Unjuk kerja kincir angin propeler berbahan kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm.

(1)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

AGUSTINUS KURNIAWAN NIM : 115214061

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA 2015

(2)

INTISARI

Energi mempunyai peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan lingkungan. Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah energi angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja terbaik atau koefisien daya tertinggi kincir angin poros horizontal yang terbuat dari bahan kayu berlapis seng.

Model kincir angin yang digunakan dalam penelitian ini adalah kincir angin propeler tiga sudu yang terbuat dari bahan kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma. Variasi yang diambil dalam penelitian adalah lebar dari sudu-sudu kincir dari sektor busur 70º, 80º, dan 90º. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.

Hasil penelitian kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 70º menghasilkan koefisien daya terbaik dari semua variasi yaitu dengan koefisien daya maksimal (CPmax) sebesar 31,72% pada tip speed ratio (tsr) 3,59, sedangkan

kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 80º menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 28,57% pada tip speed ratio 3,33, dan kincir angin dengan variasi sudu dari sector busur 90º menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 27,33% pada tip speed ratio 3,32.

(3)

ABSTRACT

Energy has an important role to fill all human needs in economic, social, and environmental sector. Nowadays, the utilization of renewable energy is needed with increasingly limited fuel production. Limited production of fuel makes increment of fuel prices. One of the renewable energy that can be developed in Indonesia is wind energy. This study aims to find out the best performance or highest power coefficient horizontal axis windmills made of zinc-plated wood.

A three- blade propeller windmill made of zinc-coated wood material from blanket pieces cone were used as the model windmills in this study. The windmild is 30 cm of diameter length and 15 cm of small diameter length along 36.5 cm. The study was conducted by using a wind tunnel in the energy conversion laboratory of the University of Sanata Dharma. The variations which taken in the study was the width of the blades of the windmill of the arc sector 70º, 80º, and 90º. Data which taken at that time was the wind speed, wheel rotation axis and ballast style torque.

Results of windmill research with a variation of 70º arc sector produces the best power of all of coefficient variation. It was the maximum power coefficient (CPmax). The amount was 31.72 % at the tip speed ratio (tsr) of 3.59, while the

windmill blade with a variety of sectors 80º arc produces a maximum power coefficient of 28.57 % on a tip speed ratio of 3.33, and a windmill with a blade variation of 90º arc sector produces maximum power coefficient of 27.33 % on a tip speed ratio of 3.32.

(4)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

AGUSTINUS KURNIAWAN NIM : 115214061

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA 2015

(5)

THE PERFORMANCE OF PROPELLER WINDMILL MADE

OF ZINC PLATED WOOD FROM PART OF CONE WITH 30

CM LARGE DIAMETER, 15 CM SMALL DIAMETER AND

36,5 CM LENGTH

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

By :

AGUSTINUS KURNIAWAN NIM : 115214061

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA 2015

(6)

iii

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

Disusun Oleh:

AGUSTINUS KURNIAWAN NIM : 115214061

Telah Disetujui Oleh: Dosen Pembimbing : Pada tanggal 18 Juni 2015

(7)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

Yang dipersiapakan dan disusun oleh:

NAMA : AGUSTINUS KURNIAWA

NIM : 115214061

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tanggal 18 Juni 2015

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda tangan

Ketua : R.B. Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si. ___________

Sekretaris : Wibowo Kusbandono, S.T., M.T. ___________

Anggota : Ir. Rines, M.T. ___________

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, Juni 2015

Dekan

(8)

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR

Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam Tugas Akhir dengan judul:

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk

menjadi Sarjana Teknik pada Program Strata-1, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas

Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Sejauh yang saya

ketahui bukan merupakan tiruan dri tugas akhir yang sudah dipublikasikan di

Universitas Sanata Dharma maupun Perguruan Tinggi manapun. Kecuali bagian

informasinya dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat di : Yogyakarta

Pada : 18 Juni 2015

Yogyakarta, 18 Juni 2015 Penulis

(9)

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yamg bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : Agustinus Kurniawan

Nomor Mahasiswa : 115214061

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERBAHAN

KAYU BERLAPIS SENG DARI POTONGAN SELIMUT

KERUCUT DENGAN DIAMETER BESAR 30 CM DAN

DIAMETER KECIL 15 CM SEPANJANG 36,5 CM

Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikanya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Yogyakarta

Pada : 18 Juni 2015

Yogyakarta, 18 Juni 2015 Penulis

(10)

vii

INTISARI

(11)

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas

berkat, rahmat dan bimbinganNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas

akhir ini. penyusunan Tugas akhir ini dimasudkan untuk melengkapi mata Kuliah

Tugas akhir sebagaimana halnya tugas ini merupakan aplikasi dari teori yang

telah diberikan diperkuliahan dengan keadaan yang sesungguhnya dilapangan.

Selain itu Tugas akhir ini merupakan mata kuliah wajib yang harus dipenuhi oleh

mahasiswa jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi Sanata Dharma

dalam rangka memenuhi sebagian persyaratan menempuh kesarjanaan strata 1

teknik mesin.

Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan Tugas akhir ini tidak

lepas dari peran berbagai pihak yang telah banyak memberikan bantuan, nasehat,

bimbingan dan dukungan. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan

terima kasih yang tak terhingga khususnya kepada:

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

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

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

Sains dan Teknologi.

3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA sekaligus Dosen

Pembimbing Akademik.

4. Kedua orang tua saya tercinta, Bapak Suroso dan Ibu Indah yang telah

(12)

5. Seluruh jemaat GMII Tiranus Yogyakarta yang telah senantiasa

membimbing pertumbuhan rohani penulis dan mendukung dalam doa.

6. Rekan - rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma.

7. Seluruh Dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis sangat menyadari bahwa penulisan laporan tugas akhir ini masih

jauh dari sempurna, baik ditinjau dari segi bobot materi maupun bentuk

penyajianya. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang

membangun dari semua pihak sebagai masukan dan koreksi atas kekurangan isi

dari laporan tugas akhir ini.

Akhir kata semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca

penulis pun berharap semoga setidak – tidaknya Laporan tugas akhir ini dapat membantu dan berguna bagi mahasiswa pada umumnya. Terima Kasih.

