pengembangan pembangkit listrik - …... · dinamo, gear kerucut dengan jumlah gigi 10 dipasang...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK

PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN

SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN

Disusun Oleh :

SRI YUWONO

M0207061

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Juni, 2012


commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang

berjudul “PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN

TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI

TERBARUKAN” adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan

sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi yang telah

dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk

mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan

Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan

segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan

terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus

memberitahu penulis.

Surakarta, 5 Juni 2012

SRI YUWONO


commit to user

iv

MOTTO

“Kami tiada membebani seseorang melainkan menurut kesanggupannya, …”

-*- al-Mu’minun : 62 -*-

“Bermimpilah, maka Tuhan akan memeluk mimpi-mimpi itu.”

-*- Arai Sang Pemimpi -*-

“Bukanlah seberapa besar mimpimu, tapi seberapa besar dirimu untuk mimpi itu.”

-*- Pak Balia Sang Pemimpi -*-

“Katakanlah: Sesungguhnya sholatku, ibadahku, hidupku dan matiku hanyalah untuk

Allah, Rabb semesta alam.”

-*- al-An’aam : 162 -*-


commit to user

v

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan kepada :

Ayahanda dan Ibunda Tercinta

Kakak dan adikku

Almamaterku UNS

Pembaca


commit to user

vi

PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK

PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN

SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN

SRI YUWONO

Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Turbin overshot dapat mengkonversi energi air sedangkan turbin savonius

dapat mengkonversi energi angin. Penelitian ini dilakukan dengan

menggabungkan turbin overshot dengan turbin savonius tipe L sehingga mampu

mengkonversi energi air sekaligus energi angin. Turbin overshot dibuat dengan 12

bilah sedangkan tubin savonius tipe L dibuat dengan 3 bilah. Roda gigi (gear)

kerucut dengan jumlah gigi 10 dan 16 digunakan untuk menghubungkan turbin

savonius poros vertikal dengan turbin overshot poros horisontal. Variasi dilakukan

pada rasio gear kerucut dengan jumlah gigi 16:10 dan 10:16 pada poros turbin

savonius dengan poros turbin oveshot. Untuk meningkatkan jumlah putaran poros

dinamo, gear kerucut dengan jumlah gigi 10 dipasang pada poros dinamo dari

pada roda gigi kerucut dengan jumlah gigi 16. Penggabungan turbin overshot

dengan turbin savonius tipe L mampu mengkonversi energi air dan angin secara

bersamaan sehingga menghasilkan output tegangan yang lebih baik dari pada

turbin overshot dan turbin savonius tidak digabung.

Kata kunci : turbin overshot, turbin savonius, gear kerucut


commit to user

vii

ELECTRIC GENERATOR USING COMBINE WATER AND WIND

TURBINES AS A RENEWABLE ENERGY SOURCE

SRI YUWONO

Physics Department, Faculty of Sciences, Sebelas Maret University

ABSTRACT

In this research, we combine overshot turbine and savonius turbine type L to

convert both water power and wind power. Overshot turbine that converts water

power is made of 12 blades and savonius turbine that converts wind power type L

is consist of 3 blades. Bevel gear that consists of 10 and 16 gears was used to

connect vertical axis savonius turbine with horizontal axis overshot turbine. We

investigated a variation on the ratio of bevel gear in the savonius turbine’s axis

and the overshot turbine’s axis as 16:10 and 10:16 respectively. To increase

number of rotation of dynamo’s axis, bevel gear that consists of 10 gears was used

in the dynamo’s axis instead of 16 gears. Our conclusion, the combination of

overshot turbine and sovonius turbine produce better output power than overshot

turbine or savonius turbine.

Keywords : overshot turbine, savonius turbine, bevel gear


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.Wb.

Alhamdulillahirobbil’alamiin, Puji syukur kepada Allah SWT atas limpahan

nikmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi

dengan judul “PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN

TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI

TERBARUKAN”. Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan skripsi ini

mengalami berbagai kendala karena keterbatasan dan kemampuan penulis.

Banyak pihak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. Dengan

rasa tulus dan ikhlas penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Ari Handono R, M.Sc, Ph.D selaku Pembimbing I yang telah

sabar memberikan dorongan, saran dan bimbingannya untuk menyelesaikan

tugas akhir ini.

2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc. selaku pembimbing II atas kesabaran

beliau dalam membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

3. Segenap dosen pengajar yang selama ini memberikan banyak pengetahuan

dan pengalaman.

4. Teman-teman seatap : Anto, Khoiruddin, Hendrik, dan Sidiq, yang

senantiasa menemaniku dikala senang maupun susah.

