model kincir angin poros vertikal dengan empat sudu …

i

MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN EMPAT SUDU

DATAR EMPAT RUANG YANG DAPAT MEMBENTANG

DAN MENGATUP SECARA OTOMATIS

Tugas Akhir

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Program Studi Teknik Mesin

Oleh:

Momon Arifudhin

NIM : 065214040

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2010

ii

VERTICAL AXIS WIND TURBINE MODEL WITH FOUR FLAT

BLADES

AND FOUR SPACE

WHICH CAN BE OPENED AND CLOSED AUTOMATICALLY

FINAL PROJECT

Presented as fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree in

Mechanical Engineering Study Programme

by

Momon Arifudhin

Student Number : 065214040

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

vi

INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi statis, daya koefisien daya dan efisiensi sistem yang dihasilkan sebuah model kincir angin poros vertikal. Model kincir angin ini dibuat dengan empat sudu datar bersekat empat ruang yang membentang dan mengatup otomatis .

Ukuran sudu dibuat dalam tiga variasi, yakni 20x24 cm, 25x24 cm dan 30x24 cm. Kemudian agar menghasilkan listrik, kincir angin dihubungkan dengan generator. Generator diberi empat variasi beban berupa lampu pijar, yakni 8 watt, 16 watt, 24 watt, dan 32 watt. Pada setiap pembebanan dilakukan pengukuran putaran poros kincir dengan menggunakan tachometer serta tegangan dan arus listrik yang dihasilkan diukur dengan menggunakan multimeter. Lalu dilanjutkan mencari koefisian daya dan efisiensi sistem.

Daya poros maksimal diperoleh pada model kincir angin dengan ukuran sudu 30x24 cm sebesar 1,69 pada kecepatan angin 7,8 m/s. Demikian juga koefisien daya maksimal tertinggi di capai oleh model kincir angin dengan ukuran sudu 30x 24 cm yakni sebesar 1,57 ℅ pada tip speed ratio (TSR) 0,35 dengan efisiensi sistem maksimal sebesar 0,51 % .

Kata kunci: torsi statis, koefisien daya, tip speed ratio (TSR).

viii

KATA PENGANTAR

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

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

sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik

Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Tugas akhir ini mengambil judul “Kincir Angin Poros Vertikal dengan

empat Sudu Datar Dengan Empat Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup

Secara Otomatis“.

Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan

kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis

mengucapkan terima kasih kepada:

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

Universitas Sanata Dharma.

2. Budi Sugiharto, S.T, M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen

Pembimbing Akademik.

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

4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis

selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

5. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas

Sanata Dharma.

6. Semua rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2006 khususnya.

7. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesainya Tugas Akhir ini

serta yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

ix

Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari

sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang

membangun.

Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca

lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang

sebesar-besarnya, terima kasih.

Yogyakarta, 8 Desember 2010

x

DAFTAR ISI

Halaman Judul ................................................................................................. i

Title Page .......................................................................................................... ii

Halaman Pengesahan ....................................................................................... iii

Daftar Dewan Penguji ..................................................................................... iv

Pernyataan keaslian karya .............................................................................. v

Intisari ............................................................................................................... vi

Lembar persetujuan ........................................................................................ vii

Kata pengantar ................................................................................................. viii

Daftar Isi ........................................................................................................... x

Daftar Gambar ................................................................................................. xii

Daftar Tabel ...................................................................................................... xiv

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................... 1

1.1. Latar belakang ............................................................................ 1

1.2. Perumusan masalah .................................................................... 2

1.3. Batasan masalah ......................................................................... 2

1.4. Tujuan penelitian........................................................................ 3

1.5. Manfaat penelitian...................................................................... 3

1.6. Langkah perancangan…………………………………………. 3

BAB II DASAR TEORI .......................................................................... 5

2.1. Dasar turbin angin ..................................................................... 5

2.2. Desain kincir angin ................................................................... 6

2.3. Gaya drag dan lift ...................................................................... 9

2.4. Rumus perhitungan ................................................................... 11

2.5. Efisiensi sistem .......................................................................... 15

2.6. Koefisien daya ........................................................................... 16

xi

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................... 17

3.1. Tempat dan waktu penelitian .................................................... 17

3.2. Peralatan dan bahan .................................................................. 17

3.3. Variabel penelitian .................................................................... 27

3.4. Variabel yang diukur ................................................................. 27

3.5. Langkah penelitian .................................................................... 28

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ................................. 32

4.1. Data Penelitian ......................................................................... 32

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ........................................... 52

4.3. Grafik hasil Perhitungan .......................................................... 58

4.4. Pembahasan ............................................................................. 65

BAB V PENUTUP ................................................................................... 67

5.1. Kesimpulan .............................................................................. 67

5.2. Saran ......................................................................................... 68

Daftar pustaka .................................................................................................. 69

Lampiran

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir angin poros vertikal ............................................................. 6

Gambar 2.2 Kincir Darriues ............................................................................... 7

Gambar 2.3 Kincir Savonius .............................................................................. 8

Gambar 2.4 Gaya pada setiap blade ................................................................... 10

Gambar 2.5 Grafik Betz limit............................................................................. 12

Gambar 2.6 Kurva hubugan Cp – TSR .............................................................. 15

Gambar 3.1 Bagian-bagian kincir angin poros vertical ..................................... 17

Gambar 3.2 Poros Utama ................................................................................... 18

Gambar 3.3 Beaaring 6202z ............................................................................... 18

Gambar 3.4 Poros dalam .................................................................................... 19

Gambar 3.5 Poros dudukan sudu ....................................................................... 19

Gambar 3.6 sudu ................................................................................................ 20

Gambar 3.7 Stopper ........................................................................................... 20

Gambar 3.8 Wind tunnel .................................................................................... 21

Gambar 3.9 Fan blower ...................................................................................... 21

Gambar 3.10 Generator ...................................................................................... 22

Gambar 3.11 Multimeter .................................................................................... 23

Gambar 3.12 Pengukur torsi statis ..................................................................... 24

Gambar 3.13 Alat pengukur beban .................................................................... 24

Gambar 3.14 Stopwatch ..................................................................................... 25

Gambar 3.15 Anemometer ................................................................................. 25

Gambar 3.16 Beban lampu ................................................................................. 26

Gambar 3.17 Tachometer ................................................................................... 26

Gambar 3.18 Pengambilan data torsi statis ........................................................ 28

Gambar 3.19 Pengambilan data torsi statis ........................................................ 28

Gambar 3.20 Rangkaian alat ukur ...................................................................... 30

Gambar 3.21 Pengambilan data torsi dinamis .................................................... 31

Gambar 4.1 Penampang Kincir .......................................................................... 52

Gambar 4.2 Tinggi bentangan saat sudu 20x24 terbuka .................................... 52

xiii



Gambar 4.5 Grafik hubungan antara kecepatan angin dengan torsi statis ......... 58

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada tanpa beban

tambahan ............................................................................................................ 59

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 8 watt ......... 59

Gambar 4.8 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 16 watt ....... 60

Gambar 4.9 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 24 watt ....... 61

Gambar 4.10 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 32 watt ..... 61

Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya poros dengan V.angin pada tanpa

beban tambahan .................................................................................................. 62

Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya poros dengan V.angin pada beban

tambahan 8 watt ................................................................................................. 63


tambahan 16 watt ............................................................................................... 63


tambahan 24 watt ............................................................................................... 64


tambahan 32 watt ............................................................................................... 65

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran gaya statis dengan ukuran

sudu 20 cm x 24 cm ........................................................................................... 32


sudu 25 cm x 24 cm ........................................................................................... 33


sudu 30 cm x 24 cm ........................................................................................... 34

Tabel 4.4 Data hasil pengukuran dengan ukuran

sudu 20 cm x 24 cm tanpa beban ....................................................................... 35






sudu 20 cm x 24 cm beban 8 watt ...................................................................... 38






sudu 20 cm x 24 cm beban 16 watt .................................................................... 41










xv








1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Tingginya kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada

umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi

dan pola konsumsi energi yang senantiasa meningkat. Hal ini tidak sebanding

dengan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama

ketersediaannya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan sehingga

menyebabkan terjadinya kelangkaan bahan bakar migas dan terjadi kenaikan

harga secara terus menerus. Dewasa ini pemerintah maupun swasta di hampir

semua negara berpacu untuk membangkitkan energi dari sumber-sumber energi

baru dan terbarukan dalam mempertahankan ketahanan energi negaranya.