Yogyakarta, 18 Juni 2015

Penulis,

(13)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

LEMBAR PRNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi

INTISARI ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR TABEL ... xiv

DAFTAR SIMBOL ... xv BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 _{Latar Belakang} ... 1

1.2 _{Perumusan Masalah} ... 2

1.3 _{Batasan Masalah} ... 2

1.3 _{Tujuan Penelitian} ... 3

1.5 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 6

2.1 Konsep Dasar Angin ... 6

2.2 Kincir Angin ... 6

2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 6

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9

2.3 Rumus-rumus Perhitungan ... 12

2.3.1 Daya Angin ... 12

2.3.2 Torsi Kincir Angin ... 13

2.3.3 Daya Kincir Angin ... 14

2.3.4 tip speed ratio ... 16

(14)

BAB III METODE PENELITIAN ... 18

3.1 Bahan ... 18

3.2 Alat-alat ... 19

3.3 Desain Kincir ... 26

3.4 Variabel Penelitian ... 31

3.5 Variabel yang Diukur ... 31

3.6 Variabel yang Dihitung ... 31

3.7 Langkah Percobaan ... 32

3.6 Langkah Pengolahan Data ... 33

BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA ... 35

4.1 Data Percobaan ... 35

4.2 Perhitungan ... 37

4.2.1 Daya Angin ... 37

4.2.2 Daya Kincir ... 38

4.2.3 Tip speed ratio ... 39

4.2.4 Koefisien Daya Kincir ... 39

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 40

4.4 Grafik Hasil Perhitungan ... 43

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 52

4.1 Kesimpulan ... 52

4.2 Saran ... 53

DAFTAR PUSTAKA ... 54

(15)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir angin propeller

Gambar 2.2 Kincir angin American multiblade

Gambar 2.3 Kincir angin Savonius Gambar 2.4 Kincir angin Darrieus Gambar 2.5 Hubungan antara F dan r

Gambar 2.6 Diagram Cp vs tsr untuk berbagai jenis yang banyak dikenal

Gambar 3.1 Terowongan angin Gambar 3.2 Blower

Gambar 3.3 Anemometer

Gambar 3.4 Tachometer

Gambar 3.5 Neraca pegas

Gambar 3.6 Mekanisme pengereman Gambar 3.7 Bentuk kincir yang diteliti Gambar 3.8 Bentuk sudu kincir

Gambar 3.9 Garis potongan pada permukaan kerucut

Gambar 3.10 Perbedaan ukuran dari setiap variasi sudu kincir Gambar 3.11 Bentuk mal yang digunakan dalam pembuatan kincir Gambar 3.12 Desain rotor yang digunakan

Gambar 3.13 Skema susunan alat-alat pengujian

Gambar 4.1 Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk sudu dari sektor busur 700

Gambar 4.2 Hubungan daya kincir dan putaran poros untuk sudu dari sektor busur 700

Gambar 4.3 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk sudu dari sektor busur 700

Gambar 4.4 Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk sudu dari sektor busur 800

Gambar 4.5 Hubungan daya kincir dan putaran poros untuk sudu dari sektor busur 800

(16)

xiii

Gambar 4.6 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk sudu dari sektor busur 800

Gambar 4.7 Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk sudu dari sektor busur 900

Gambar 4.8 Hubungan daya kincir dan putaran poros untuk sudu dari sektor busur 900

Gambar 4.9 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk sudu dari sektor busur 900

Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk tiga variasi sudu dari sektor busur 700, 800, dan 900

Gambar L.1 Model kincir angin propeler sektor sudut dari sektor busur 70º Gambar L.2 Model kincir angin propeler sektor sudut dari sektor busur 80º Gambar L.3 Model kincir angin propeler sektor sudut dari sektor busur 90º Gambar L.4 Penjepit pada sistem pengereman

Gambar L.5 Kincir angin yang terpasang pada terowongan angin Gambar L.6 Pengujian kincir angin

(17)

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 700

Tabel 4.2. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 800

Tabel 4.3. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 900

Tabel 4.4. Data perhitungan untuk variasi sudu dari sektor busur 700

Tabel 4.5. Data perhitungan untuk variasi sudu dari sektor busur 800

(18)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

v Kecepatan angin (m/s)

n Kecepatan putar kincir (rpm)

F Gaya pengimbang (N)

A Luas penampang (m2)

T Torsi (N.m)

ω Kecepatan sudu (rda/s)

Pin Daya angin (watt)

Pout Daya kincir (watt)

tsr tip speed ratio

Cp Koefisien daya (%)

r Panjang lengan torsi (m)

d Diameter kincir (m)

R Jari-jari

Ek Energi kinetik (joule)

m Massa (kg)

ṁ Massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s)

(19)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kehidupan manusia tidak terlepas dari kebutuhannya terhadap energi.

Energi mempunyai peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan

manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan lingkungan. Kebutuhan energi di

dunia terus meningkat, hal ini terjadi karena disebabkan oleh pertambahan

penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri yang

senantiasa meningkat.

Energi terbarukan adalah hal yang sangat penting sebagai pengganti bahan

bakar minyak. Seiring berjalannya waktu, ketersediaan bahan bakar minyak

tersebut kini semakin menipis. Kelangkaan yang terjadi dikarenakan adanya

ketidakpedulian dan pemborosan dalam penggunaan bahan bakar minyak tersebut.

Keterbatasan produksi bahan bakar minyak juga menjadikan harga bahan bakar

naik. (ESDM, 2010).

Indonesia sebagai negara kepulauan yang dua per tiga wilayahnya adalah

lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 km

merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga

angin., demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5-8 m/s.

(20)

Pemanfaatan dan pengembangan energi angin di Indonesia dirasa masih

belum maksimal. Salah satu pemanfaatan energi angin yang paling efisien adalah

mengubahnya menjadi energi listrik. (Wibowo, 2012)

1.2 Perumusan Masalah

Masalah yang ingin dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Angin merupakan sumber energi yang berlimpah dan terdapat hampir

diseluruh permukaan bumi yang pemanfaatannya masih sangat minim

sehingga masih perlu dimaksimalkan.

2. Desain kincir yang tepat akan dapat menghasilkan listrik dengan

efisiensi yangi tinggi.

3. Pengaruh sudut bagian kelengkungan bagian kerucut kincir angin

poros horizontal terhadap torsi dan koefisien daya.

1.3 Batasan Masalah

Batasan-batasan dalam penelitian kincir angin ini adalah sebagai berikut :

1. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros

horizontal dengan jumlah tiga sudu berbahan dasar perpaduan antara

kayu dan seng.

2. Bentuk kincir diambil dari potongan selimut kerucut dengan diameter

besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm.

3. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin,

(21)

4. Putaran poros di ukur dengan menggunakan tachometer.

5. Dalam penelitian ini ada tiga variasi yang di ambil. tiga variasi yang

diambil dalam penelitian adalah lebar dari sudu-sudu kincir dari sektor

busur 70º, 80º, dan 90º.

6. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin

(wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata

Dharma.

7. Kecepatan udara dalam wind tunnel dianggap uniform.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan-tujuan yang ingin dicapai pada Tugas Akhir ini adalah :

1. Merancang dan membuat kincir angin poros horizontal tiga sudu

terbuat dari bahan kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut

dengan diameter besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5

cm.

2. Mengetahui unjuk kerja terbaik atau koefisien daya tertinggi dari tiga

variasi ukuran kincir angin poros horizontal dari bahan kayu berlapis

seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan

diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm.

3. Mengetahui kemampuan kerja yang paling efisien dari tiga variasi

(22)

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Bagi penulis

a. Mempelajari lebih mendalam mengenai energi terbarukan

khususnya energi angin dan pemanfaatannya di Indonesia,

sehingga dapat memaksimalkan pemanfaatannya.

b. Mempelajari pembuatan kincir yang baik dengan bahan kayu dan

seng yang mudah ditemukan dimana-mana.

c. Menemukan desain kincir yang baik untuk memaksimalkan

pemanfaatan energi terbarukan yang murah dan ramah

lingkungan.

2. Bagi Akademik

a. Merupakan pustaka tambahan untuk menunjang proses perkuliahan. Terutama dalam mata kuliah pengembangan

rekayasa tenaga angin.

b. Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam tentang kincir angin pada jenjang yang lebih tinggi.

