama. Selain masalah persediaan bahan bakar minyak bumi yang semakin menipis, pemakaian energi bahan bakar minyak bumi tersebut juga
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
menghasilkan gas buang atau sisa pembakaran berupa gas CO dan CO
2 yang
memiliki dampak negatif terhadap bumi. Salah satu akibat dari pemakaian bahan bakar minyak bumi adalah global warming atau biasa disebut pemanasan global.
Jika hal tersebut tidak diatasi akan sangat mengganggu kelangsungan hidup manusia dan lingkungannya.
Untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak bumi dan dampak global warming tersebut maka sudah saatnya untuk beralih ke energi terbarukan demi masa depan manusia dan bumi. Energi terbarukan adalah energi yang ramah lingkungan dan secara cepat dapat diproduksi kembali. energi angin merupakan energi terbarukan yang berkembang di dunia saat ini. Kincir angin adalah alat yang digunakan untuk memperoleh energi angin. Salah satu jenis dari kincir angin adalah kincir angin Savonius. Kincir angin Savonius adalah temuan dari sarjana Finlandia bernama S. Savonius. Kincir ini termasuk jenis kincir angin dengan sumbu vertikal, dengan rotor yang tersusun dari dua buah atau lebih sudu setengah silinder. Konsep turbin angin Savonius ini cukup sederhana, praktis, tidak terpengaruh oleh arah angin, memiliki putaran yang kuat di awal putaran dan dapat beroperasi pada kecepatan angin yang rendah.
Penelitian ini dimaksudkan untuk mendapatkan unjuk kerja kincir angin Savonius yang lebih tinggi dari penelitian sebelumnya, dan dapat menambah pengetahuan tentang energi terbarukan khususnya kincir angin Savonius. Dengan mengembangkan energi terbarukan kita telah turut serta ikut andil, dalam mengatasi masalah ketergantungan terhadap energi dan masalah pemanasan global pada bumi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1.2 Rumusan Masalah
Dalam proses pengujian kincir angin ini diharapkan diperoleh data-data kincir angin dengan tiga variasi ukuran yang berbeda. Pengujian dilakukan dengan memakai terwongan angin di Laboratorium Universitas Sanata Dharma, berbentuk kotak dengan aliran udara searah. Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah: a.
Pengaruh tiga variasi ukuran model kincir angin terhadap koefisien daya yang didapat b.
Bagaimana unjuk kerja dari kincir angin Savonius dua tingkat dengan jumlah sudu atas dan bawah masing-masing dua sudu, yang akan diuji di Laboratorium Universitas Sanata Dharma
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah untuk memfokuskan pembahasan dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut: a.
Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin Savonius dua tingkat dengan jumlah sudu atas dan bawah masing-masing dua sudu
2 b.
, Luas frontal ketiga variasi model kincir adalah sama yakni 5520 cm yang masing-masing berukuran 92 x 60 cm, 74,3 x 74,3 cm dan 60 x
92 cm c. Besaran-besaran yang diukur meliputi: 1.
Kecepatan angin
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2.
Suhu udara sekitar 3. Putaran poros 4. Gaya d. Besaran-besaran yang dicari meliputi: 1.
Torsi 2. Densitas (ρ) udara 3. Koefisien daya
4. (Tip Speed Ratio)
1.4 Tujuan Penelitian a.
Membuat tiga model kincir angin Savonius dengan ukuran luas frontal sama yakni 92 x 60 cm, 60 x 92 cm dan 74,3 x 74,3 cm b.
Menemukan hubungan antara daya kincir dan torsi pada kincir angin ketika dilakukan perubahan kecepatan angin dan ukuran pada kincir angin c.
(tip speed ratio) Menemukan hubungan antara koefisien daya dan pada tiga variasi ukuran kincir angin tersebut d.
Menemukan hubungan ukuran kincir angin dan koefisien daya yang paling tinggi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1.5 Manfaat Penelitian a.
Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin dan pemanfaatannya b.
Mengembangkan minat dan kepedulian terhadap energi terbarukan untuk menjaga dan melestarikan bumi ini c.
Diharapkan dapat membantu daerah pemukiman masyarakat pedesaan yang masih belum teraliri listrik d.
Menambah referensi di Universitas Sanata Dharma dan diluar Universitas Sanata Dharma dalam rangka pengembangan ilmu pengetahuan khususnya dalam energi angin
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB II DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Angin
Angin bisa dirasakan dalam kehidupan sehari-hari tetapi tidak dapat dilihat, angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan suhu udara dan tekanan udara. Angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah atau dari suhu yang rendah ke suhu udara yang tinggi. Tekanan udara terjadi akibat pemanasan matahari terhadap atmosfir dan permukaan bumi. Hal ini berkaitan dengan besarnya energi panas matahari yang diterima oleh permukaan bumi. Pada suatu wilayah daerah yang menerima energi panas matahari lebih besar akan mempunyai suhu udara yang lebih tinggi dan tekanan udara yang lebih rendah, sehingga terjadi aliran udara pada wilayah tersebut. Perputaran bumi pada sumbunya akan menimbulkan gaya yang akan mempengaruhi arah pergerakan angin. Pada belahan bumi utara angin berputar melawan putaran arah jarum jam, sementara di belahan bumi bagian selatan angin berputar searah jarum jam.
Arah angin ditentukan oleh darimana angin itu berhembus, angin barat berarti angin yang berhembus dari barat ke timur demikian pula angin tenggara berarti angin yang berhembus dari tenggara ke barat daya. Angin bergerak dengan kecepatan bervariasi, kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
letak tempat dimana kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dibandingkan dengan tempat yang jauh dari garis kahtulistiwa. Semakin tinggi suatu tempat maka semakin tinggi kecepatan anginnya, hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan. Faktor gesekan antara lain, permukaan tanah yang tidak rata, pohon, gedung dan topografi yang tidak rata lainnya. Sehingga semakin tinggi suatu tempat maka faktor gesekannya akan semakin kecil dan mengakibatkan kecepatan angin yang lebih tinggi.
Meskipun pada kenyataan angin tidak dapat dilihat namun kita dapat merasakan dan melihat akibat yang ditimbulkan angin, contoh daun di pepohonan yang bergerak akibat adanya angin berhembus. Untuk mengukur arah dan kecepatan dari angin digunakan alat sebagai berikut:
1. Anemometer, yaitu alat untuk mengukur kecepatan angin 2.
Wind vane, alat untuk mengukur arah angin 3. Windsocks, alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar dan kecepatan angin dengan sudut gantungnya, biasanya alat ini ditemukan di bandara-bandara.
Potensi angin di Indonesia termasuk rendah, tetapi Indonesia memiliki garis pantai yang luas dan dapat digunakan sebagai lahan untuk kincir angin. Berikut ini adalah peta potensi angin yang ada di Indonesia.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 2.1 Peta potensi angin Indonesia
(Sumber:
Dari peta potensi angin yang ada di Indonesia dapat diihat bahwa potensi angin terbesar terletak di kepulauan Sumba, Sumbawa, Lombok dan Bali berkisar antara 4,6-6,0 m/s. Setiap daerah di Indonesia perlu mengenali sumber energi terbarukan yang ada dan memanfaatkannya serta mengurangi pemakaian energi tidak terbarukan.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang digunakan untuk menangkap atau memperoleh energi angin, yang selanjutnya diubah menjadi bentuk energi mekanis. Prinsip dari ke.rja angin ini adalah sebagai berikut: PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI a.
Angin bertiup ke arah ke sudu kincir angin b.
Sudu tersebut akan bergerak karena adanya angin c. Bilah/sudu tersebut terhubung dengan poros, sehingga ketika sudu tersebut bergerak maka porosnya akan berputar d.