Penggunaan energi terbarukan diperlukan sekali oleh masyarakat untuk

menanggulangi krisis energi, namun diusahakan dengan biaya serendah mungkin.

Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi angin. Pemanfaatan

energi angin diminati disebabkankan pula karena bebas polusi dan tersedia di

mana pun, sehingga dapat menjawab masalah lingkungan hidup dan ketersediaan

sumber energi. Untuk memanfaatkan angin diperlukan sebuah alat untuk

mengubahnya dengan menggunakan prinsip konversi energi menjadi energi

listrik. Oleh karena itu perlu diteliti dengan sebuah alat tentang karakteristik kincir

angin. Alat ini menekankan tentang besar daya yang dikeluarkan dan efektif atau

2

tidaknya alat tersebut. Berawal dari hal tersebut maka dibuat suatu model kincir

angin yang baru.

1.2. Perumusan Masalah

1. Indonesia mempunyai potensi energi angin yang cukup besar.

2. Pembuatan kincir angin dengan modifikasi pada sudu yang bisa

bergerak buka tutup dengan sudut yang ditentukan memberi

kemungkinan untuk menambah torsi yang akan dihasilkan. Unjuk kerja

kincir angin poros vertikal ini akan ditunjukkan oleh daya generator,

daya poros, power coefficient dan torsi yang dapat dihasilkan.

Perlunya dibuat desain alat yang baru untuk pembangkit energi angin, yaitu kincir

angin poros vertikal dengan empat sudu datar yang membentang dan mengatup

otomatis dengan empat ruang.

1.3. Batasan masalah

1. Sudu menggunakan 3 variasi ukuran 24cm x 20cm, 24cm x 25cm, dan

24cm x 30cm.

2. Menggunakan 5 variasi kecepatan angin dari 7,8 m/s sampai 5,5 m/s .

3. Menggunakan beban lampu yang dimulai dari 8 watt sampai dengan 32

watt.

3

1.4. Tujuan penelitian

1. Membuat sebuah model kincir angin yang dapat membuka dan

mengatup secara otomatis.

2. Mengetahui torsi statis yang dihasilkan model kincir angin untuk tiga

variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin.

3. Mengetahui koefisien daya (Cp) model kincir angin untuk tiga variasi

ukuran sudu dengan lima variasi kecepatan angin yang dipilih.

4. Mengetahui daya poros yang dihasilkan kicir angin untuk tiga variasi

ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :

1. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit tenaga listrik.

2. Ikut serta dalam upaya memasyarakatkan pemanfaatan energi alternatif.

3. Mengurangi penggunaan sumber daya alam tak terbarukan dan

menciptakan teknologi pembangkit listrik yang ramah lingkungan.

1.6. Langkah Perancangan pengambilan data

Sebelum memulai perancangan, terlebih dahulu harus diketahui

kecepatan angin yang diperlukan dan daya angin yang dihasilkan generator.

Dalam perhitungan daya angin perlu diketahui luas sudu kincir terlebih

dahulu. Selanjutnya poros kincir angin disambungkan ke generator sehingga

menghasilkan energi listrik.

4

Dari penelitian berikut data yang akan dicari adalah data torsi statis

dan data torsi dinamis. Alat –alat yang diperlukan adalah wind tunnel,

generator, multimeter, pengukur torsi, alat pengukur beban, stopwatch,

anemometer, rangkaian beban lampu, tachometer. Kemudian dari data

tersebut diperoleh untuk menghitung rumus perhitungan.

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Dasar Turbin Angin

Pada dasarnya kincir angin merupakan mesin yang berfungsi untuk

membantu kegiatan pertanian seperti menumbuk biji-bijian dan juga memompa

air untuk mengairi sawah. Seiring dengan berkembangnya jaman, diciptakanlah

kincir angin modern yang bisa menghasilkan listrik, yang kemudian disebut turbin

angin.

Kincir angin dapat berputar karena memiliki sumbu putar. Berdasarkan sumbu

putarnya, kincir angin didesain dalam dua tipe besar yakni turbin dengan sumbu putar

horizontal dan turbin dengan sumbu putar vertikal. Turbin sumbu horizontal biasanya

sumbunya diarahkan pada arah angin, sedangkan turbin sumbu vertikal tidak perlu

diarahkan sesuai arah angin

(http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin).

Prinsip kerja dari kincir angin ini sangat sederhana sekali, kincir akan

berputar oleh angin dan akhirnya menggerakkan turbin. Turbin yang dirancang

khusus untuk berputar akan menjalankan generator listrik, kemudian listrik yang

dihasilkan didistribusikan ke gardu-gardu listrik melalui kabel sebelum

didistribusikan ke rumah-rumah atau bangunan yang membutuhkan.

6

2.2 Desain Kincir Angin

Kincir angin poros vertical, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1.

memiliki poros rotor utama yang disusun tegak lurus. Umumnya posisi sudu

terpasang pada poros tersebut dan dapat dimodifikasi untuk mendapatkan output

yang besar. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke

angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang

arah anginnya sangat bervariasi. Kincir angin poros vertikal ini mampu

mendayagunakan angin dari berbagai arah.

Gambar 2.1. Contoh kincir angin poros vertikal (sumber : http://www.alpensteel.com)

Besarnya sudu yang dibuat berpengaruh terhadap tangkapan angin yang

diterima oleh sudu tersebut. Energi angin yang datang langsung ditangkap oleh

sudu dan menimbulkan gaya hambat (drag) yang akan mendorong dan memaksa

poros untuk berputar. Semakin besar luas permukaan sudu tentunya semakin luas

7

tangkapan angin dan semakin besar gaya hambat yang didapat sehingga

berpengaruh terhadap output dari kincir tersebut. Setelah poros berputar, secara

otomatis menggerakkan generator yang tersambung oleh belt pada ujung poros.

Dari sinilah listrik itu dihasilkan.

Biasanya kincir angin poros vertikal meletakkan generator di permukaan

bawah, karena dinilai lebih mudah untuk perawatan dan mengurangi beban pada

menara. Untuk pemasangan secara utuh bisa dipasang di permukaan tanah bahkan

di puncak bangunan, tentunya disesuaikan dengan desain kincir terhadap

kecepatan angin.

Pada dasarnya kincir angin poros vertikal dibagi menjadi dua jenis yaitu:

Savonius dan Darrieus.

1. Kincir angin Darrieus

Kincir angin darrieus, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.2.

mulai diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-an. Turbin

angin sumbu vertikal ini mempunyai bilah-bilah tegak yang berputar

ke dalam dan ke luar dari arah angin.

Gambar 2.2 Kincir Darrieus

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin

8

2. Kincir angin Savonius

Kincir Savonius,seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.3.

diciptakan pertama kalinya di negara Finlandia dan berbentuk-S

apabila dilihat dari atas. Turbin jenis ini secara umumnya bergerak

lebih perlahan dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal,

tetapi menghasilkan torsi yang besar.

Gambar 2.3 Kincir Savonius http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin

Keuntungan dari kincir angin poros vertikal :

1. Kincir angin dapat menerima angin dari segala arah.

2. Tidak perlu struktur menara yang besar untuk mendirikan kincir

angin.

3. Bekerja pada rpm rendah.

4. Kincir angin sumbu vertikal biasanya memiliki tips speed ratio

(perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah

dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga

kemungkinan rusak sangat kecil saat angin berhembus kencang.

9

Kekurangan dari kincir angin poros vertikal :

1. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinnggian yang rendah, sehingga

yang tersedia energi angin yang seidikit.

2. Kebanyakan kincir angin sumbu vertikal mempunyai torsi awal yang

rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

3. Sudu yang mengambil energi angin disebut downwind, sedangkan

sudu yang melawan angin disebut upwind. Sudu upwind ini yang

dapat mengurangi kecepatan rotor

(http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin).

2.3 Gaya Drag dan Lift

Secara umum gaya drag merupakan gaya hambat (yang terkadang disebut

hambatan fluida atau seretan) yang menghambat pergerakan sebuah benda padat

melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum

tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan

benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan

permukaan benda.