3. Bagi masyarakat/Industri

a. Menghemat penggunaan bahan bakar fosil yang semakin menipis.

Memberikan solusi terhadap masalah penyediaan energi yang

(23)

b. Memberikan solusi terhadap masalah penyediaan energi yang

murah dan tidak mencemari lingkungan. sehingga dapat

mengurangi penggunaan energy yang tidak ramah lingkungan,

baik dalam penggunaannya maupun dalam proses pembuatannya.

c. Sebagai kontribusi positif bagi dunia industri dalam mengurangi

(24)

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 tempat bertekanan udara rendah. Perbedaan

tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfer

yang tidak merata oleh sinar matahari. (Simbolon, 2012)

2.2 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang didesain sedemikian rupa dan

digunakan untuk menangkap energi angin dan mengubahnya menjadi energi

mekanik sehingga dapat dimanfaatkan untuk berbagai pekerjaan seperti

menumbuk biji-bijian, memompa air, dan yang saat ini paling banyak

dikembangkan adalah sebagai pembangkit listrik. (Hoesin, 1976)

Kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok besar berdasarkan porosnya,

yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal.

2.2.1 Kincir angin poros horizontal

Kincir angin poros horizontal adalah kincir angin yang memiliki poros rotor

utama di puncak menara. Kincir berukuran kecil biasanya menggunakan ekor

untuk menjaga kincir tetap mengarah pada arah angin, sedangkan kincir berukuran

besar biasanya digerakan oleh motor listrik dengan sensor untuk menjaga agar

(25)

sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Sebagian besar kincir berukuran

besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan

menjadi lebih cepat.

Ada beberapa kincir angin poros horizontal yang paling sering

dikembangkan yaitu kincir angin propeler seperti yang dinyatakan pada Gambar

2.1 dan kincir angin American multiblade pada Gambar 2.2.

Gambar 2.1. Kincir angin propeler (Sumber: lintas.me.com, diakses 21 April 2015)

(26)

Gambar 2.2. Kincir angin American multiblade

(Sumber: news.okezone.com, diakses 21 April 2015)

Ada beberapa kelebihan atau keunggulan yang dimiliki kincir angin poros

horizontal jika dibandingkan dengan kincir angin poros vertikal diantaranya

adalah:

a. Menara yang tinggi membuat kincir angin dapat mendapat akses angin

yang lebih baik.

b. Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi.

c. Kecepatan putar kincir relatif lebih tinggi jika dibanding sumbu vertikal

(27)

Meskipun memiliki beberapa kelebihan, kincir angin poros horizontal juga

memiliki kekuranga atau kelemahan diantaranya adalah:

a. Menara relatif tinggi sehingga memerlukan banyak material. Hal ini

menyebabkan biaya pembuatan menjadi besar.

b. Kincir dipasang pada puncak menara sehingga pemasangannya

memerlukan crane yang tinggi.

c. Kincir tidak dapat mererima angin dari segala arah sehingga

membutuhkan perangkat tambahan untuk menjaga kincir tetap mengarah

pada angin.

2.2.2 Kincir angin poros vertikal

Kincir angin poros vertikal adalah kincir angin yang memiliki poros rotor

utama yang tegak lurus terhadap sumbu horizontal. Menara atau tiang penyangga

kincir ini biasanya juga berfungsi sebagai poros utamanya. Kincir angin sumbu

vertikal dapat menerima angin dari segala arah..

Ada beberapa kincir angin poros vertikal yang paling sering dikembangkan

untuk kebutuhan industri maupun kepentingan penelitian, diantaranya adalah

kincir angin Savonius seperti pada Gambar 2.3 dan kincir angin Darrieus seperti

(28)

Gambar 2.3. Kincir Angin Savonius (Sumber: flickr.com, diakses 25 Febuari 2015)

Gambar 2.4. Kincir Angin Darrieus (Sumber: brighthub.org, diakses 25 Febuari 2015)

(29)

Kincir angin poros vertikal juga memiliki beberapa kelebihan dan

keunggulan jika dibanding dengan kincir angin poros horizontal, diantaranya

adalah:

a. Dapat menerima angin dari segala arah.

b. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

c. Secara teoritis tidak menggunakan banyak material.

d. Komponen-komponennya dapat dipasang dekat dengan tanah

sehingga mudah dirawat dan diperbaiki.

Terlepas dari beberapa kelebihan yang dimiliki, kincir angin poros

vertikal juga memiliki kekurangan-kekurangan, diantaranya adalah:

a. Karena umum dipasang dekat dengan permukaan tanah, maka

angin yang diperoleh kurang maksimal..

b. Untuk tipe Darrieus kurang mampu mengawali putaran sendiri

sehingga memerlukan alat bantu untuk memulai putaran

c. Untuk mengganti bantalan keseluruhan rotor harus dilepas.

d. Kincir angin poros vertikal yang menggunakan tali baja untuk

menyangganya.

e. Tekanan pada bantalan dasarnya besar karena semua berat rotor

(30)

2.3 Rumus-Rumus Perhitungan

Adapun Rumus-rumus yang digunakan dalam menghitung dan menganalisa

unjuk kerja kincir angin ini adalah sebagai berikut:

2.3.1 Daya Angin

Untuk menghitung energi kinetik pada angin secara umum dinyatakan

sebagai:

Ek = 1 2mv

_,

dengan:

Ek adalah energi kinetik (J).

m adalah massa udara (kg).

v adalah kecepatan angin (m/s).

Daya merupakan energi per satuan waktu, maka dari itu Pers.(1) dapat

dituliskan:

Pin = 1 2 v

dengan:

�� adalah daya yang dihasilkan angin, J/s (watt).

ṁ adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg/s.

v adalah kecepatan angin, m/s.

(1)

(31)

massa udara yan mengalir per satuan waktu adalah:

ṁ

=

ρA

v,

dengan:

ρ adalah massa jenis udara (kg/ 3)

A adalah luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2).

Dengan menggunakan Pers.(3), maka daya angin (Pin) dapat dirumuskan

menjadi:

Pin= 1 2(ρAv)v

yang dapat disederhanakan menjadi :

Pin = 1 2ρAv

3 ,

2.3.2 Torsi Kincir Angin

Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya

dorong pada sumbu kincir dan gaya dorong tersebut akan dikalikan dengan jarak

yang telah ditentukan. Persamaannya adalah:

T = rF

,

Hubungan antara F dan r ditunjukan pada Gambar 2.5.

(3)

(4)

(32)

Gambar 2.5. Hubungan antara F dan r.

dengan:

T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm).

F adalah gaya pada poros akibat dari puntiran (N).

r adalah jarak lengan torsi ke poros (m).

2.3.3 Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor kincir angin

akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya kincir angin tidak sama

dengan daya angin karena daya kincir angin terpengaruh oleh koefisien daya.

Daya efektif yang dapat diambil kincir angin adalah sebesar 59%. Angka

59% adalah batas Betz. Gambar 2.6 merupakan karakteristik dari beberapa kincir.