5. Teman seperjuangan : Hakim, Jono, Gunawan, Caga, dan Nakif yang telah

banyak membantu.

6. Teman-teman Fisika 2007 atas motivasi dan bantuannya.

7. Nekaters Fisika 2005 : Novan, Aris, Sartono, Haikal, Adie, Ridho, Haved,

dll. yang telah berbagi cerita dan pengalamannya.

8. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik dalam pelaksanaan

Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan Skripsi ini yang tidak

dapat disebutkan satu persatu.

Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin.


commit to user

ix

Penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam

penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna

perbaikan di masa datang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberi manfaat

bagi penulis khususnya dan pembaca pada. Amiin Yaa Robbal’Alamin.

Wassalamu’alaikum Wr.Wb.

Surakarta, 5 Juni 2012

Penulis


commit to user

x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ...................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ......................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................ iii

HALAMAN MOTTO ..................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ................................................................. vi

HALAMAN ABSTRACT .............................................................. vii

KATA PENGANTAR .................................................................... viii

DAFTAR ISI ................................................................................... x

DAFTAR TABEL ........................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ...................................................................... xiii

DAFTAR SIMBOL ......................................................................... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................... xv

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

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

1.2. Perumusan Masalah ............................................................. 3

1.3. Tujuan Penelitian ................................................................. 3

1.4. Manfaat Penelitian ............................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................... 4

2.1. Energi Angin ....................................................................... 4

2.2. Tip Speed Ratio (TSR) ........................................................ 6

2.3. Turbin Angin ....................................................................... 7

2.3.1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) .................. 7

2.3.2. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) ...................... 8

2.3.2.1. Turbin Darrieus .............................................. 9

2.3.2.2. Turbin Savonius ............................................. 10

2.4. Energi Air ............................................................................ 11

2.5. Turbin Air ............................................................................ 12

2.5.1. Turbin Air Overshot .................................................. 12

2.5.2. Turbin Air Undershot ................................................ 13

2.5.3. Turbin Air Breastshot ................................................ 13

2.5.4. Turbin Air Tub .......................................................... 14

2.6. Perbandingan Roda Gigi (Gear Ratio) ................................ 14

2.7. Dinamo ................................................................................ 15

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

3.1. Metode Penelitian ................................................................ 17

3.2. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................. 17

3.3. Alat dan Bahan .................................................................... 17

3.3.1. Bahan ......................................................................... 17

3.3.2. Alat Kerja ................................................................... 18

3.3.3. Alat Ukur ................................................................... 18

3.4. Prosedur Penelitian .............................................................. 19

3.4.1. Persiapan Alat dan Bahan .......................................... 19


commit to user

xi

3.4.2. Desain dan Pembuatan Turbin ................................... 19

3.4.3. Perakitan Alat ............................................................ 21

3.4.4. Pengujian Alat dan Pengambilan Data ...................... 22

3.4.5. Pengolahan dan Analisa Data .................................... 24

3.4.6. Kesimpulan dan Saran ............................................... 24

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................... 25

4.1. Pengukuran Putaran Dinamo ............................................... 25

4.2. Tip Speed Ratio (TSR) Turbin Angin ................................. 30

4.3. Pengukuran Output Tegangan dan Arus Listrik Dinamo .... 30

BAB V PENUTUP ......................................................................... 33

5.1. Kesimpulan .......................................................................... 33

5.2. Saran .................................................................................... 33

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................... 34

LAMPIRAN - LAMPIRAN ............................................................ 37


commit to user

xii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1. Daya Turbin Air …………………………………………. 31

Tabel 4.2. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros

Turbin Angin : Poros Dinamo 16:10 …………………….

31

Tabel 4.3. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros

Turbin Angin : Poros Dinamo 10:16 …………………….

31

Tabel 4.4. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio

Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo

16:10 …………………………………………………….

32

Tabel 4.5. Table 4.5. Daya Combined Water and Wind Turbine

pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros

Dinamo 10:16 …………………………………………...

32


commit to user

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Data kecepatan angin rata-rata Indonesia …….. 4

Gambar 2.2. Grafik hubungan antara TSR dengan daya turbin

angin …………………………………………...