10

Gambar 2.4 Gaya pada setiap blade

(Sumber : digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-5125-4203109009-bab2.pdf)

Sedangkan gaya lift sangat akrab didengar pada pada teknologi pesawat

terbang. Karena gaya lift memiliki arti gaya angkat terhadap permukaan benda

yang mengacu pada hukum Newton III aksi dan reaksi. Dalam pesawat terbang,

gaya lift dihasilkan oleh permukaan sayap yang merupakan aksi dan dirancang

agar tekanan udara di atas permukaan lebih kecil dari bagian bawah yang akhirnya

menimbulkan reaksi yaitu gaya angkat (lift). Singkatnya, gaya angkat akan ada

jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan

sayap.

Dengan nilai tsr yang tinggi seperti itu, baling-baling akan

”memotong”melalui angin dengan sudut serang (angle of attack) yang kecil.

11

Resultan gaya angkat (lift) akan membantu perputaran baling-baling sedangkan

gaya seret (drag) akan melawan perputaran dari baling-baling itu. Ketika gaya

angkat nol pada sisi kiri (0 derajat) dan sisi kanan (180 derajat) dimana baling-

baling simetris bergerak pararel menuju arah angin, torsi berubah menjadi negatif

disekitar posisi ini. Mendekati posisi depan (90

derajat) dan posisi dibelakang (270 derajat), komponen dari gaya angkat (lift)

lebih besar dibandingkan gaya seret (drag) sehingga menghasilkan torsi. Torsi

total per satu putaran akan bernilai positif jika baling-baling diposisikan pada

tempat yang tepat sehingga rotor akan berputar pada arah yang benar.

2.4 Rumus Perhitungan

2.4.1 Daya angin

Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik

(http://www.gurumuda.com/energi-potensial-energi-kinetik) :

0,5 . (1)

yang dalam hal ini :

m = massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg

m = ρAv (2)

v = kecepatan angin, m/s

Energi kinetik angin per satuan waktu :

0,5 , diubah menjadi :

0,5 • • • (3)


12

daya angin,watt

massa jenis udara, kg/ m3

luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, m2

Apabila diasumsikan massa jenis udara 1,2 kg/ maka persamaan

(3) di atas dapat disederhanakan menjadi :

0,6 • • (4)

Umumnya daya efektif yang dapat diperoleh oleh sebuah kincir angin poros

vertikal hanya sebesar 59,3%. Angka ini disebut batas Betz (Betz limit, atas nama

ilmuwan Jerman Albert Betz), seperti yang ditunjukan pada gambar 2.5. angka ini

secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor kincir

angin tipe sumbu vertikal.

Gambar 2.5 Grafik Betz limit

(sumber : digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-5125-4203109009-bab2.pdf)

13

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya

2.4.2.1 Torsi Statis

Torsi statis dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

• (5)


Gaya pada poros akibat puntiran ( Newton )

jarak lengan ke poros ( meter )

2.4.2.2 Torsi Dinamis

Torsi dinamis data dihitung dengan menggunakan rumus :

• (6)


torsi yang dihasilkan dari putaran poros ( ⁄ )

gaya pada poros akibat puntiran

jarak lengan ke poros

2.4.2.3 Daya Output Poros

Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan :

P = • (7)


Torsi dinamis .

kecepatan sudut ./

14

Untuk perhitungan daya output pada kincir angin dapat dinyatakan dengan :

•

• 260

(8)


daya putar poros

banyaknya putaran poros tiap menit

2.4.2.4 Daya Generator

Daya yang dihasilkan oleh generator dapat dihitung dengan rumus :

• (9)


daya generator

tegangan

arus

2.4.3 Tip Speed ratio

Tip speed ratio adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu yang

berputar dengan kecepatan dari aliran udara. Dapat diketahui dengan rumus :

(10)

15


Tip speed rasio

jari – jari kincir

kecepatan aliran angin /

putaran poros

Tip speed ratio mempengaruhi besaran koefisien daya. Hubungan ini

digambarkan sebagai berikut :

1. Koefisien daya bergantung pada perbandingan ujung sudu.

2. Ditandai dengan kurva Cp berbanding dengan perbandingan

kecepatan ujung sudu – Tip Speed Ratio.

Gambar 2.6 Kurva hubugan Cp – TSR

(sumber:http://practicalaction.org/practicalanswers/product_info.php?products_id=371)

2.5 Efisiensi Sistem

Efisiensi sistem dihitung berdasarkan perbandingan daya yang dihasilkan

oleh generator ( ) dengan daya yang dihasilkan oleh angin ( ), sehingga

dapat dituliskan sebagai berikut :

• 100 % (11)

16


efisiensi system %

daya generator

daya angin

2.6 Koefisien Daya

Perhitungan koefisien daya (Cp) pada kincir angin dapat dihitung

berdasarkan perbandingan daya yang dihasilkan oleh kincir angin ( ) dengan

daya teoritis yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat dituliskan

rumusnya sebagai berikut :

• 100% (12)


koefisien daya kincir %

daya yang dihasilkan oleh kincir

daya angin

17

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Tempat penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi kampus Sanata

Dharma. Pengambilan data dilakukan selama empat jam dalam sehari yaitu pada

pukul 18.00 – 23.00 dan dilakukan selama tiga puluh hari yaitu pada tanggal 12

Mei – 7 Juni 2010.

3.2. Peralatan dan Bahan

Gambar 3.1. Bagian-bagian kincir angin poros vertical

(atas izin Ir .Rines,M.T.)

18

Kincir angin poros vertikal dengan sudu mengatup otomatis terdiri dari :

1. Satu buah poros utama (tengah) dengan ukuran panjang 1260 cm,

diameter 1,5 inci.

2. Delapan buah bearing dengan kode 6202z.

Gambar 3.2 Poros Utama

Gambar 3.3 Beaaring 6202z (sumber : sindabearing.com)

19

1. Empat buah poros dalam dengan posisi horizontal sebagai penggerak sudu

dengan ukuran diameter 2 cm dan panjang 15 cm.

Gambar 3.4 Poros dalam

2. Empat buah pipa besi sebagai poros rotasi sudu yang dihubungkan

langsung dengan poros dalam, dan sebagai dudukan untuk sudu dengan

ukuran diameter 2 cm dan panjang 24 cm.

Gambar 3.5 Poros dudukan sudu

3. Rusuk yang berfungsi sebagai sekat pada tepi sudu dengan panjang dan

lebar meyesuaikan ukuran sudu dan tinggi sekat 1 cm.

20

4. Sudu kincir dengan 3 variasi ukuran 24 cm x 20 cm, 24 cm x 25 cm, 24cm

x 30 cm.

Gambar 3.6 sudu

5. Rangka penahan sudu (stopper).

Pada rangka penahan sudu yang ditunjukan pada gambar 3.7 untuk penahan

sudu agar bias membuka dan mengatup secara otomatis.

Gambar 3.7 Stopper Dalam pengambilan data, peralatan yang digunakan meliputi:

24cm 24cm 24cm

20cm 30cm 25cm

21

1. Wind tunnel

Wind tunnel ditunjukan pada gambar 3.8 Alat ini berfungsi untuk

menangkap dan mengumpulkan angin yang disedot oleh fan blower,

sekaligus menjadi tempat sirkulasi udara yang digunakan untuk menguji

kincir angin.

Gambar 3.8 Wind tunnel

2. Fan blower

Fan yang ditunjukan pada gambar 3.9 ini digerakkan oleh motor berdaya

5,5 kw yang berfungsi menghirup angin yang masuk melalui wind

tunel/lorong udara.

Gambar 3.9 Fan blower

22

3. Generator

Generator yang ditunjukan pada gambar 3.10 ini berfungsi untuk

menghasilkan arus dan tegangan listrik dari energi gerak yang berasal dari

putaran poros yang dihasilkan oleh kincir angin. Output yang diperoleh

akan digunakan untuk mencari besar nilai daya yang dihasilkan.

Gambar 3.10 Generator

generator

23

4. Multimeter

Multimeter yang ditunjukan pada gambar 3.11 ini membantu untuk

mengukur besar tegangan dan arus yang dihasilkan generator listrik sesuai

beban yang diberikan.

Gambar 3.11 Multimeter

5. Pengukur torsi statis

Pengukur torsi statis yang ditunjukan pada gambar 3.12 ini diigunakan

untuk mengukur torsi statis dengan menggunakan beban pasir yang

terukur sebagai indikator untuk mencari gaya F.