(33)

Gambar 2.6. Diagram Cpvstsr untuk berbagai jenis kincir angin yang

banyak dikenal

(Sumber: Johnson, 2006, hal. 18)

Untuk perhitungan daya gerak melingkar dapat dituliskan dengan

persamaan:

P = Tω,

dengan:

T adalah torsi dinamis (Nm).

ω adalah kecepatan sudut (rad/s).

(6)

American multiblade

(34)

Kecepatan sudut (ω) didapat dari:

ω = n rpm

= putaran

menit =

2 πn rad 60 s ω = nπ

rad/s

Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan

persamaan :

Pout = Tω

atau:

Pout = T

�

dengan:

pout adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt).

n adalahputaran poros (rpm).

2.3.4 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan kecepatan linier ujung sudu

(blade tip speed) terhadap kecepatan angin.

tsr = ��

(8)

(9) (7)

(35)

dengan:

� adalah kecepatan sudut (rad/s).

�adalah jari-jari kincir (m).

v adalah kecepatan angin (m/s).

2.3.5 Koefisien Daya

Koefisien daya (� ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (� ) dengan daya yang disediakan oleh angin (�_� ), sehingga dapat dirumuskan:

Cp =

�

��

100 %

dengan :

� adalah koefisien daya.

� adalah daya yang dihasilkan oleh kincir (watt).

�� adalah daya yang dihasilkan oleh angin (watt).

(36)

BAB III

METODE PENELITIAN

Pembuatan kincir dan penelitian dilakukan dengan dua tahap, yaitu pembuatan

kincir dan pelaksanaan penelitian. Pembuatan dan penelitian dilakukan di

Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

3.1 Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

a. Sudu dan rotor kincir

Bahan yang digunakan untuk membuat sudu dan rotor kincir dalam penelitian

ini adalah kayu yang kemudian dilapisi dengan plat seng setebal ¼ inci.

Sedangkan pada bagian pangkal sudu yang menempel pada rotor terbuat dari

resin.

b. Poros kincir

Poros yang digunakan pada kincir ini terbuat dari besi silindris pejal

berdiameter ¾ inci.

c. Bahan perekat

Bahan perekat yang digunakan untuk membuat sudu kincir ini adalah lem

kayu sebagai perekat antara plat seng dan kayu. Sedangkan bahan perekat

yang digunakan untuk membuat lengkungan pada sudunya adalah lem G yang

(37)

d. Bahan-bahan lainnya

1. Baut dan mur berdiameter 4mm dan 6mm digunakan untuk mengikat sudu

pada rotor.

2. Pipa aluminium berdiameter ½ inci digunakan untuk memperpanjang

poros sekaligus menghubungkan poros dengan system pengereman.

3.2 Alat-alat

Peralatan yang digunakan untuk pembuatan maupun penelitian adalah sebagai

berikut:

a. Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan kincir meliputi:

1. Mesin bor duduk

Mesin ini digunakan untuk membuat lubang – lubang untuk baut pengikat. 2. Gergaji

Gergaji digunakan untuk memotong bagian – bagian yang terbuat dari kayu.

3. Mesin gerinda duduk

Mesin ini digunakan untuk menghaluskan bagian tepi dari kayu maupun

plat seng.

4. Amplas

Amplas digunakan untuk menghaluskan permukaan kayu setelah diberi

(38)

5. Penggaris baja

Penggaris digunakan untuk membantu saat menarik garis dengan

penggores pada proses pelipatan seng.

6. Ragum

Ragum digunakan untuk menjepit / merapatkan bagian – bagian setelah di beri lem.

7. Gunting seng

Gunting seng digunakan untuk memotong seng pelapis permukaan sudu

kincir.

8. Paku kecil

Paku kecil digunakan untuk membuat lubang – lubang untuk jalur memasukan lem pada lipatan tepi sudu kincir.

9. Pisau Cutter

Pisau cutter digunakan untuk membelah bagian – bagian kayu supaya bisa di tekuk.

10.Mal

Mal digunakan untuk membuat kelengkungan pada sudu. Tujuan

(39)

b. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian meliputi:

1. Terowongan Angin

Terowongan angin adalah lorong yang berfungsi untuk menangkap

angin yang dihisap oleh blower, dan menjadi tempat untuk pengujian

kincir angin. didalam terowongan angin terdapat pipa besi tempat untuk

memasang kincir angin yang letaknya tepat di tengah-tengah trowongan

angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Terowongan angin.

2. Blower

Blower berfungsi untuk menghisap angin didalam terowongan angin,

sehingga angin akan mengalin melalui terowongan. Blower digerakkan

(40)

angin dengan kecepatan angin antara 8-9 m/s, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Blower

3. Anemometer

Anemometer berfungsi sebagai pengukur kecepatan angin yang

diletakkan di depan terowongan angin, untuk mengetahui kecepatan angin

yang masuk ke terowongan angin. Anemometer yang digunakan dalam

(41)

Gambar 3.3. Anemometer

4. Tachometer

Tachometer digunakan untuk mengukur kecepatan putar poros

kincir. Tachometer ini diarahkan pada piringan pengereman yang telah

diberi titik hologram sehingga dapat dibaca oleh Tachometer. Tachometer

yang digunakan dalam penelitian ini seperti yang ditunjukan pada Gambar

(42)

Gambar 3.4. Tachometer

5. Neraca Pegas

Neraca pegas digunakan untuk mengukur pembebanan yang

diberikan pada saat pengereman yang diasumsikan sebagai pengimbang

torsi dinamis. Neraca pegas yang digunakan dalam penelitian ini seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.

(43)

6. Mekanisme Pengereman

Mekanisme pengereman berfungsi sebagai pengerem atau

penghambat putaran kincir dalam melakukan pengambilan data torsi dan

daya kincir. Mekanisme pengereman yang digunakan mirip dengan rem

cakram pada sepeda motor. Mekanisme pengereman yang digunakan

dalam penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6.

(44)

3.3 Desain Kincir

Model kincir angin Propeler poros horizontal tiga sudu. Bentuk kincir

diambil dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan

diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm, yang dapat dilihat pada Gambar 3.7.

Kincir ini memiliki dua bagian utama yaitu sudu dan rotor.

Gambar 3.7. Kincir angin propeler poros horizontal tiga sudu yang diamati dalam penelitian ini.

(45)

1. Sudu

Sudu berfungsi untuk menangkap angin, sudu kincir angin terbuat dari

bahan perpaduan kayu yang dilapisi dengat seng. Bentuk sudu seperti pada

Gambar 3.8.

Gambar 3.8. Bentuk sudu kincir

Ada tiga variasi seperti pada Gambar 3.9 lebar sudu yang diambil dari potongan

selimut kerucut berdiameter besar 30 cm dan diambil hingga sepanjang 36,5 cm

kearah ujung berdiameter 15 cm. Sendangkan Ukuran lebar yang diambil adalah

dari sudut busur 70 ̊ , 80 ̊ , dan 90 ̊.