Putaran poros tersebut dihubungkan ke generator melalui sambungan roda gigi pada transmisi e.
Transmisi tersebut dihubungkan ke generator, dari generator energi mekanik akan diubah menjadi energi listrik f.
Dari generator, energi listrik menuju transformer untuk menaikkan tegangannya kemudian baru didistribusikan Walaupun ada berbagai macam bentuk dan ukuran, kincir angin dikelompokkan menjadi dua berdasarkan kedudukan poros terhadap permukaan tanah. Yaitu kincir angin poros tegak (vertical axis wind turbine) dan kincir angin poros mendatar (horizontal axis wind turbine).
Kelebihan dari kincir angin poros tegak adalah dapat menerima angin dari segala arah, sedangkan untuk kincir angin poros mendatar diperlukan peralatan tambahan untuk membuat arah angin selalu searah dengan kedudukan poros. Kincir angin poros tegak tidak terlalau membutuhkan kecepatan angin yang tinggi, sehingga cocok untuk digunakan di Indonesia yang memiliki potensi angin yang rendah. Pada awalnya kincir angin digunakan untuk pertanian, digunakan untuk menggiling hasil-hasil pertanian, irigasi, pompa. Kincir angin atau turbin angin pada masa modern sekarang ini banyak digunakan untuk menghasilkan listrik. Banyak negara-negara yang sudah mengembangkan energi angin sebagai
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
sumber energi terbarukan untuk mengurangi ketergantungannya terhadap energi fosil (minyak bumi, batubara, gas alam) di negaranya masing-masing.
2.3 Gaya Drag dan Lift
Kincir angin model Savonius menggunakan gaya drag, dimana kincir angin akan bergerak akibat adanya gaya drag. Gaya drag atau gaya hambat (kadang disebut hambatan fluida), adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (cairan atau gas). Gaya ini dialami oleh benda yang bergerak di udara. Pada benda yang diam gaya hambat udara nol, ketika benda mulai bergerak gaya hambat udara mulai muncul dan arahnya berlawanan dengan arah gerak, bersifat menghambat gerakan. Semakin cepat suatu benda bergerak maka gaya hambat udaranya juga akan semakin besar. Bentuk gaya hambat yang umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah arah tegak lurus dengan permukaan benda.
Gaya lift atau gaya angkat (lift) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang. Dalam teknologi pesawat terbang, gaya lift didapatkan dari desain pesawat terbang yang menyebabkan tekanan udara yang berada di bawah permukaan sayap lebih besar daripada tekanan udara diatas permukaan sayap.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
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: (1) dengan :
Sedangkan daya adalah energi per satuan waktu, maka dari persamaan (1) dapat dituliskan: (2) dengan : daya angin, watt massa udara yang mengalir dalam waktu, kg/s
3
massa jenis udara, kg/m
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
(3) dengan :
2
luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh kincir/sudu, m Dengan menggunakan persamaan (3), maka daya angin (P a ) dapat dirumuskan menjadi: atau dapat disederhanakan menjadi:
(4)
2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya
Salah satu tujuan dari tugas akhir ini adalah menentukan daya dan torsi yang dihasilkan kincir yang telah diuji.