24

Gambar 3.12 Pengukur torsi statis

6. Alat pengukur beban

Alat pengukur beban yang ditunjukan pada gambar 3.13 ini berfungsi

sebagai alat pengukur beban yang diberikan terhadap kincir angin.

Gambar 3.13 Alat pengukur beban

25

7. Stopwatch

Stopwatch yang ditunjukan pada gambar 3.14 ini untuk mencatat waktu

pada waktu pengambilan data kincir angin.

Gambar 3.14 Stopwatch

8. Anemometer

Anemometer yang ditunjukan pada gambar 3.15 ini berfungsi untuk

mengukur sekaligus mengetahui kecepatan angin.

Gambar 3.15 Anemometer

26

9. Rangkaian beban lampu

Rangkaian beban lampu yang ditunjukan pada gambar 3.16 ini berfungsi

sebagai beban variatif yang digunakan sekaligus sebagai alat ukur

kemampuan dari kincir angin. Beban yang digunakan 8 watt, 16 watt, 24

watt, dan 32 watt.

Gambar 3.16 Beban lampu

10. Tachometer

Tachometer yang ditunjukan pada gambar 3.17 ini berfungsi untuk

mengukur putaran poros kincir angin pada saat berputar sebagai kebutuhan

data.

Gambar 3.17 Tachometer

27

3.3. Variabel penelitian

Beberapa hal yang harus dilakukan dalam variable penelitian :

1. tiga Ukuran sudu : 24 cm x 20 cm, 24 cm x 25 cm, 24 cm x 30 cm,

2. lima variasi kecepatan angin yang dimulai dari 7,8 m/s , 7,5 m/s, 7 m/s, 6,5

m/s, 6 m/s, 5,5 m/s

3. beban lampu yang digunakan : 8w, 16w, 24w.32w

3.4. Variabel yang Diukur

Beberapa hal yang harus dilakukan dalam variable yang akan diukur :

1. Torsi statis (Ts), Torsi dinamis (Td)

2. Tegangan (V)

3. Arus (A)

4. Putaran poros (Rpm)

5. Kecepatan angin (v)

6. Daya angin ( , Daya poros ( , Daya Generator (

7. Koefisien daya kincir (Cp) menggunakan persamaan yang ada.

Untuk pengambilan data, terdiri beberapa langkah pengambilan data yang

harus diurutkan untuk memudahkan data yang akan diambil yaitu :

1. Pengambilan data torsi statis,

2. Pengambilan data torsi dinamis dan daya yang dihasilkan oleh kincir.

Pada pengambilan data pertama yang dilakukan adalah memposisikan

kincir angin pada gambar di bawah berikut :

28

Gambar 3.18 Pengambilan data torsi statis 3.5Langkah Penelitian

3.5.1 Pengambilan data torsi statis

Beberapa hal yang harus dilakukan dalam pengambilan data torsi statis

1. Memasang alat pengukur torsi

2. Setelah pengukur terpasang, kemudian memasang kincir angin pada wind

tunnel, dan kencangkan baut pemegangnya supaya tidak bergerak.

3. Merangkai anemometer seperti pada gambar untuk mengetahui kecepatan

angin di dalam wind tunnel.

Gambar 3.19 Pengambilan data torsi statis

Alat pengukur torsi

29

4. Jika semua sudah siap, menyalakan blower untuk menghembuskan angin

ke dalam wind tunnel dan menentukan kecepatan angin dengan merubah

keduudukan blower maju-mundur untuk menentukan 5 variasi kecepatan

angin (dimulai dari kecepatan yang paling tinggi)

5. Setelah kecepatan angin tercapai, maka pengukuran beban mulai dapat

dilakukan dengan menggunakan pasir.

6. Mengulang langkah 1-5 dan pengambilan data dilakukan 5 kali dengan 3

ukuran variasi sudu.

3.5.2 Pengambilan data daya yang dihasilkan kincir

Beberapa hal yang harus dilakukan dalam pengambilan data daya yang

dihasilkan kincir :

1. Merangkai kincir angin pada wind tunnel sama seperti pada pengambilan

data sebelumnya, namun alat pengukur torsi dilepas.

2. Memasang puli besar yang terdapat di bawah wind tunnel yang

berhubungan dengan poros dengan generator.

3. Memasang anemometer seperti pada posisi pengambilan data pertama

untuk mengetahui kecepatan angin yang dibutuhkan (5 variasi kecepatan)

4. Merangkai amperemeter secara parallel dengan lampu, dan voltmeter

secara seri.

30

Gambar 3.20 Rangkaian alat ukur

5. Setelah semua siap, kemudian menyalakan blower untuk menghembuskan

angin ke dalam wind tunnel, dan diatur dengan maju-mundur untuk

mendapatkan variasi kecepatan angin.

6. Memulai mengukur tegangan dan arus lampu yang bisa dilihat pada

multimeter yang sudah dirangkai sebelumnya, dan diukur juga putaran

porosnya menggunakan tachometer.

7. Mencatat data yang diperoleh pada kertas yang sudah dipersiapkan.

8. Mengulangi langkah di atas sampai memperoleh data dengan 5 variasi

kecepatan, dan tentunya dengan menggunakan 3 variasi ukuran sudu.

31

1.5.3 Pengambilan data torsi dinamis

Untuk data torsi dinamis sebenarnya bisa diperoleh dalam satu rangkaian

yang digunakan untuk mencari data daya yang dihasilkan kincir.

Alat yang dibutuhkan adalah pengukur pegas dan tali nilon sepanjang 1 m.

Gambar 3.21 Pengambilan data torsi dinamis

1. Memasang alat pengukur pegas pada tempat yang ditentukan.

2. Memasang tali yang dikaitkan ke pengukur pegas terhadap ujung batang

pegangan poros generator.

3. Memulai mengambil data secara bersamaan pada saat mengambil data

daya yang dihasilkan oleh kincir.

4. Mencatat data yang terbaca oleh pengukur pegas, nanti akan terbaca

beban yang diperoleh dari setiap kecepatan angin.

32

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian 4.1.1. Data gaya pengimbang yang diperoleh pada saat pengamatan untuk menghasilkan torsi statis dengan menggunakan sudu yang berbeda Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi kurang lebih 7,8m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir tidak berputar.

Dari hasil penelitian didapatkan data seperti yang ditunjukan pada table 4.1 sampai table 4.18 : Tabel 4.1 Data hasil pengukuran gaya statis dengan ukuran sudu 20 cm x 24 cm.

No Kecepatan

Angin (m/s)

Massa beban (gram)

1 7,8 8502 7,8 8303 7,8 8204 7,8 8405 7,8 8106 7 7607 7 7408 7 7509 7 77010 7 78011 6 53012 6 52013 6 54014 6 55015 6 51016 5 43017 5 40018 5 42019 5 44020 5 46021 4 32022 4 33023 4 30024 4 31025 4 290

33

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran gaya statis dengan ukuran sudu 25 cm x 24 cm

No Kecepatan Angin (m/s)

Massa beban (gram)

1 7.8 785 2 7.8 795 3 7.8 810 4 7.8 820 5 7.8 825 6 7 745 7 7 750 8 7 730 9 7 735 10 7 740 11 6 680 12 6 660 13 6 650 14 6 655 15 6 670 16 5 580 17 5 575 18 5 555 19 5 565 20 5 560 21 4 420 22 4 435 23 4 440 24 4 450 25 4 430

34

Tabel 4.3 Data hasil pengukuran gaya statis dengan ukuran sudu 30 cm x 24 cm

No Kecepatan Angin (m/s)

Massa beban (gram)

1 7,8 1500 2 7.8 1480 3 7.8 1390 4 7.8 1350 5 7.8 1330 6 7 1270 7 7 1250 8 7 1230 9 7 1210 10 7 1190 11 6 1020 12 6 990 13 6 950 14 6 930 15 6 900 16 5 820 17 5 800 18 5 780 19 5 750 20 5 730 21 4 680 22 4 660 23 4 630 24 4 600 25 4 570

35

4.1.2. Data yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan sudu yang berbeda. Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi kurang lebih 7,8m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir tidak berputar.Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut : Tabel 4.4 Data hasil pengukuran dengan ukuran sudu 20 cm x 24 cm tanpa beban

No Kecepatan

angin Tegangan Arus Putaran

Beban pengimbang

m/s volt ampere rpm gram 1

7.8

2.25 0 54.4 50 2 2.15 0 54.1 50 3 2.27 0 53.9 50 4 2.21 0 52.8 50 5 2.17 0 53.7 50 6