(46)

Dari hasil potongan di atas maka akan diperoleh lengkungan sudu yang

berupa puntiran. Jika dilihat dari teori aerodinamika, sisi lengkung sudu yang

membentuk puntiran akan dapat memberikan sudut serang (attack angle) angin

yang merata di sepanjang sudu. Dengan demikian akan diperoleh keseimbangan

dari kecepatan angin yang berbeda di sepanjang sudu kincir. Gambar 3.10

adalah ukuran detail dari ketiga variasi sudu kincir :

Gambar 3.10. Perbedaan setiap variasi hanya pada lebar yang diambil dari sudut

(47)

Garis-garis yang terdapat pada permukaan sisi lengkung sudu merupakan

garis pembentuk kelengkungan sudu. Garis ini juga merupakan penentu arah

puntiran dari lengkungan sudu. Garis ini diambil dari pembagian segmen antar

garisnya, setiap segmen memiliki sudut 10º sehingga terdapat 7 segmen pada

sudu 70º, 8 segmen pada sudu 80º, dan 9 segmen pada sudu 90º.

Pembagian segmen-segmen sudu kincir dibentuk berdasar pada mal yang

telah dibuat sebelumnya. Mal yang digunakan merupakan potongan dari ¼

selimut kerucut dengan diameter kecil = 15 cm dan diameter besar = 30 cm.

seperti pada Gambar 3.11.

(48)

2. Rotor

Rotor adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat sudu dan sebagai

pengikat sudu. Rotor juga berfungsi sebagai poros (pusat) kincir angin ini.

Rotor yang digunakan berbentuk prisma segi tiga dengan luas setiap sisinya

adalah p x l = 10 cm x 8 cm, dengan pengikat di masing – masing sisinya. Desain rotor yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperti yang

ditunjukan pada Gambar 3.12.

(49)

3.4 Variabel Penelitian

Variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian adalah

variasi lebar sudu kincir yang diambil dari potongan sudut kerucut. Pada penelitian

ini potongan sudut yang ditetapkan adalah: 700, 800 dan 900.

3.5 Variabel yang Diukur

Sesuai dengan tujuan penelitian, variabel yang diukur dalam penelitian ini, yaitu

gaya pengimbang (F), dengan satuan (N).

3.6 Parameter yang Dihitung

Beberapa parameter yang dihitung dalam penelitian ini untuk mendapatkan

karakteristik kincir angin adalah sebagai berikut:

1. Daya angin (�_� ), dengan satuan (watt). 2. Daya kincir (� ), dengan satuan (watt).

3. Perbandingan kecepatan linier ujung sudu (blade tip speed) terhadap

kecepatan angin Tip Speed Ratio (tsr).

(50)

3.7 Langkah Percobaan

Dalam penelitian ini ada beberapa tahapan yang harus dilakukan. Pengambilan

data kecepatan angin, beban pengimbang, dan kecepatan putar poros kincir dilakukan

secara bersama-sama. Pengambilan data ini mengunakan alat bantu berupa

terowongan angin yang dilengkapi blower dengan berkapasitas 5,5kW. Kecepatan

angin dapat diatur dengan mengatur jarak celah antara terowongan angin dengan

blower. Berikut skema alat-alat yang digunakan pada pengujian ini adalah sebagai

berikut pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13. Skema susunan alat-alat pengujian.

Cara kerja blower adalah dengan menghisap angin yang masuk melalui

terowongan angin yang didalamnya telah dipasang kincir angin yang akan di uji.

Setelah blower menyala, kecepatan angin akan nampak pada anemometer yang

terpasang didalam terowongan angin. proses ini harus ditunggu beberapa saat sampai

kecepatan angin benar-benar stabil pada + 8,5 m/s.

Motor Listrik

Blower Kincir Angin

Terowongan Angin

Anemometer Neraca Pegas

(51)

Pengambilan data dilakukan dengan mengukur setiap variable seecara

bersamaan. Untuk pengukuran kecepatan angin dapat dilihat pada anemometer yang

terpasang sekitar satu meter didepan kincir. Untuk mengukur kecepatan putaran

kincir digunakan tachometer yang diarahkan pada piringan pengereman yang telah

diberi titik hologram. Sedangkan untuk mengukur beban pengimbang dapat dilihat

pada neraca pegas yang telah dihubungkan dengan tali ke mekanisme pengereman.

Jarak pemasangan tali dari sumbu poros adalah 20 cm. Beban pengimbang ini adalah

parameter yang akan divariasikan. Dengan mengikatkan karet pada penjepit yang

terdapat pada mekanisme pengereman, beban yang berkerja pada kincir akan terus

bertambah sesuai banyaknya karet yang diikatkan. Dari sini beban torsi akan dapat

diketahui.

Pengujian ini dilakukan satu-persatu untuk semua variasi kincir. Untuk satu

jenis kincir pengambilan data dilakukan sebanyak tiga siklus pengujian. Pada awal

siklus pengambilan data dilakukan tanpa beban pengimbang, baru kemudian beban

ditambahkan secara bertahap sedikit demi sedikit sampai beban membuat kincir

benar-benar berhenti berputar.

3.8 Langkah Pengolahan Data

Data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa

tahapan berikut:

1. Dari data kecepatan angin dan luasan kincir angin didapatkan daya angin

(52)

2. Data dari beban yang tampak pada neraca pegas dapat digunakan untuk

mencari torsi dengan menggunakan Pers.(5)

3. Data putaran poros dan torsi dapat digunakan untuk mencari daya yang

dihasilkan kincir angin dengan menggunakan Pers.(8)

4. Dengan membandingkan kecepatan keliling di ujung sudu dan kecepatan

angin, maka tsr dapat diperoleh dengan menggunakan Pers.(9)

5. Dari data daya kincir dan daya angin maka koefisien daya dapat diketahui

(53)

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Percobaan

Data pengujian kincir angin meliputi kecepatan angin (m/s), putaran poros

(rpm), dan gaya pengimbang (N). Pengambilan data dengan variasi sudu dari

sektor busur 70º, 80º, dan 90º. Data - data yang diperoleh dalam pengujian ini

seperti ditunjukan pada Tabel 4.1, Tabel 4.2, dan Tabel 4.3.

Tabel 4.1. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 700.

No Siklus percobaan

Putaran Kincir

n (rpm)

Gaya Pengimbang

F (gram)

Kec. Angin (m/s) 1

1150 0

8,5

2 1062 90

3 1004 180

4 931 220

5 844 320

6 740 375

7 611 400

8 562 430

9 561 440

1148 0

2 1073 90

3 994 180

4 933 220

5 838 320

6 733 375

7 608 400

8 553 430

9 553 440

1158 0

2 1086 90

3 1017 180

4 940 220

5 856 320

6 730 375

7 601 400

8 552 430

(54)

Tabel 4.2. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 800.

No Siklus percobaan

Putaran Kincir

n (rpm)

Gaya Pengimbang

F (gram)

Kec. Angin (m/s) 1

1133 0

8,5

2 ₁₀₁₁ 90

3 ₁₀₀₇ 150

4 ₈₉₆ 200

5 ₈₃₇ 240

6 ₈₀₃ 290

7 ₇₃₇ 330

8 ₆₇₂ 375

9 ₅₂₀ 410

1097 0

2 ₁₀₁₆ 90

3 ₉₇₈ 150

4 ₈₉₇ 200

5 ₈₂₃ 240

6 ₇₉₆ 290

7 ₇₁₂ 330

8 ₆₆₈ 375

9 ₅₁₂ 410

1108 0

2 ₁₀₁₈ 90

3 ₉₈₂ 150

4 ₉₂₁ 200

5 ₈₃₀ 240

6 ₇₉₆ 290

7 ₇₅₆ 330

8 ₆₆₂ 375

(55)

Tabel 4.3. Hasil pengambilan data kincir sudu dari sektor busur 900.