7

Gambar 2.3. Turbin angin sumbu mendatar ………………... 8

Gambar 2.4. Turbin angin sumbu vertikal ………………….. 9

Gambar 2.5. Tipe rotor savonius …………………………… 10

Gambar 2.6. Rotor savonius ………………………………… 11

Gambar 2.7. Turbin air tipe overshot ……………………….. 12

Gambar 2.8. Turbin air tipe undershot ……………………… 13

Gambar 2.9. Turbin air tipe breastshot ……………………... 13

Gambar 2.10. Turbin air tipe tub …………………………….. 14

Gambar 3.1. Alat Ukur ……………………………………... 18

Gambar 3.2. Diagram alir penelitian ……………………….. 19

Gambar 3.3. Desain turbin air overshot …………………….. 20

Gambar 3.4. Desain turbin savonius tipe L dengan tiga bilah .. 21

Gambar 3.5. Rangkaian alat gabungan turbin air dan turbin

angin …………………………………………..

22

Gambar 3.6. Turbin air tidak terhubung dengan turbin angin .. 23

Gambar 3.7. Pengujian turbin angin (poros turbin air tidak

tersambung dengan poros dinamo) ……………

23

Gambar 4.1. Grafik Hubungan Debit Air Terhadap Putaran

Dinamo Hasil Pengujian Turbin Air …………..

26

Gambar 4.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap

Putaran Dinamo Hasil Pengujian Turbin Angin ..

26

Gambar 4.3. Grafik hubungan kecepatan angin dengan

putaran dinamo hasil pengujian combined water

and wind turbine ………………………………

28

Gambar 4.4. Grafik hubungan debit air dengan putaran

dinamo hasil pengujian combined water and

wind turbine …………………………………...

29


commit to user

xiv

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

m Massa Kilogram

v Kecepatan aliran angin Meter/Sekon

Ek Energi kinetik Joule

ρ Kerapatan Kilogram/Meter3

𝑄 Debit Meter3/Sekon

Pk Daya aliran angin Watt

A Luas penampang Meter2

PT Daya Betz Watt

Kecepatan sudut Radian/Sekon

R Jari-jari turbin Meter

Ep Energi potensial Joule

Pp Daya air Watt

h Beda tinggi Meter

g Percepatan gravitasi Meter/Sekon2

𝜀 GGL induksi Volt

P Daya listrik Watt

V Tegangan listrik Volt

I Arus listrik Ampere

Φ Fluks magnet Weber

Ng Efisiensi generator Persen

Nb Efisiensi roda gigi Persen

𝐶𝑝 Koefisien daya turbin

λ Tip speed ratio

Z Jumlah gigi gear

n Jumlah putaran roda gigi

N Jumlah lilitan


commit to user

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Perhitungan ……………………………………. 37

Lampiran 2. Grafik hasil pengujian ………………………… 46

Lampiran 3. Gambar alat …………………………………… 57


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia memiliki potensi cadangan energi baru dan terbarukan yang

sangat besar, namun pemanfaatannya masih belum maksimal. Berdasarkan data

Kementerian ESDM tahun 2009, kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga air

baru mencapai 5.711,29 MW atau sekitar 7,6 persen dari total potensi yang ada.

Sementara untuk yang skala mini atau mikro mencapai 217.890 MW atau sekitar

0,29 persen dari total potensi yang ada. Pemerintah terus mendorong upaya

pemanfaatan tenaga air, khususnya skala mini atau mikro sebagai pembangkit

tenaga listrik karena itu dapat memberikan manfaat nyata bagi masyarakat. Dalam

mengembangkan pembangkit mikro hidro, ada dua pendekatan yang dilakukan

saat ini, yaitu melalui pendanaan yang berasal dari pemerintah, secara komersial

melalui berbagai macam pola investasi dan pengusahaan atau swadaya

masyarakat.

Salah satu cara untuk mengatasi ketergantungan dan semakin langkanya

minyak bumi adalah dengan menggunakan sumber energi alternatif yang secara

cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Salah satu sumber alternatif

adalah dari energi terbarukan. Energi terbarukan meliputi energi air, panas bumi,

matahari, angin, biogas, biomass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi

terbarukan antara lain: Sumbernya relatif mudah didapat; dapat diperoleh secara

melimpah dan tidak menimbulkan polusi serta tidak terpengaruh oleh kenaikkan

harga bahan bakar.

Diantara energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah

energi air dan angin. Air dan angin memiliki kesamaan yakni termasuk zat alir

(fluida). Energi air dan angin dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik yakni

energi tersebut dirubah terlebih dahulu menjadi energi mekanik oleh sebuah turbin

yang kemudian menggerakkan rotor generator sehingga menghasilkan energi

listrik. Selain itu, energi air juga dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan

gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Sedangkan, energi angin dapat


commit to user

2

dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi,

pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan atau

udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain.

Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang

tinggi dan kondisi topografi daratan yang bergunung-gunung dengan aliran sungai

serta hembusan angin berpotensi untuk dikembangkan sebagai tenaga pembangkit

listrik (Daryanto, 2007). Berkait dengan hal tersebut maka dengan memanfaatkan

kedua sumber energi tersebut yakni air dan angin, diharapkan menjadi suatu

terobosan baru sebagai solusi alternatif untuk memenuhi kebutuhan energi.

Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan turbin air

yang memanfaatkan adanya suatu air terjun maupun aliran air sungai. Terdapat

empat jenis turbin air yakni turbin air overshot, undershot, breastshot, dan tub.

Turbin air overshot paling banyak digunakan dibandingkan dengan jenis turbin air

yang lain. Turbin air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam

bagian sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda turbin berputar

(Sudianto, 2009).

Turbin angin yang sesuai untuk kecepatan angin rendah adalah turbin

Savonius. Turbin ini memiliki torsi awal yang besar pada kecepatan angin rendah

(Kamal dan Islam, 2008). Turbin Savonius termasuk turbin tipe sumbu tegak

(vertical axis) yang rotornya dapat berputar untuk semua arah angin. Turbin

Savonius mempunyai dua jenis rotor yakni rotor Savonius tipe U dan tipe L. Rotor

Savonius L ini memiliki kelebihan dari Savonius U, yaitu pada Savonius L angin

yang menumbuk rotor lebih banyak mengalir ke bilah rotor lainnya melalui celah

di pusat turbin, sehingga memberikan energi tambahan pada bilah rotor ini

(Soelaiman dkk, 2007).

Penelitian ini berupaya menghadirkan solusi alternatif energi yang ramah

lingkungan yakni dengan menggabungkan turbin air overshot yang memanfaatkan

energi air dengan turbin savonius tipe L yang memanfaatkan energi angin sebagai

tenaga pemutar generator. Turbin air overshot dengan poros horisontal dan turbin

savonius tipe L dengan poros vertikal dihubungkan menggunakan roda gigi

kerucut. Dengan demikian diharapkan diperoleh output tegangan yang lebih besar.


commit to user

3

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, perumusan masalah pada penelitian ini

difokuskan pada desain dan pembuatan alat yang merupakan penggabungan turbin

air overshot dengan turbin savonius tipe L untuk mengkonversi energi air dan

angin secara bersamaan menjadi energi listrik untuk memperoleh hasil yang lebih

baik dari pada kedua turbin tidak digabungkan.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mendesain alat yang merupakan penggabungan turbin air overshot dan

turbin angin savonius tipe L (combined water and wind turbine).

2. Menguji kinerja penggabungan turbin air overshot dan turbin angin savonius

tipe L (combined water and wind turbine) pada tegangan yang dihasilkan

dinamo.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah memberikan manfaat pada

perkembangan energi terbarukan. Dengan terciptanya alat pengkonversi yang

mampu merubah energi air dan angin secara bersamaan menjadi energi listrik,

maka diharapkan di masa depan dapat diterapkan di masyarakat secara luas

sebagai salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.


commit to user

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan

juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari

tempat bertekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah atau dari

daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi (Soelaiman dkk., 2007).

Adapun data kecepatan rata-rata angin di Indonesia dapat dilihat pada

gambar di bawah ini yang didapat dari NASA.

Gambar 2.1. Data Kecepatan Angin Rata-rata Indonesia (Nehemia, 2009)

Dari Gambar 2.1. dapat dilihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan

angin rata-rata terbesar adalah daerah Nusa Tenggara, 5,5-6,5 m/s. Sedangkan

pulau-pulau besar di Indonesia, seperti Sumatera, Kalimantan, Jawa, Sulawesi dan

Papua hanya memiliki kecepatan angin rata-rata antara 2,7 – 4,5 m/s. Kecepatan

angin pada daerah-daerah di Indonesia memang relatif lebih kecil dari daerah-

daerah konsumen energi angin seperti Finlandia, Belanda, dan Amerika Serikat

(Nehemia, 2009).