Perhitungan Torsi
Torsi adalah perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Atau dapat dirumuskan sebagai berikut:
(5) dengan : = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros, Nm
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
= gaya pada poros akibat puntiran = jarak lengan ke poros, m
Daya Kincir
Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai berikut: (6) dengan :
= torsi = kecepatan sudut, rad/s
Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut ( ω) dirumuskan sebagai berikut: maka besarnya daya kincir berdasarkan persamaan (6) dapat dinyatakan dengan:
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
dengan : = daya poros kincir angin, watt
= putaran poros setiap menit, rpm
2.4.3 Tip Speed Ratio Tip speed ratio ( ) adalah perbandingan kecepatan ujung sudu kincir
angin yang berputar melingkar dengan kecepatan angin yang melewatinya. Dapat dirumuskan: dengan :
= jari
- – jari sudu = putaran sudu, rpm
= kecepatan angin
2.4.4 Koefisien daya
Koefisien daya (power coefficient /C p ) dapat digunakan untuk menggantikan istilah efisiensi atau unjuk kerja, adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang tersedia (P ), dengan daya
a
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
yang dihasilkan oleh sistem kincir angin (P k ). sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut: dengan :
= koefisien daya, % = daya yang dihasilkan oleh kincir, watt
= daya yang dihasilkan oleh angin, watt
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB III METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan di Laboratorium Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, Terowongan angin yang dgunakan berbentuk kotak dengan aliran
udara searah. Penelitian dilakukan dari tanggal 20 Maret 2011 sampai tanggal 10 April 2011.
3.1 Peralatan dan Bahan
Jenis kincir angin yang digunakan adalah kincir angin jenis Savonius dua tingkat dengan jumlah sudu atas dan sudu bawah masing-masing 2 sudu, seperti Gambar 3.1.
Poros vertikal Sudu atas Tinggi (t)
Sudu bawah Diameter (d)
Gambar 3.1 Bagian-bagian utama kincir angin SavoniusPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.1.1 Bagian-bagian Utama Kincir
1. Poros Utama Poros utama dalam kincir angin berfungsi sebagai pusat perputaran sudu.
Poros utama dihubungkan ke sebuah generator listrik. Bahan poros utama yang digunakan dalam kincir angin jenis Savonius ini terbuat dari pipa PVC, Gambar
3.2. Diharapkan dengan bahan PVC tersebut kincir angin menjadi lebih ringan dan dapat berputar lebih cepat.
Ø 1,5 ’
Gambar 3.2 Poros utama 2.Sudu
Sudu atau blade adalah suatu komponen dalam kincir angin yang berfungsi untuk memperoleh energi angin. Sudu yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari bahan seng, selain kuat bahan ini juga ringan sehingga cocok digunakan sebagai sudu. jumlah sudu atas dan bawah masing-masing 2 sudu.
Setiap sudu berbentuk setengah lingkaran, untuk lebih jelasnya lihat Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sudu kincir anginPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3.
Alas Sudu
Alas sudu berfungsi sebagai tempat dimana sudu dipasang, Alas sudu digunakan agar sudu tidak bergeser atau berpindah tempat yang juga berfungsi untuk menghubungkan antara sudu atas dan sudu bawah. Bahan yang digunakan untuk alas sudu ini terbuat dari bahan triplek dengan ketebalan 4 mm.
Gambar 3.4 Alas sudu3.1.2 Peralatan Pendukung Dalam Pengambilan Data 1. Wind Tunnel (terowongan angin)
Wind tunnel berbentuk kotak pada ujungnya, berfungsi untuk
menangkap angin yang dihisap oleh fan blower. Kincir angin diuji didalam wind tunnel. Lihat pada Gambar 3.5.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 3.5 Wind tunnel 2.Fan Blower Fan blower
terletak di belakang wind tunnel dengan daya 5,5 Kw, yang berfungsi untuk menghisap udara melalui wind tunnel.
Gambar 3.6 Fan blowerPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3.
Anemometer
Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan angin yang ada di dalam wind tunnel, anemometer ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Anemometer 4.Stopwatch Stopwatch seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8, digunakan untuk
mencatat waktu yang digunakan pada saat pengambilan data kincir angin.
Gambar 3.8 StopwatchPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5. Neraca pegas
Neraca pegas yang ditunjukkan pada Gambar 3.9 digunakan untuk mengukur beban pengimbang torsi dinamis.
Gambar 3.9 Neraca pegas 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 lampuPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 7.