No Siklus percobaan

Putaran Kincir

n (rpm)

Gaya Pengimbang

F (gram)

Kec. Angin (m/s) 1

1031 0

8,5

2 987 90

3 920 150

4 881 215

5 807 250

6 787 260

7 733 310

8 708 350

9 570 400

1047 0

2 962 90

3 927 150

4 872 215

5 807 250

6 783 260

7 740 310

8 708 350

9 578 400

1032 0

2 969 90

3 918 150

4 856 215

5 803 250

6 781 260

7 732 310

8 689 350

9 562 400

4.2 Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang

diambill dari tabel. Data yang digunakan dalam contoh perhitungan di bawah

menggunakan data pecobaan kincir sudu 700 , pada siklus percobaan pertama

langkah ke 6.

4.2.1 Daya Angin

Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan A= 0,5026 2 dan

(56)

dengan diketahui :

ρ =1.18 kg/m3

r kincir = 0.4 m

angin = 8,5 m/s

maka,

Pin = 1 2 �

= 1

2. 1,18 . ( . 0,4

2_{). (8,5}3₎

= 182 watt

4.2.2 Daya Kincir

Untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut dan torsi,

maka perlu dicari terlebih dahulu menggunakan Persamaan (7) dan (5). Setelah

kecepatan sudut dan torsi diketahui, daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat

dicari dengan menggunakan Persamaan (8).

Berikut ini adalah perhitungan kecepatan sudut kincir:

ω = nπ

30 rad/s

= 740 .π

30 rad/s

= 77,5 rad/s

Untuk mencari torsi digunakan rumus :

(57)

Dengan diketahui

F = 3,68 N

r = 0,2 m

maka,

T = F . r

= 3,68 N. 0,2 m

= 0,735 Nm

Pout = T . ω

= 0,735 Nm . 77,5 rad/s

= 57 watt

4.2.3 Tip Speed Ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan

Persamaan (9): tsr = �

= 77,5 .0,4

8,5

= 3,65

4.2.4 Koefisien Daya Kincir

Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (10):

Cp = �

��

.

100 %

= 57

182

.

100 %

(58)

4.3 Data Hasil Perhitungan

Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan

Microsoft Excell, hasil perhitungan masing-masing posisi sudu kincir dapat dilihat

pada gambar grafik.

Tabel 4.4. Data perhitungan untuk variasi sudu dari sektor busur 700.

No Gaya pengimbang Gaya pengimbang Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec, Sudut ω Daya output

Po tsr

gram N rpm Nm rad/s watt (%)

1 0 0,00 1150 0,000 120,4 0,0 5,67 0,0

2 90 0,88 1062 0,176 111,2 19,6 5,23 10,8

3 180 1,76 1004 0,353 105,1 37,1 4,95 20,4

4 220 2,16 931 0,431 97,5 42,0 4,59 23,1

5 320 3,14 844 0,627 88,4 55,4 4,16 30,5

6 375 3,68 740 0,735 77,5 57,0 3,65 31,3

7 400 3,92 611 0,784 64,0 50,2 3,01 27,6

8 430 4,21 562 0,843 58,9 49,6 2,77 27,2

9 440 4,31 561 0,862 58,7 50,7 2,76 27,8

1 0 0,00 1148 0,000 120,2 0,0 5,66 0,0

2 90 0,88 1073 0,176 112,4 19,8 5,29 10,9

3 180 1,76 994 0,353 104,1 36,7 4,90 20,2

4 220 2,16 933 0,431 97,7 42,1 4,60 23,1

5 320 3,14 838 0,627 87,8 55,0 4,13 30,2

6 375 3,68 733 0,735 76,8 56,4 3,61 31,0

7 400 3,92 608 0,784 63,7 49,9 3,00 27,4

8 430 4,21 553 0,843 57,9 48,8 2,73 26,8

9 440 4,31 553 0,862 57,9 49,9 2,73 27,4

1 0 0,00 1158 0,000 121,3 0,0 5,71 0,0

2 90 0,88 1086 0,176 113,7 20,1 5,35 11,0

3 180 1,76 1017 0,353 106,5 37,6 5,01 20,6

4 220 2,16 940 0,431 98,4 42,4 4,63 23,3

5 320 3,14 856 0,627 89,6 56,2 4,22 30,9

6 375 3,68 730 0,735 76,4 56,2 3,60 30,9

7 400 3,92 601 0,784 62,9 49,3 2,96 27,1

8 430 4,21 552 0,843 57,8 48,7 2,72 26,8

(59)

Tabel 4.5. Data perhitungan untuk variasi sudu dari sektor busur 800. No Gaya pengimbang Gaya pengimbang Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec, Sudut ω Daya output

Po tsr

gram N rpm Nm rad/s watt (%)

1 0 0,00 1133 0,000 118,6 0,0 5,58 0,0

2 90 0,88 1011 0,176 105,9 18,7 4,98 10,3

3 150 1,47 1007 0,294 105,5 31,0 4,96 17,0

4 200 1,96 896 0,392 93,8 36,8 4,42 20,2

5 240 2,35 837 0,470 87,7 41,2 4,12 22,6

6 290 2,84 803 0,568 84,1 47,8 3,96 26,3

7 330 3,23 737 0,647 77,2 49,9 3,63 27,4

8 375 3,68 672 0,735 70,4 51,7 3,31 28,4

9 410 4,02 520 0,804 54,5 43,8 2,56 24,0

1 0 0,00 1097 0,000 114,9 0,0 5,41 0,0

2 90 0,88 1016 0,176 106,4 18,8 5,01 10,3

3 150 1,47 978 0,294 102,4 30,1 4,82 16,5

4 200 1,96 897 0,392 93,9 36,8 4,42 20,2

5 240 2,35 823 0,470 86,2 40,5 4,06 22,3

6 290 2,84 796 0,568 83,4 47,4 3,92 26,0

7 330 3,23 712 0,647 74,6 48,2 3,51 26,5

8 375 3,68 668 0,735 70,0 51,4 3,29 28,2

9 410 4,02 512 0,804 53,6 43,1 2,52 23,7

1 0 0,00 1108 0,000 116,0 0,0 5,46 0,0

2 90 0,88 1018 0,176 106,6 18,8 5,02 10,3

3 150 1,47 982 0,294 102,8 30,2 4,84 16,6

4 200 1,96 921 0,392 96,4 37,8 4,54 20,8

5 240 2,35 830 0,470 86,9 40,9 4,09 22,5

6 290 2,84 796 0,568 83,4 47,4 3,92 26,0

7 330 3,23 756 0,647 79,2 51,2 3,73 28,1

8 375 3,68 662 0,735 69,3 51,0 3,26 28,0

(60)

Tabel 4.6. Data perhitungan untuk variasi sudu dari sektor busur 900. No Gaya pengimbang Gaya pengimbang Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec, Sudut ω Daya output

Po tsr

gram N rpm Nm rad/s watt (%)