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

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

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

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


commit to user

5

Angin yang berhembus dengan massa m dan kecepatan v akan menghasilkan

energi kinetik sebesar:

𝐸𝑘 =1

2𝑚𝑣2 (2.1)

Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu dengan kerapatan , yaitu:

𝑚 = 𝜌𝑄 (2.2)

dimana 𝑄 volume udara persatuan waktu (debit) yang bergerak dengan kecepatan

v melewati daerah seluas A yakni:

𝑄 = 𝐴𝑣 (2.3)

Maka energi kinetik angin yang berhembus persatuan waktu (daya) ialah sebagai

berikut (Sargolzaei, 2007):

𝑃𝑘 =1

2(𝜌𝐴𝑣)𝑣2 =

1

2𝜌𝐴𝑣3 (2.4)

dimana :

Pk adalah daya aliran angin (watt)

ρ adalah densitas udara (kg/m3)

A adalah luas penampang aliran angin (m2)

v adalah kecepatan aliran angin (m/s)

Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas

sapuan rotor A adalah:

𝑃𝑇 =16

27

1

2𝜌𝐴𝑣3 (2.5)

Angka 16/27 (=59,3%) ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari

ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan daya

maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0,593 yang artinya hanya

sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi menjadi daya mekanik. Dalam

hal ini, meski dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan

daya keluaran dihitung dengan tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang

digunakan. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di

ujung sudu, efisiensi aerodinamik dari rotor (η), η rotor ini akan lebih kecil lagi

yaitu berkisar pada harga maksimum 0,45 untuk sudu yang dirancang dengan

sangat baik (Daryanto, 2007).


commit to user

6

Daya yang mampu diekstraksi oleh turbin angin ditunjukkan sebagai berikut

(Ajao and Adeniyi, 2009):

𝑃𝑘 = 𝑘1

2𝜌𝐴𝑣3 (2.6)

𝑘 = 𝐶𝑝𝑁g𝑁𝑏

dimana :

𝐶𝑝 = koefisien daya turbin (batas Betz)

𝑁g = efisiensi generator

𝑁𝑏 = efisiensi roda gigi

2.2. Tip Speed Ratio (TSR)

Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar

turbin terhadap kecepatan angin. TSR dilambangkan dengan Alam and Iqbal,

2010).

𝜆 =𝜔𝑅

𝑣 (2.7)

dengan

tip speed ratio

kecepatan sudut turbin (rad/s) = 2.𝜋 .𝑟𝑝𝑚

60

R jari-jari turbin (m)

v = kecepatan angin (m/s)

Selain menggunakan persamaan di atas, TSR juga dapat diperoleh dari persamaan:

𝜆 =𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑

𝑣 (2.8)

Blade tip speed merupakan kecepatan ujung bilah atau rotor, dimana:

𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 =𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑟𝑝𝑚 .𝜋 .𝐷

60 (2.9)

dengan D adalah diameter turbin dalam satuan meter.

Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian bilah (blade) yang mengalami

gaya angkat (lift) dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang

mengalami gaya hambat (drag) (Soelaiman dkk., 2007).


commit to user

7

Nilai TSR berhubungan dengan daya yang mampu dibangkitkan oleh turbin

angin. Sesuai batas Betz pada persamaan (2.5), daya maksimum yang bisa

diperoleh dari energi angin hanya 59,3%. Sedangkan daya yang dapat

dibangkitkan dari putaran rotor turbin savonius dapat dihitung melalui pendekatan

teori Betz seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Grafik Hubungan antara TSR dengan Daya Turbin Angin (Khan

et.al., 2010)

2.3. Turbin Angin

Desain turbin angin secara umum terbagi menjadi dua, yaitu turbin angin

sumbu mendatar (Horizontal Axis Wind Turbine) dan sumbu vertikal (Vertical

Axis Wind Turbine).

2.3.1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)

Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) merupakan turbin yang poros

utamanya berputar menyesuaikan arah angin. Agar rotor dapat berputar dengan

baik, arah angin harus sejajar dengan poros turbin dan tegak lurus terhadap arah

putaran rotor. Biasanya turbin jenis ini memiliki bilah berbentuk airfoil seperti

bentuk sayap pada pesawat seperti terlihat pada Gambar 2.3. Pada turbin ini,


commit to user

8

putaran rotor terjadi karena adanya gaya angkat (lift) pada bilah yang ditimbulkan

oleh aliran angin. Turbin ini sesuai digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi,

dan banyak digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar.

Jumlah bilah pada HAWT bervariasi, mulai dari satu bilah, dua bilah, tiga

bilah, dan banyak bilah (multi blade) yang penggunaannya disesuaikan dengan

kebutuhan dan kondisi angin. Secara umum semakin banyak jumlah bilah,

semakin tinggi putaran turbin.

Gambar 2.3. Turbin Angin Sumbu Mendatar (Breeze, 2005)

Setiap desain rotor mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan turbin

jenis ini, yaitu memiliki efisiensi yang tinggi, dan cut-in wind speed rendah.