7.5

2.08 0 49.3 50 7 1.97 0 49 50 8 1.93 0 48.7 50 9 1.81 0 47.3 50

10 1.78 0 47 50 11

7

1.68 0 42.8 50 12 1.63 0 41.6 50 13 1.56 0 40.9 50 14 1.58 0 42.5 50 15 1.65 0 42 50 16

6.5

1.33 0 26.4 45 17 1.25 0 25.6 45 18 1.15 0 25.6 45 19 1.1 0 24.8 45 20 1.03 0 24.3 45

36

Tabel 4.5 Data hasil pengukuran dengan ukuran sudu 25 cm x 24 cm tanpa beban

No Kecepatan

angin Tegangan Arus Putaran Beban

pengimbang m/s volt ampere rpm gram

1

7.8

2.62 0 65.1 60 2 2.53 0 62.5 60 3 2.74 0 71.9 60 4 2.68 0 67.2 60 5 2.62 0 64.5 60 6

7.6

2.44 0 61.2 60 7 2.39 0 60.3 60 8 2.36 0 59.5 60 9 2.42 0 58.2 60

10 2.4 0 58.1 60 11

7

2.09 0 46.2 5.5 12 1.9 0 47.5 5.5 13 2.08 0 48.8 5.5 14 2.06 0 50.6 5.5 15 2.03 0 49.8 5.5 16

6.5

1.72 0 39.7 50 17 1.65 0 39.2 50 18 1.63 0 38.8 50 19 1.59 0 40.7 50 20 1.58 0 38.2 50 21

6

0.92 0 24.7 40 22 0.89 0 24.5 40 23 0.85 0 25 40 24 0.84 0 23.7 40 25 0.81 0 23 40

37

Tabel 4.6 Data hasil pengukuran dengan ukuran sudu 30 cm x 24 cm tanpa beban

No Kecepatan


pengimbang m/s volt ampere rpm gram

1

7.8

3.17 0 78.1 60 2 3.09 0 77.5 60 3 2.95 0 76.7 60 4 2.89 0 76.1 60 5 2.82 0 75.6 60 6

7.5

2.71 0 72.3 60 7 2.7 0 72 60 8 2.68 0 71.8 60 9 2.67 0 70.8 60

10 2.65 0 70 60 11

7

2.59 0 59.7 55 12 2.58 0 59 55 13 2.51 0 58.8 55 14 2.56 0 58.3 55 15 2.49 0 57.4 55 16

6

1.87 0 43.7 45 17 1.85 0 43 45 18 1.81 0 42.8 45 19 1.77 0 41 45 20 1.75 0 40.3 45 21

5.5

1.09 0 31.5 40 22 1.07 0 30.7 40 23 1.05 0 30 40 24 0.97 0 29.7 40 25 0.95 0 28.8 40

38

Tabel 4.7 Data hasil pengukuran dengan ukuran sudu 20 cm x 24 cm beban 8 watt

No Kecepatan


pengimbang

m/s volt ampere rpm Gram 1

7.8

0.97 0.13 52.8 60 2 0.94 0.12 51.6 60 3 0.89 0.13 50.1 60 4 0.87 0.14 48.5 60 5 0.91 0.12 49.6 60 6

7.5

0.89 0.12 46.3 55 7 0.83 0.11 46.1 55 8 0.77 0.12 45 55 9 0.75 0.11 45.3 55

10 0.71 0.13 44.3 55 11

7

1.68 0.1 38.6 55 12 1.63 0.09 37.3 55 13 1.56 0.1 36.5 55 14 1.58 0.11 37.1 55 15 1.65 0.1 35.7 55 16

6.5

0.51 0.02 23.3 50 17 0.5 0.010 23 50 18 0.48 0.02 22.8 50 19 0.49 0.02 24 50 20 0.47 0.03 22.1 50

39


No Kecepatan


pengimbang


7.8

1.25 0.18 64.7 65 2 1.13 0.19 63.3 65 3 1.1 0.19 61.3 65 4 1.13 0.2 63.6 65 5 1.11 0.2 65.4 65 6

7.6

1.28 0.17 56.4 60 7 1.23 0.16 56.1 60 8 1.2 0.17 55.3 60 9 1.18 0.16 54.2 60

10 1.17 0.17 53.1 60 11

7

1.18 0.15 45.5 55 12 1.13 0.160 44.3 55 13 1.16 0.18 46.5 55 14 1.16 0.16 45.8 55 15 1.13 0.17 43.1 55 16

6.5

1.09 0.09 37.2 50 17 1.07 0.07 37.1 50 18 1.05 0.07 35.7 50 19 1.06 0.08 34.8 50 20 1.03 0.07 34 50 21

6

0.61 0.04 22.7 45 22 0.59 0.03 22.3 45 23 0.6 0.04 21.6 45 24 0.57 0.03 20 45 25 0.56 0.02 21.1 45

40


No Kecepatan


pengimbang


7.8

2.18 0.23 72.5 70 2 2.09 0.22 71.3 70 3 2.03 0.23 71 70 4 1.98 0.24 70.5 70 5 1.95 0.24 70 70 6

7.5

1.76 0.21 68.2 60 7 1.71 0.22 67.7 60 8 1.68 0.21 76 60 9 1.65 0.22 66.8 60

10 1.63 0.21 65.5 60 11

7

1.53 0.18 54.8 60 12 1.5 0.190 54 60 13 1.47 0.18 53.6 60 14 1.45 0.19 52.3 60 15 1.41 0.19 51.6 60 16

6

1.29 0.13 39.1 50 17 1.27 0.14 38.8 50 18 1.24 0.13 37.3 50 19 1.2 0.13 36.2 50 20 1.18 0.14 35.1 50 21

5.5

0.72 0.07 26.7 50 22 0.69 0.08 26 50 23 0.63 0.07 25.3 50 24 0.61 0.07 24.3 50 25 0.58 0.09 23.8 50

41


No Kecepatan

angin Tegangan Arus Putaran Beban pengimbang


7.8

0.71 0.15 47.1 65 2 0.74 0.16 49.1 65 3 0.78 0.16 46.7 65 4 0.72 0.15 45.7 65 5 0.74 0.150 48.3 65 6

7.5

0.65 0.14 42.3 60 7 0.63 0.12 42 60 8 0.66 0.13 41.3 60 9 0.64 0.14 40.4 60

10 0.61 0.15 39.8 60 11

7

0.45 0.12 34.7 55 12 0.49 0.13 35.9 55 13 0.44 0.13 34 55 14 0.42 0.12 35.5 55 15 0.4 0.12 34.2 55 16

6.5

0.45 0.04 21 50 17 0.43 0.05 20.8 50 18 0.44 0.04 20.3 50 19 0.41 0.05 19.7 50 20 0.42 0.04 19 50

42


No Kecepatan



7.8

0.85 0.24 59.7 65 2 0.84 0.23 58.3 65 3 0.8 0.25 58 65 4 0.83 0.24 57.2 65 5 0.82 0.240 56.4 65 6

7.6

0.79 0.23 50.1 65 7 0.76 0.23 49.5 65 8 0.75 0.24 48.1 65 9 0.77 0.24 47.3 65

10 0.73 0.23 46.3 65 11

7

0.78 0.22 41 60 12 0.74 0.23 42.5 60 13 0.79 0.24 39 60 14 0.76 0.23 38.3 60 15 0.74 0.23 38.2 60 16

6.5

0.97 0.11 33.9 55 17 0.95 0.12 32.7 55 18 0.96 0.11 30.3 55 19 0.93 0.12 31.3 55 20 0.9 0.13 29.1 55 21

6

0.48 0.06 19.5 45 22 0.46 0.06 18.9 45 23 0.47 0.07 17.3 45 24 0.43 0.07 16.8 45 25 0.45 0.06 16.3 45

43


No Kecepatan



7.8

1.93 0.27 68.7 80 2 1.9 0.28 68.6 80 3 1.87 0.28 67.1 80 4 1.86 0.29 66.3 80 5 1.84 0.290 65.1 80 6

7.5

1.12 0.24 64.3 65 7 1.1 0.25 63.7 65 8 1.08 0.25 62.4 65 9 1.06 0.24 63 65

10 1.04 0.24 62.8 65 11

7

0.99 0.22 50 65 12 0.96 0.23 49.8 65 13 0.95 0.23 49.3 65 14 0.93 0.22 48.6 65 15 0.89 0.22 47.1 65 16