Generator Generator seperti terlihat pada Gambar 3.11 dihubungkan dengan
rangkaian beban lampu, yang nantinya berfungsi sebagai penghambat/pengerem putaran kincir dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.
generator
Gambar 3.11 Generator yang terpasang pada sistem pengereman 8.Tachometer Tachometer berfungsi untuk mengetahui kecepatan putaran kincir
angin data yang dibutuhkan. Tachometer yang dipakai ditunjukkan pada Gambar 3.12.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 3.12 Tachometer3.2 Variabel Penelitian
Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian adalah:
1. Variabel ukuran kincir adalah a.
Diameter 92 cm, tinggi 60 cm b.
Diameter 74,3 cm, tinggi 74,3 cm dan
c. Diameter 60 cm, tinggi 92 cm 2.Variasi kecepatan angin adalah 3 s/d 6,7 m/s 3. Variasi beban dengan menggunakan rangkaian lampu
3.3 Variabel Yang Diukur
Variabel yang diukur sesuai dengan tujuan dari penelitian ini adalah: 1.
Kecepatan angin ( ) 2. Putaran kincir/poros ( ) 3. Gaya pengimbang torsi ( )
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.4 Parameter Yang Dihitung
Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik dari kincir angin adalah:
1. Daya angin ( ) 2.
Daya kincir ( ) 3. Torsi 4. Koefisien daya ( ) 5. Tip speed ratio (
Langkah pertama dalam pengambilan data penelitian adalah dengan memposisikan kincir angin pada wind tunnel seperti Gambar 3.13 berikut. Kincir angin disambungkan dengan transmisi sabuk yang berada di bawah wind tunnel.
Gambar 3.13 Posisi kincir anginPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
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 menghubungkan antara neraca pegas dan lengan pada generator
3. Memposisikan anemometer seperti pada Gambar 3.14 untuk mengukur kecepatan angin di dalam wind tunnel.
Gambar 3.14 Posisi anemometer pada wind tunnel 4.Menghubungkan generator ke rangkaian lampu dimana rangkaian lampu ini berfungsi sebagai variasi beban
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 5.
Rangkaian lampu diposisikan pada posisi saklar off semua terlebih dahulu, pengujian dilakukan dengan mengubah posisi saklar rankaian lampu satu persatu menjadi on.
6. Jika sudah selesai, blower dinyalakan untuk menghembuskan angin pada wind tunnel. Untuk mengatur kecepatan angin dilakukan dengan cara merubah jarak blower terhadap wind tunnel untuk menentukan kecepatan angin dari 3 sampai 6,7 m/s
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 menggunakan tachometer yang diarahkan pada puli besar di bawah wind tunnel
9. Data yang telah diperoleh pada pengamatan tersebut kemudian dicatat 10.
mengulangi langkah 5 sampai langkah 9 tersebut, untuk 4 hingga 7 variasi kecepatan dan 2 kincir lainnya
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian
4.1.1 Data Penelitian Kincir Angin Dengan Diameter 92, Tinggi 60 Cm
Dalam penelitian ini data yang akan diambil berupa data kecepatan angin, putaran kincir, gaya torsi dan suhu udara, data tersebut diperoleh dari kincir yang berputar Data penelitian diperoleh dari pengambilan data torsi pada kincir angin diameter 92 cm. pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan angin dari 3,8 sampai 6,1 m/s hingga kincir angin hampir berhenti berputar. Pembebanan variatif dilakukan dengan menggunakan rangkaian lampu. Dari penelitian didapatkan data pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir angin dengan diameter 92, tinggi 60 cmNo. V (m/s) Temperatur (°c) Beban (gram) Putaran (rpm)
1 5,97 28,60 390 215,13
2 5,96 28,63 700 182,80
3 5,91 28,80 870 157,87
4 6,10 29,00 900 141,87
5 6,07 28,93 990 124,83
6 5,98 29,10 995 111,60
7 5,99 29,17 1000 108,70
8 5,96 29,20 1010 100,16
9 5,97 29,43 1010 83,98