1 0 0,00 1031 0,000 108,0 0,0 5,08 0,0

2 90 0,88 987 0,176 103,4 18,2 4,86 10,0

3 150 1,47 920 0,294 96,4 28,3 4,53 15,6

4 215 2,11 881 0,421 92,3 38,9 4,34 21,4

5 250 2,45 807 0,490 84,6 41,4 3,98 22,7

6 260 2,55 787 0,510 82,5 42,0 3,88 23,1

7 310 3,04 733 0,608 76,8 46,6 3,61 25,6

8 350 3,43 708 0,686 74,1 50,9 3,49 27,9

9 400 3,92 570 0,784 59,7 46,8 2,81 25,7

1 0 0,00 1047 0,000 109,6 0,0 5,16 0,0

2 90 0,88 962 0,176 100,7 17,8 4,74 9,8

3 150 1,47 927 0,294 97,1 28,5 4,57 15,7

4 215 2,11 872 0,421 91,4 38,5 4,30 21,1

5 250 2,45 807 0,490 84,5 41,4 3,98 22,7

6 260 2,55 783 0,510 82,0 41,8 3,86 23,0

7 310 3,04 740 0,608 77,6 47,1 3,65 25,9

8 350 3,43 708 0,686 74,1 50,9 3,49 27,9

9 400 3,92 578 0,784 60,6 47,5 2,85 26,1

1 0 0,00 1032 0,000 108,1 0,0 5,09 0,0

2 90 0,88 969 0,176 101,5 17,9 4,78 9,8

3 150 1,47 918 0,294 96,2 28,3 4,52 15,5

4 215 2,11 856 0,421 89,7 37,8 4,22 20,8

5 250 2,45 803 0,490 84,2 41,2 3,96 22,6

6 260 2,55 781 0,510 81,8 41,7 3,85 22,9

7 310 3,04 732 0,608 76,7 46,6 3,61 25,6

8 350 3,43 689 0,686 72,2 49,5 3,40 27,2

(61)

4.4 Grafik Hasil Perhitungan

Data yang telah diperoleh kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik.

Grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm) dari

setiap variasi dapat dilihat pada Gambar 4.1, 4.4, dan 4.7. Grafik hubungan antara

daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan kecepatan putar kincir (rpm) dapat

dilihat pada Gambar 4.2, 4.5, dan 4.8. Grafik hubungan antara koefisien daya

kincir (CP) dengan Tip Speed Ratio (tsr) dapat dilihat pada Gambar 4.3, 4.6, dan

4.9.

1. Pembahasan grafik untuk variasi sudu dari sektor busur 700.

Dari pengolahan data variasi sudu 700 , diperoleh grafik-grafik sebagai

berikut:

Gambar 4.1. Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 700.

550 650 750 850 950 1050 1150 1250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Pu tar an Por o s, n ( rp m )

(62)

Gambar 4.2. Hubungan antara daya kincir dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 700.

Gambar 4.3. Hubungan antara CP dan tsr untuk variasi sudu dari sektor busur

700.

0 10 20 30 40 50 60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

D ay a Ou tp u t, P out (w att )

Torsi, T (Nm)

Cp = -7.320tsr2_{+ 52.52tsr - 62.48} 0 5 10 15 20 25 30 35

0 1 2 3 4 5 6

K o e fi si e n Day a ,Cp (% )

(63)

Gambar 4.1. menunjukan bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka

semakin kecil torsi yang dihasilkan. Percobaan ini menggunakan kecepatan angin

8,5 m/s, maka diperoleh torsi maksimal sebesar 0,862 N.m dan kecepatan putar

maksimal mencapai 1158 rpm.

Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan putar kincir

maka semakin besar daya yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal)

kemudian daya mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5,m/s, daya maksimal yang

dicapai pada torsi 0,735 N.m sebesar 57 watt.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa semakin

besar tsr maka semakin besar CP yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu

(maksimal) kemudian CP mengecil. Dari grafik pada Gambar 4.3 diperoleh

persamaan:

Cp = -7,320tsr2 + 52,52tsr – 62,48

untuk mendapatkan tsr optimal persamaan tersebut dideferensialkan menjadi:

��

� = 2(-7,320tsr)+ 52,52=0

tsroptimal = − 52,52

2×(−7,320)= 3,59

tsr optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan menjadi:

Cpmax = -7,320× 3,592 + 52.52× 3,59– 62,48

(64)

2. Pembahasan grafik untuk variasi sudu dari sektor busur 800.

Dari pengolahan data variasi sudu 800 , diperoleh grafik-grafik sebagai

berikut:

Gambar 4.4. Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 800.

Gambar 4.5. Hubungan antara daya kincir dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 800.

550 650 750 850 950 1050 1150 1250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Pu tar an Por o s, n ( rp m )

Torsi, T (Nm)

0 10 20 30 40 50 60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

D ay a Ou tp u t, P out (w att )

(65)

Gambar 4.6. Hubungan antara CP dan tsr untuk variasi sudu dari sektor busur

800.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4, bahwa semakin besar kecepatan

putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Dalam percobaan ini

menggunakan kecepatan angin 8,5 m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 0,804 N.m

dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 1133 rpm.

Gambar 4.5. memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan putar kincir

maka semakin besar daya yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal)

kemudian daya mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, daya maksimal yang

dicapai pada Torsi 0,735 N.m sebesar 51,7 watt.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6 dapat dilihat bahwa semakin

besar tsr maka semakin besar CP yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu

(maksimal) kemudian CP mengecil. Dari grafik pada Gambar 4.6 diperoleh

persamaan:

Cp= -5.398tsr2_{+ 35.95tsr - 32.28} 0 5 10 15 20 25 30

0 1 2 3 4 5 6

K o e fi si e n d ay a, Cp ( % )

(66)

Cp = -5.398tsr2 + 35.95tsr - 32.28

untuk mendapatkan tsr optimal persamaan tersebut dideferensialkan menjadi:

��

� = 2(-5,398tsr)+ 35,95=0

tsroptimal = − 35,95

2×(−5,398)= 3,33

tsr optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan menjadi:

Cpmax = -5.398× 3,332 + 35.95× 3,33 - 32.28

Cpmax = 28,57 %

3. Pembahasan grafik untuk variasi sudu dari sektor busur 900.

Dari pengolahan data variasi sudu 900 , diperoleh grafik-grafik sebagai

berikut:

Gambar 4.7. Hubungan antara putaran poros dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 900.

350 450 550 650 750 850 950 1050 1150

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Pu tar an Por o s, n ( rp m )

(67)

Gambar 4.8. Hubungan antara daya kincir dan torsi untuk variasi sudu dari sektor busur 900.

Gambar 4.9. Hubungan antara CPdan tsr untuk variasi sudu dari sektor busur

900.

0 10 20 30 40 50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

D ay a Ou tp u t, P out (w att )

Torsi, T (Nm)

Cp = -8.095tsr2_{+ 53.71tsr - 61.76} 0 5 10 15 20 25 30

0 1 2 3 4 5 6

K o e fi si e n d ay a, Cp ( % )

(68)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, bahwa semakin besar kecepatan

putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Dalam percobaan ini

menggunakan kecepatan angin 8,5 m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 0,784 N.m

dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 1047 rpm.