6

0.75 0.2 33.6 55 17 0.73 0.21 33 55 18 0.7 0.21 32.3 55 19 0.68 0.2 31.1 55 20 0.67 0.21 30.6 55 21

5.5

0.53 0.11 22.3 50 22 0.51 0.12 22 50 23 0.49 0.11 21.3 50 24 0.47 0.11 20.8 50 25 0.45 0.12 19.1 50

44


No Kecepatan



7.8

0.6 0.160 45.3 65 2 0.6 0.15 44.2 65 3 0.7 0.17 43 65 4 0.6 0.18 44.7 65 5 0.6 0.17 43.4 65 6

7.5

0.53 0.15 38.7 60 7 0.5 0.16 38.1 60 8 0.47 0.15 37.3 60 9 0.45 0.16 36.7 60

10 0.43 0.16 35.6 60 11

7

0.39 0.13 33.3 55 12 0.37 0.12 32.4 55 13 0.38 0.13 34.2 55 14 0.37 0.13 35.2 55 15 0.36 0.12 32.5 55 16

6.5

0.35 0.05 18.3 55 17 0.34 0.06 18 55 18 0.33 0.05 17.7 55 19 0.31 0.06 16.3 55 20 0.3 0.06 15.3 55

45


No Kecepatan


pengimbang


7.8

0.8 0.260 53.4 70 2 0.79 0.27 53 70 3 0.76 0.29 54.7 70 4 0.71 0.26 53.4 70 5 0.74 0.28 52.7 70 6

7.6

0.74 0.24 45.3 65 7 0.76 0.25 45.1 65 8 0.73 0.25 44.5 65 9 0.7 0.26 43.9 65 10 0.69 0.26 43.1 65 11

7

0.76 0.25 36.3 60 12 0.75 0.26 37.3 60 13 0.73 0.25 38.6 60 14 0.74 0.24 35.6 60 15 0.71 0.25 33.9 60 16

6.5

0.56 0.14 28.7 55 17 0.54 0.16 27.3 55 18 0.52 0.14 28.1 55 19 0.55 0.15 26.3 55 20 0.52 0.15 26.1 55 21

6

0.41 0.08 15.8 45 22 0.4 0.09 14.7 45 23 0.39 0.09 14.3 45 24 0.38 0.08 15.3 45 25 0.36 0.1 16 45

46


No Kecepatan



7.8

1.72 0.32 63.1 85 2 1.7 0.33 62.6 85 3 1.68 0.32 61.3 85 4 1.66 0.34 60.9 85 5 1.63 0.34 60.1 85 6

7.5

0.98 0.27 59.8 70 7 0.92 0.28 59 70 8 0.9 0.28 58.1 70 9 0.87 0.27 57.5 70

10 0.85 0.28 57 70 11

7

0.87 0.25 44.3 65 12 0.85 0.24 43.8 65 13 0.83 0.25 42.1 65 14 0.79 0.26 41.3 65 15 0.77 0.25 41 65 16

6

0.55 0.23 28.6 60 17 0.53 0.23 27.8 60 18 0.5 0.22 26.3 60 19 0.49 0.22 26 60 20 0.48 0.23 25.8 60 21

5.5

0.43 0.14 17.8 55 22 0.41 0.14 16.6 55 23 0.4 0.15 16.1 55 24 0.39 0.15 15.3 55 25 0.38 0.14 14.4 55

47


No Kecepatan



7.8

0.57 0.17 42.4 65 2 0.52 0.18 41.3 65 3 0.55 0.19 40.5 65 4 0.58 0.18 39.45 65 5 0.56 0.18 40.1 65 6

7.5

0.44 0.16 33.5 60 7 0.39 0.17 32.8 60 8 0.4 0.17 32.1 60 9 0.41 0.18 31.3 60

10 0.38 0.17 31 60 11

7

0.36 0.14 27.3 55 12 0.37 0.150 27 55 13 0.34 0.14 26.4 55 14 0.36 0.13 25.3 55 15 0.35 0.14 24.2 55 16

6.5

0.44 0.07 15.7 55 17 0.39 0.07 15.1 55 18 0.4 0.08 14.6 55 19 0.41 0.07 13.9 55 20 0.38 0.08 12.7 55

48


No Kecepatan



7.8

0.74 0.3 49.9 70 2 0.73 0.29 48.6 70 3 0.65 0.27 47.1 70 4 0.69 0.28 46.2 70 5 0.74 0.28 45.4 70 6

7.6

0.73 0.29 41.9 65 7 0.7 0.280 40.3 65 8 0.72 0.29 39.6 65 9 0.73 0.29 37.5 65

10 0.68 0.27 37 65 11

7

0.67 0.28 30.3 55 12 0.65 0.27 31.1 55 13 0.63 0.28 30.3 55 14 0.66 0.29 29.6 55 15 0.55 0.26 28.9 55 16

6.5

0.45 0.19 24.3 50 17 0.44 0.18 23.9 50 18 0.45 0.19 22.3 50 19 0.42 0.17 21.8 50 20 0.41 0.19 20.3 50 21

6

0.32 0.11 13.7 45 22 0.3 0.12 12.6 45 23 0.28 0.11 11.3 45 24 0.27 0.13 11 45 25 0.25 0.11 10.3 45

49


No Kecepatan



7.8

1.64 0.350 58.3 85 2 1.62 0.35 57.1 85 3 1.57 0.36 56.7 85 4 1.53 0.36 56 85 5 1.51 0.36 55.1 85 6

7.5

0.98 0.31 52.1 75 7 0.86 0.300 51.7 75 8 0.84 0.31 50.8 75 9 0.82 0.32 49.6 75

10 0.79 0.32 49.1 75 11

7

0.75 0.28 38.3 70 12 0.73 0.27 38 70 13 0.7 0.28 37.9 70 14 0.68 0.27 36.7 70 15 0.65 0.28 35.1 70 16

6

0.43 0.26 23.8 65 17 0.42 0.25 23 65 18 0.4 0.26 22.1 65 19 0.39 0.25 21.7 65 20 0.36 0.26 20.3 65 21

5.5

0.36 0.16 13.6 60 22 0.35 0.17 13.1 60 23 0.37 0.16 12.7 60 24 0.33 0.16 11.8 60 25 0.3 0.17 11.1 60

50

Contoh perhitungan untuk kincir angin dengan ukuran sudu 30 cm x 24 cm pada kecepatan angin 7,8 m/s ditunjukan pada sub Bab 4.2 :

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

4.2.1 Torsi Statis

Torsi statis di hitung dengan menggunakan rumus :

•


: torsi statis, (Nm)

: gaya yang nilainya diambil dari (lampiran), (N)

: jarak lengan pengukur torsi yang tegak lurus terhadap poros kincir yang

diketahui berjarak 0,1 m, (m).

Sebagai contoh perhitungan torsi statis diambil data dari table 4.3 no 1 :

•

,

14,715

14,715 0,1

1,4715

.

51

4.2.2 Torsi Dinamis

Cara menghitung torsi dinamis adalah :

•


: torsis dinamis, (Nm)

: gaya yang nilainya diambil dari tabel L6 pada lampiran, (N)

: jarak lengan yang dihitung dari poros kincir menuju ke poros generator

yang berjarak 0,3 m, (m).