Kekurangannya, yaitu turbin jenis ini memiliki desain yang lebih rumit karena

rotor hanya dapat menangkap angin dari satu arah sehingga dibutuhkan pengarah

angin selain itu penempatan dinamo atau generator berada di atas tower sehingga

menambah beban tower.

2.3.2. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)

Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak

yang gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat

berputar pada semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini,

yaitu: Savonius, Darrieus, dan H rotor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.


commit to user

9

Turbin Savonius memanfaatkan gaya hambat (drag) sedangkan Darrieus dan H

rotor memanfaatkan gaya angkat (lift) (Elmabrok, 2009).

Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan

dan kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat

berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan

di bagian bawah turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak bising, dan kerja

turbin tidak dipengaruhi arah angin. Turbin angin jenis ini dapat menangkap angin

dari segala arah (Soelaiman dkk, 2010). Kekurangannya yaitu kecepatan angin di

bagian bawah sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan

menghasilkan putaran yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan

HAWT.

a.) Savonius Rotor b.) Darrieus Rotor c.) H Rotor

Gambar 2.4. Turbin Angin Sumbu Vertikal (Breeze, 2005)

VAWT awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi

seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk

konversi energi listrik skala kecil.

2.3.2.1. Turbin Darrieus

Turbin Darrieus pertama diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-

an. Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai sudu tegak yang berputar ke

dalam dan ke luar dari arah angin.


commit to user

10

2.3.2.2. Turbin Savonius

Salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang dapat

digunakan pada angin dengan kecepatan rendah adalah turbin angin Savonius.

Turbin ini ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada

tahun 1922. Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu

setengah silinder. Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami

perubahan bentuk rotor, seperti desain rotor yang berbentuk huruf L (lihat Gambar

2.5.).

(a) Tipe U (b) Tipe L

Gambar 2.5. Tipe Rotor Savonius (Soelaiman dkk, 2007)

Pada rotor Savonius, angin yang berhembus salah satu bilah rotor

diharapkan lebih banyak mengalir ke bilah rotor lainnya melalui celah di sekitar

poros sehingga menyediakan daya dorong tambahan pada bilah rotor ini,

akibatnya rotor dapat berputar lebih cepat.

Dari paten pengembangan rotor Savonius L oleh Sadaaki et.al. (2003)

seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.6. terlihat bahwa pada bentuk rotor Savonius

setengah lingkaran (Savonius U), aliran udara di kedua sisi bilah sama besar,

sementara pada rancangan 14 kedua (Savonius L) aliran udara pada sisi bilah yang

lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran

(Soelaiman dkk, 2007).


commit to user

11

(a) Rotor Savonius tipe U (b) Rotor Savonius tipe L

Gambar 2.6. Rotor Savonius (Sadaaki et.al., 2003)

2.4. Energi Air

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena

pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air

mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam

wujud energi mekanik maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak

dilakukan dengan menggunakan turbin air yang memanfaatkan adanya aliran air.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada

besarnya beda tinggi (head) dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir

(bendungan) air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir

dengan muka air keluar dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu

reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :

𝐸𝑝 = 𝑚gℎ (2.10)

dengan:

m adalah massa air (kg)

h adalah beda tinggi (m)

g adalah percepatan gravitasi (m/s2)

Daya merupakan energi potensial persatuan waktu, sehingga:

𝑃𝑝 = 𝜌𝑄gℎ (2.11)

dengan:

Pp adalah daya potensial air (watt)

Q adalah kapasitas aliran (m3/s)

ρ adalah densitas air (kg/m3)


commit to user

12

Daya air yang mampu diekstraksi oleh turbin air yakni (Farret and Simoes,

2006):

𝑃𝑝 = 𝜂𝜌𝑄gℎ (2.12)

dengan 𝜂 adalah efisiensi turbin air sederhana yang bernilai 0,6 (Farret and

Simoes, 2006).

2.5. Turbin Air (Water Turbine)

Turbin air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi

mekanik berupa torsi pada poros turbin. Ada beberapa tipe turbin air yaitu :

1. Turbin Air Overshot

2. Turbin Air Undershot

3. Turbin Air Breastshot

4. Turbin Air Tub

2.5.1. Turbin Air Overshot

Turbin air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian

sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda Turbin berputar (lihat

Gambar 2.7). Turbin air overshot adalah Turbin air yang paling banyak digunakan

dibandingkan dengan jenis Turbin air yang lain.