Gambar 4.8. memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan putar kincir

maka semakin besar daya yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal)

kemudian daya mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5,m/s, daya maksimal yang

dicapai pada Torsi 0,686 N.m sebesar 50,9 watt.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. dapat dilihat bahwa semakin

besar tsr maka semakin besar CP yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu

(maksimal) kemudian CP mengecil. Dari grafik pada Gambar 4.9 diperoleh

persamaan:

Cp = -8.095tsr2 + 53.71tsr - 61.76

untuk mendapatkan tsr optimal persamaan tersebut dideferensialkan menjadi:

��

� = 2(-8,095tsr)+ 53,71=0

tsroptimal = − 53,71

2×(−8,095)= 3,32

tsr optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan menjadi:

Cpmax = -8,095× 3,322 + 53,71× 3,32– 61,76

(69)

Gambar 4.10 menunjukan grafik perbandingan antara Cp dan tsr dari ketiga

variasi kincir angin yang diteliti, yaitu variasi sudu dari sektor busur 70º, 80º, dan

90º.

Gambar 4.10 Hubungan Koefisien daya dan Tip speed ratio untuk tiga variasi sudu dari sektor busur 700, 800, dan 900.

(70)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Pengujian model kincir angin poros horizontal tiga sudu terbuat dari bahan

kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm

dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm. dengan tiga variasi lebar sudu-sudu

kincir dari sektor busur 70º, 80º, 90º dan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s

dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horizontal tiga sudu berbahan

dasar kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter

besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm termodifikasi

dengan diameter kincir 80 cm.

2. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 70º menghasilkan

koefisien daya maksimal (CPmax) sebesar 31,72% pada tip speed ratio

(tsr) 3,59. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 80º

menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 28,57% pada tip speed

ratio 3,33. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 90º

menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 27,33% pada tip speed

(71)

3. Dari tiga variasi kincir angin yang telah diteliti, variasi kincir angin

dengan sektor busur 70º menghasilkan koefisien daya yang paling tinggi

yaitu sebesar 31,72% pada tip speed ratio 3,59.

5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran

untuk penelitian selanjutnya :

1. Lebih teliti dalam proses pembuatan kincir agar memperoleh bentuk

yang lebih presisi dan seragam sesuai keinginan.

2. Uji kincir dengan sektor sudut yang lebih kecil lagi, untuk memastikan

kemungkinan memperoleh efisiensi yang lebih baik, karena efisiensi

terbaik dalam penelitian ini belum tentu merupakan efisiensi puncak dari

kincir jenis ini.

3. Perbanyak variasi untuk pembuatan sudu dan pengambilan data, agar

hasil perhitungan yang didapat lebih akurat.

4. Kondisikan blower dan trowongan angin yang digunakan agar mendapat

kecepatan angin yang lebih stabil.

5. Untuk mendapatkan kincir angin yang lebih seimbang, usahakan

sudu-sudu kincir memiliki berat bentuk yang sama.

6. Gunakan alat ukur yang lebih akurat guna menambah keakuratan data

(72)

DAFTAR PUSTAKA

Betz, A. 1966 : Introduction to the Theory of Flow Machines. (D. G. Randall, Trans.) Oxford: Pergamon Press.

Hoesin, H. 1976 : “Kincir Angin dan Prospeknya”. Bulletin Esence – Fisika Teknik ITB. Oktober 1979, hal 6 – 8, 11.

Johnson, Gary.L. 2006. “Wind Energy System”. Wind Energi.

Energiatalgud. 2014. Darrieus Wind Turbines, http://www.brighthub.org., Diakses pada 11 Maret 2015.

Flick. 2013. Kincir Angin Poros Vertikal, http://www.flickr.com., Diakses pada 11 Maret 2015.

Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral. 2010, Rencana Strategis Kementrian ESDM 2010-2014, http://www.esdm.go.id., Diakses 31 Oktober 2014.

Simbolon, L. 2012. Angin Darat dan Angin Laut, http://www.blogs.unpad.ac.id., Diakses pada 31 Oktober 2014.

Tri, H. 2014. Pemanfaatan angin sebagai sumber energi alternative. Alamat web : https://www.bersosial.com., Diakses pada 11 Maret 2015.

Orbit. 2013. Sejarah Pengunaan Kincir Angin, https://www.lintas.me., Diakses pada 11 Maret 2015.

Puspitarini, M. 2013. Manfaatkan Kincir Angin untuk Olah Pertanian, http://www.news.okezone.com., Diakses pada 11 Maret 2015.

Wibowo, A,S. 2012 : Makalah Energi Angin menjadi Energi Listrik, http://anangsetiyowibowo.blogspot.com., Diakses pada 30 Oktober 2014.

Winda. 2014. Pemanfaatan Energi Angin Belum Optimal. Alamat web: http://www.technology-indonesia.com., Diakses pada 11 Maret 2015.

(73)

LAMPIRAN

Gambar L.1 Model kincir angin propeler sektor sudut 70º.

(74)

56 Gambar L.3 Model kincir angin propeler sektor sudut 90º.

(75)

57 Gambar L.5 Kincir angin yang terpasang pada terowongan angin.

(1)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Pengujian model kincir angin poros horizontal tiga sudu terbuat dari bahan kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm. dengan tiga variasi lebar sudu-sudu kincir dari sektor busur 70º, 80º, 90º dan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horizontal tiga sudu berbahan dasar kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter besar 30 cm dan diameter kecil 15 cm sepanjang 36,5 cm termodifikasi dengan diameter kincir 80 cm.

2. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 70º menghasilkan koefisien daya maksimal (CPmax) sebesar 31,72% pada tip speed ratio (tsr) 3,59. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 80º menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 28,57% pada tip speed ratio 3,33. Kincir angin dengan variasi sudu dari sektor busur 90º menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 27,33% pada tip speed ratio 3,32.

(2)

3. Dari tiga variasi kincir angin yang telah diteliti, variasi kincir angin dengan sektor busur 70º menghasilkan koefisien daya yang paling tinggi yaitu sebesar 31,72% pada tip speed ratio 3,59.

5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya :

1. Lebih teliti dalam proses pembuatan kincir agar memperoleh bentuk yang lebih presisi dan seragam sesuai keinginan.

2. Uji kincir dengan sektor sudut yang lebih kecil lagi, untuk memastikan kemungkinan memperoleh efisiensi yang lebih baik, karena efisiensi terbaik dalam penelitian ini belum tentu merupakan efisiensi puncak dari kincir jenis ini.

3. Perbanyak variasi untuk pembuatan sudu dan pengambilan data, agar hasil perhitungan yang didapat lebih akurat.

4. Kondisikan blower dan trowongan angin yang digunakan agar mendapat kecepatan angin yang lebih stabil.

5. Untuk mendapatkan kincir angin yang lebih seimbang, usahakan sudu-sudu kincir memiliki berat bentuk yang sama.

6. Gunakan alat ukur yang lebih akurat guna menambah keakuratan data yang diperoleh.

(3)

DAFTAR PUSTAKA

Betz, A. 1966 : Introduction to the Theory of Flow Machines. (D. G. Randall, Trans.) Oxford: Pergamon Press.