Sebagai contoh perhitungan diambil data dari L6 pada lampiran no 1 :

,

0,6867

0,6867 0,3

0,21

4.2.3 Luas Penampang Kincir

Kincir angin memiliki luas penampang yang berbentuk persegi panjang,

karena dilihat dari posisi sudu saat sudu terbuka dan diambil ukuran

panjangnya yang diambil dari diameter kincir dan lebar dari tinggi bentangan

sudu, sehingga bisa dirumuskan :

•


52

A : luas penampang kincir , (m2)

D : diameter kincir yang dihitung sebagai panjang kincir = 0,66 m, (m)

t : tinggi bentangan sudu tertinggi , (m)

Gambar 4.1 Penampang Kincir

Untuk mencari tinggi bentangan sudu diperoleh dari rumus :

Dihitung mulai dari sudu yang berukuran 20x24,

Cos 12⁰ x 20 cm = 19,56 cm

Gambar 4.2 Tinggi bentangan saat sudu 20x24 terbuka

Maka : t = (19,56 x 2) + 5cm = 44,13 cm ≈ 0,44 m

D

t5cm

Lebar sudu

tinggi sudu

Tinggi yang dicari

53

A = D x t = 0,6 m x 0,44 = 0,26 m2

Tinggi bentangan untuk sudu ukuran 25x24,

Cos 12⁰ x 25 cm = 24,45 cm


Maka : t = (24,45 x 2) + 5cm = 53cm ≈ 0,53 m

A = D x t = 0,6 m x 0,53 = 0,318 m2

Tinggi bentangan untuk sudu ukuran 30x24,

Cos 12⁰ x 30 cm = 29,34 cm


Maka : t = (29,34 x 2) + 5cm = 63,6 cm ≈ 0,63 m

A = D x t = 0,6 m x 0,63 = 0,38 m2

Tinggi yang dicari

Tinggi yang dicari

54

4.2.4 Daya Angin Yang Diterima

Cara menghitung daya angin adalah :

0,5


Pin : daya angin , (watt)

ρ : massa jenis udara , (kg/m3)

A : luas permukaan penampang kincir yang terkena angin, (m2)

V : kecepatan angin , (m/s).

Diasumsikan untuk massa jenis udara memiliki nilai : 1,2 kg/m3 , maka:

0,6

Sebagai contoh perhitungan diambil data penelitian dari L6 pada

lampiran sudu ukuran 30x24 kecepatan angin 7,8 mm/s :

0,6

0,6 0,38 7, 8

107,63 watt

55

4.2.5 Daya Poros

Cara menghitung daya poros adalah :

2п


: daya poros , (watt)

n : putaran poros, (rpm)

: torsi dinamis pada poros , (Nm)

contoh perhitungan diambil data penelitian dari L6 pada lampiran no 1:

2п 60

2 3,14 72,560 0,21

1,56

4.2.6 Daya Generator dan Efisiensi Sistem

Cara menghitung daya generator adalah :

Keterangan :

: daya generator ,(watt)

: tegangan, (volt)

: arus ,(ampere)

contoh perhitungan diambil data penelitian dari L6 pada lampiran no 1 :

2,18 0,23 0,501

56

4.2.6Efisiensi Sistem :

Cara menghitung efisiensi sistem adalah

100℅


: efisiensi sistem , (℅)

Sebagai contoh perhitungan diambil data penelitian dari L6 pada

lampiran untuk ukuran sudu 30x24 :

100℅

0,501

107,63 100℅

0,48 ℅

4.2.7 Koefisien Daya (Cp)

Cara menghitung koefisien daya adalah :

100℅

Keterangan :

: koefisien daya , (℅)

Sebagai contoh perhitungan data diambil dari L6 pada lampiran no 1 :

100℅

1,56

107,63 100℅

1,45 ℅

57

4.2.8 Tip Speed Ratio

Cara menghitung TSR adalah :

2п60


TSR : tip speed ratio

r : jari jari kincir

n : putaran poros kincir, (rpm)

V : kecepatan angin, (m/s)

Sebagai contoh perhitungan diambil data penelitian dari L6 pada lampiran

sudu ukuran 30x24 kecepatan 7,8 m/s :

2 3,14 0,3 72,5

60 7,8

0,32 ℅

58

4.3 Grafik Hasil Perhitungan

Dari hasil perhitungan yang sudah dilakukan dibuatlah grafik sebagai berikut :

a. Grafik hubungan antara Torsi statis dengan kecepatan angin

Gambar 4.5 Grafik hubungan antara kecepatan angin dengan torsi statis

Gambar 4.5 menjelaskan tentang hubungan kecepatan angin dengan torsi

statis yang diperoleh melalui penelitian. Dijelaskan bahwa semakin tinggi

kecepatan angin torsi yang diperoleh semakin besar. Pada grafik diperoleh

torsi yang terbesar (1,47 Nm) dimiliki oleh sudu ukuran 30x24 pada

kecepatan angin7,8 m/s. Dan maksud torsi statis ini adalah untuk mengetahui

seberapa besar kekuatan kincir / kemampuan kincir terhadap kecepatan angin.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 2 4 6 8 10

Torsi Statis (N/m

)

Kecepatan Angin (m/s)

20 x 24

25 x 24

30 x 24

59

b. Grafik hubungan antara Koefisien Daya (Cp) dengan TSR

1. Tanpa beban tambahan

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada tanpa beban tambahan

Grafik 4.6 menunjukkan hubungan antara Coeffisien of Power dengan

Tip Speed Ratio pada variasi tanpa beban tambahan. Berdasarkan grafik Tip

Speed Ratio, koefisien daya yang terbesar diperoleh pada ukuran sudu 30x24

yaitu 1,38℅ dan koefisien daya terkecil diperoleh pada ukuran sudu 20x24

yaitu 0,81 ℅.

2. Beban tambahan 8 watt

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 8 watt

0.000.200.400.600.801.001.201.401.60

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Cp ℅

TSR

20x24

25x24

30x24

0.000.200.400.600.801.001.201.401.60

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

Cp (℅)

TSR

20x24

25x24

30x24

60


Tip Speed Ratio pada variasi beban tambahan 8 watt. Berdasarkan grafik Tip

Speed Ratio, koefisien daya yang terbesar diperoleh pada ukuran sudu 30x24

yaitu 1,42 ℅ dan koefisien daya terkecil diperoleh pada ukuran sudu 20x24

yaitu 0,82 ℅.




Tip Speed Ratio pada variasi beban tambahan 16 watt. Berdasarkan grafik

Tip Speed Ratio, koefisien daya yang terbesar diperoleh pada ukuran sudu

30x24 yaitu 1,54 ℅ dan koefisien daya terkecil diperoleh pada ukuran sudu

20x24 yaitu 071 ℅.

0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

Cp (℅)

TSR

20x24

25x24

30x24

61







20x24 yaitu 0,67 ℅.


Gambar 4. 10 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada beban 32 watt

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Cp (℅)

TSR

20x24

25x24

0.000.200.400.600.801.001.201.401.60

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Cp (℅)

TSR

20x24

25x24

30x24

62





20x24 yaitu 0,56℅.

c. Grafik hubungan daya poros dengan kecepatan angin

1. Tanpa beban tambahan

Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya poros dengan kecepatan angin pada tanpa beban tambahan

Grafik 4.11 menunjukkan hubungan antara Daya poros dengan kecepatan

angin pada variasi tanpa beban tambahan. Berdasarkan grafik diperoleh, daya

poros yang terbesar diperoleh pada ukuran sudu 30x24 yaitu 1,42 watt pada

kecepatan angin 7,8 m/s dan daya poros terkecil diperoleh pada ukuran sudu

20x24 yaitu 0,35 watt pada kecepatan angin 6,5 m/s.

0.000.200.400.600.801.001.201.401.60

0 2 4 6 8 10

Daya po

ros (w

att)

Kecepatan angin (m/s)

20x24

25x24

30x24

63


Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya poros dengan kecepatan angin pada beban tambahan 8 watt








0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80

0 2 4 6 8 10

Daya po

ros (w

att)


20x24

25x24

30x24

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0 2 4 6 8 10

Daya po

ros (w

att)


20x24

25x24

30x24

64













0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80

0 2 4 6 8 10

Daya po

ros (w

att)


20x24

25x24

30x24

65








4.4 Pembahasan

Pada penelitian tugas akhir ini diketahui cara kerja sudu adalah membuka

dan mengatup secara otomatis yang bekerja dengan adanya tiupan angin. Saat

posisi sudu terbuka berarti itulah sudu yang menerima angin dan secara otomatis

sudu yang sejajar dalam satu poros posisinya mengatup. Posisi yang mengatup ini

memiliki tujuan untuk mengurangi kerugian pada saat kincir angin berputar

karena melawan arah angin.

Sesuai dengan prinsip kerjanya, dari hasil tiupan angin yang memutar

kincir lalu meneruskan energi yang diterima ke poros dan akhirnya diteruskan ke

generator dan menghasilkan listrik.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0 2 4 6 8 10

Daya po

ros (w

att)


20x24

25x24

30x24

66

Diperoleh data dari hasil penelitian, dilihat untuk daya dan koefisien daya

terlebih dahulu. Daya poros yang dihasilkan tergolong kecil, yaitu maksimal

diperoleh 1,56 watt pada kecepatan angin 7,8 m/s dengan ukuran sudu 30x24. Dan

untuk koefisien daya (CP) terbesarnya diperoleh 1,03 ℅ pada kecepatan angin 5,5

m/s dengan ukuran sudu 30x24.