Gambar 2.7. Turbin Air Tipe Overshot (Sudianto, 2009)


commit to user

13

2.5.2. Turbin Air Undershot

Turbin air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding

sudu yang terletak pada bagian bawah dari Turbin air (lihat Gambar 2.8). Turbin

air tipe undershot tidak mempunyai tambahan keuntungan dari head. Tipe ini

cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata.

Gambar 2.8. Turbin Air Tipe Undershot (Sudianto, 2009)

2.5.3. Turbin Air Breastshot

Turbin air breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan

undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak

melebihi diameter Turbin, arah aliran air yang menggerakkan Turbin air disekitar

sumbu poros dari Turbin air. Turbin air jenis ini memperbaiki kinerja dari Turbin

air tipe undershot (lihat Gambar 2.9).

Gambar 2.9. Turbin Air Tipe Breastshot (Sudianto, 2009)


commit to user

14

2.5.4. Turbin Air Tub

Turbin air tub merupakan turbin air yang turbinnya diletakkan secara

horisontal dan sudu-sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat

dibuat lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot. Karena arah

gaya dari pancuran air menyamping maka energi yang diterima oleh turbin yaitu

energi potensial dan kinetik (lihat Gambar 2.10).

Gambar 2.10. Turbin Air Tipe Tub (Sudianto, 2009)

2.6. Perbandingan Roda Gigi (Gear Ratio)

Perakitan atau hubungan roda gigi di dalam transmisi, antara roda gigi

pemutar dan roda gigi yang diputar dapat diperoleh berbagai kondisi seperti

berikut ini :

Perbandingan kecepatan putaran yang dapat berbeda atau sama

Perbandingan momen yang dapat berbeda atau sama

Arah putar yang berbeda atau sama

Roda gigi kecil (A) bila berlangsung memutar roda gigi (B) yang lebih besar

maka akan diperoleh :

Putaran roda gigi B lebih lambat

Momen roda gigi B lebih besar

Arah putar roda gigi B berlawanan dengan roda gigi A


commit to user

15

Begitu pula sebaliknya, jika roda gigi pemutar adalah roda gigi yang lebih

besar maka akan diperoleh :

Putaran roda gigi yang diputar lebih cepat

Momen roda gigi yang diputar lebih kecil

Arah putaran roda gigi yang diputar berlawanan arah dengan pemutar

Putaran roda gigi yang diputar yang lebih lambat atau lebih cepat dengan

momen menjadi lebih kecil atau lebih besar, tergantung dari jumlah gigi pada roda

gigi yang pemutar dan roda gigi yang diputar (Sularso dan Kiyokatsu, 1997).

Reduksi roda gigi dilakukan untuk mereduksi atau mengurangi putaran

poros dari motor dengan menggunakan transmisi roda gigi. Berikut adalah

persamaan dalam mereduksi putaran berdasarkan jumlah roda gigi :

𝑛4

𝑛1=

𝑁1

𝑁3𝑥𝑁3

𝑁4 𝑎𝑡𝑎𝑢

𝑛𝑎

𝑛𝑏=

𝑁𝑏

𝑁𝑎

Atau : 𝑛𝑎

𝑛𝑏=

𝑍𝑏

𝑍𝑎 atau 𝑍𝑏 =

𝑛𝑎 .𝑍𝑎

𝑛𝑏 (2.13)

dengan :

𝑁𝑎 = 𝑍𝑎 : Jumlah gigi roda gigi penggerak

𝑁𝑏 = 𝑍𝑏 : Jumlah gigi roda gigi yang digerakan

na : Putaran roda gigi penggerak (rpm)

nb : Putaran roda gigi yang digerakan (rpm)

2.7. Dinamo

Dinamo adalah suatu alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi

listrik. Prinsip kerja dinamo dapat dipelajari menggunakan teori medan

elektromagnetik. Dinamo terdiri dari bagian yang bergerak (rotor) dan bagian

yang diam (stator). Pada poros dinamo sebagai rotor dipasang material

ferromagnetik permanen. Disekeliling poros terdapat stator yang merupakan

kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros mulai berputar maka terjadi

perubahan medan magnet (B) yang menembus permukaaan kumparan kawat

(flux), sehingga menurut Faraday akan menghasilkan GGL induksi, sesuai dengan

persamaan:


commit to user

16

𝜀 = −𝑁𝑑𝜙

𝑑𝑡 (2.14)

Karena fluks magnetik Φ = B.A. cos θ , dimana θ = ω.t, maka GGL induksi pada

Persamaan 2.14. menjadi:

𝜀 = −𝑁𝑑𝐵.𝐴.cos (𝜔 .𝑡)

𝑑𝑡 (2.15)