Untuk perhitungan TSR dan koefisien daya diperoleh koefisien daya

terbesar adalah 1,54 ℅ pada TSR 0,32 dengan ukuran sudu 30x24 dan pada

kecepatan angin 7,8 m/s. Nilai TSR sangat dipengaruhi oleh jari-jari kincir angin.

Terdapat banyak faktor yang dapat menentukan besar kecilnya nilai daya

pada kincir. Salah satunya adalah mengurangi rugi rugi gesekan dengan

mengganti bantalan yang sudah seret. Poros kincir yang oleng juga

mempengaruhi, karena putaran kincir yang dihasilkan tidak stabil. Sudut yang

ditentukan pada saat mengatup juga mempengaruhi, karena berpengaruh terhadap

besar kecilnya permukaan yang diterima angin.

Putaran poros (rpm) yang diperoleh relative kecil yaitu antara 23,8rpm

pada kecepatan angin 5,5 m/s (sudu 30x24) hingga 78,1 rpm pada kecepatan angin

7,8 m/s (sudu 30x24).

Dari hasil data pengujian diperoleh bahwa semakin besar kecepatan angin

maka nilai torsi statis dan daya kincir yang dihasilkan semakin besar karena akan

mempengaruhi putaran poros. Begitu juga dengan ukuran sudu yang digunakan,

semakin besar ukuran sudu semakin besar juga nilai torsi statis yang dihasilkan

kincir angin, karena luasan permukaan yang diperoleh.

67

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari data yang diperoleh dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa :

1. Model kincir angin dengan ukuran sudu 20 cm x 24 cm menghasilkan torsi

statis 0,83 Nm pada kecepatan angin 7,8 m/s. Daya yang di hasilkan

sebesar 0,98 watt pada kecepatan angin 7,8 m/s, dan koefisien daya 1,30 ℅

pada TSR 0,24.

2. Model kincir angin dengan ukuran sudu 25 cm x 24 cm menghasilkan torsi

statis 0,79 Nm pada kecepatan angin 7,8 m/s. Daya yang di hasilkan

sebesar 1,30 watt pada kecepatan angin 7,8 m/s, dan koefisien daya 1,41 ℅

pada TSR 0,29.

3. Kincir angin dengan ukuran sudu 30 cm x 24 cm menghasilkan torsi statis

1,47 Nm pada kecepatan angin 7,8 m/s. Daya yang di hasilkan sebesar

1,69 watt pada kecepatan angin 7,8 m/s, dan koefisien daya 1,57 ℅ pada

TSR 0,35.

4. Semakin besar kecepatan angin dan luas penampang sudu, maka torsi dan

daya nilainya akan semakin besar.

5. Koefisien daya maksimal tertinggi dicapai oleh model kincir angin dengan

ukuran sudu 30 cm x 24 cm yakni 1,57 % pada TSR 0,35.

68

5.2 SARAN Beberapa hal penting yang bisa menjadi saran untuk penelitian berikutnya :

1. Jika ingin melakukan penambahan sekat, sebaiknya digunakan bahan yang

lebih ringan untuk mencegah penambahan berat yang berpengaruh

terhadap putaran poros.

2. Bantalan bearing wajib dicek, untuk menghindari bearing seret sehingga

poros tidak berputar maksimal.

3. Dalam pembuatan kincir, poros pada kincir harus lurus jangan sampai

bengkok sedikit. Karena putaran poros nanti tidak akan stabil.

4. Sudut pada saat sudu membuka – mengatup juga diperhatikan,

kemungkinan untuk menambah luas permukaan angin atau mengurangi

rugi – rugi pada saat kincir berputar.

69

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin, ITB Press : Bandung , 2004

Boyle, G., Renewable Energy, Oxford university Press : New York, 2004

Nugraha,E.S.,Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat

Ruang Yang Dapat Membentang Dan Mengatup Secara Otomatis, FST-

Universitas Sanata Dharma :Yogyakarta, 2010

“http://aerostellar.quasar.co.id/index.php/perkiraan-kecepatan-angin”

“http://bankskripsi.com/pemanfaatan-turbin-angin-dua-sudu-sebagai-penggerak-

mula-alternator-pada-pembangkit-listrik-tenaga-angin.pdf.doc.htm”

“http://educationmachine.blogspot.com/2010/01/ayo-kita-coba-mengenal-

turbin.html”

“http://fauzankamal.blogspot.com/2010/01/diterjemahkan-secara-bebas-

dengan_1440.html ( gaya drag pada pesawat )”

“http://id.wikipedia.org/wiki/Daftar_pembangkit_listrik_di_Indonesia”

“http://practicalaction.org/practicalanswers/product_info.php?products_id=371

( hubungan CP dan TSR)”

“http://renewableenergyindonesia.wordpress.com/2008/03/05/pembangkit-listrik-

tenaga-angin”

“http://www.alpensteel.com/article/47-103-energi-angin--wind-turbine--wind-

mill/795--pembangkit-listrik-tenaga-angin-menjadi-solusi.html”

http://www.antara.co.id/view/?i=1180509188&c=WBM&s=

LAMPIRAN

Tabel L1 Data hasil perhitungan torsi statis ukuran sudu 20 cm x 24 cm

Kecepatan Angin (m/s)

Gaya (Newton) Torsi (Nm)

1 7.8 8.3385 0.83385 2 7.8 8.1423 0.81423 3 7.8 8.0442 0.80442 4 7.8 8.2404 0.82404 5 7.8 7.9461 0.79461 6 7 7.4556 0.74556 7 7 7.2594 0.72594 8 7 7.3575 0.73575 9 7 7.5537 0.75537 10 7 7.6518 0.76518 11 6 5.1993 0.51993 12 6 5.1012 0.51012 13 6 5.2974 0.52974 14 6 5.3955 0.53955 15 6 5.0031 0.50031 16 5 4.2183 0.42183 17 5 3.924 0.3924 18 5 4.1202 0.41202 19 5 4.3164 0.43164 20 5 4.5126 0.45126 21 4 3.1392 0.31392 22 4 3.2373 0.32373 23 4 2.943 0.2943 24 4 3.0411 0.30411 25 4 2.8449 0.28449


No Kecepatan

Angin (m/s)


1 7.8 7.70085 0.77009 2 7.8 7.79895 0.7799 3 7.8 7.9461 0.79461 4 7.8 8.0442 0.80442 5 7.8 8.09325 0.80933 6 7 7.30845 0.73085 7 7 7.3575 0.73575 8 7 7.1613 0.71613 9 7 7.21035 0.72104 10 7 7.2594 0.72594 11 6 6.6708 0.66708 12 6 6.4746 0.64746 13 6 6.3765 0.63765 14 6 6.42555 0.64256 15 6 6.5727 0.65727 16 5 5.6898 0.56898 17 5 5.64075 0.56408 18 5 5.44455 0.54446 19 5 5.54265 0.55427 20 5 5.4936 0.54936 21 4 4.1202 0.41202 22 4 4.26735 0.42674 23 4 4.3164 0.43164 24 4 4.4145 0.44145 25 4 4.2183 0.42183


No Kecepatan

Angin (m/s)


1 7.8 14.715 1.4715 2 7.8 14.5188 1.45188 3 7.8 13.6359 1.36359 4 7.8 13.2435 1.32435 5 7.8 13.0473 1.30473 6 7 12.4587 1.24587 7 7 12.2625 1.22625 8 7 12.0663 1.20663 9 7 11.8701 1.18701 10 7 11.6739 1.16739 11 6 10.0062 1.00062 12 6 9.7119 0.97119 13 6 9.3195 0.93195 14 6 9.1233 0.91233 15 6 8.829 0.8829 16 5 8.0442 0.80442 17 5 7.848 0.7848 18 5 7.6518 0.76518 19 5 7.3575 0.73575 20 5 7.1613 0.71613 21 4 6.6708 0.66708 22 4 6.4746 0.64746 23 4 6.1803 0.61803 24 4 5.886 0.5886 25 4 5.5917 0.55917

model kincir angin poros vertikal dengan empat sudu …

Documents