Sehinngga GGL induksi pada dinamo sesuai dengan persamaan:

𝜀 = 𝑁. 𝐵. 𝐴. 𝜔 sin 𝜔𝑡 (2.16)

Dalam hai ini:

𝜀 = GGL induksi (volt)

N = jumlah lilitan

𝑑𝜙

𝑑𝑡 = perubahan fluks tiap satuan waktu (wb/s)

𝜔 = kecepatan sudut kumparan saat berputar (rad/s)

Dinamo menghasilkan tegangan V dan arus listrik I sehingga dapat dihitung

besarnya daya listrik P yang dihasilkan dinamo dengan menggunakan persamaan

berikut (Sudianto, 2009):

𝑃 = 𝑉. 𝐼 (2.17)


commit to user

17

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Metode Penelitian

Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental.

Kegiatan yang dilakukan meliputi pembuatan turbin air overshot dan turbin angin

savonius tipe L yang terintegrasi dengan dinamo. Pengambilan data dilakukan

dengan mengukur putaran dinamo dan output tegangan yang dihasilkan dinamo

untuk setiap variasi debit air dan kecepatan angin.

3.2. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan mulai dari bulan Maret 2011 sampai dengan Mei

2012 di Laboratorium Bengkel Jurusan Fisika Fakultas MIPA dan Sub

Laboratorium Fisika UPT Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

3.3. Alat dan Bahan

3.3.1. Bahan

1. Dinamo Oriental Motor M206-0401-C4

2. Plat alumunium (tebal = 0,2 cm)

3. As (diameter = 1 cm)

4. Rangka siku besi

5. Pillow block + laker

6. Roda gigi kerucut (jumlah gigi 10 dan16)

7. Pipa paralon

8. Knee (sambungan paralon)

9. Baut + mur, sekrup

10. Papan kayu 120 cm x 60 cm x 2 cm

11. Pompa air

12. Kran air (3/4 inchi)

13. Kabel

14. Blower


commit to user

18

15. Dimmer

16. Bak air

3.3.2. Alat Kerja

1. Obeng plus+minus

2. Palu

3. Bor tangan listrik

4. Amplas

5. Grinda tangan listrik

6. Penggaris siku

7. Penggaris

8. Pensil + spidol

9. Gergaji besi

10. Pisau cuter

11. Tang

3.3.3. Alat Ukur

1. Tachometer digital untuk mengukur besar putaran dinamo

2. Anemometer Digital Testo 400 versi 1.2 untuk mengukur kecepatan angin

blower

3. Multimeter digital untuk mengukur output arus dan tegangan dinamo

a.) Tachometer b.) Anemometer c.) Multimeter

Gambar 3.1. Alat Ukur


commit to user

19

3.4. Prosedur Penelitian

Gambar 3.2. Diagram Alir Penelitian

3.4.1. Persiapan Alat dan Bahan

Persiapan meliputi alat-alat yang akan digunakan seperti obeng, gergaji, bor

serta penggaris, dan bahan dasar turbin yakni alumunium dengan tebal 0,2 cm,

bahan dasar meja peraga yakni papan kayu serta rangka siku besi, dan bahan

pendukung lainnya.

3.4.2. Desain dan Pembuatan Turbin

Pada penelitian ini dibuat turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe

L. Keduanya dibuat dari bahan alumunium yang merupakan material yang bersifat

tahan korosi, ringan dan mudah dibentuk. Pada langkah ini terlebih dahulu

dimulai dengan mendesain turbin kemudian dilanjutkan proses pembuatan turbin

sesuai desain yang telah dibuat.

Desain dan pembuatan turbin

Perakitan alat

Pengujian alat dan pengambilan data

Pengolahan dan analisa data

Persiapan alat dan bahan

Kesimpulan dan saran


commit to user

20

Turbin air overshot dengan bentuk sudu lengkung dengan ukuran

penampang dimana lebar sudu 15 cm dan panjang sudu 30 cm. Sedangkan untuk

kelengkungan sudu dapat dihitung dari Persamaan 3.1 (Sudianto, 2009) :

Y = 0,326 x r (inchi) (3.1)

Dengan:

r = jari-jari turbin = 0,15 m = 5,90 inchi (1 inchi = 2,54 cm)

maka

Y = 0,326 x 5,90 inchi

= 1,92 inchi

= 4,88 cm

Jumlah sudu lengkung yang digunakan adalah 12 buah dengan posisi

letaknya 30o

terhadap sumbu poros turbin. Desain turbin air overshot ditunjukkan

pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Desain Turbin Air Overshot


commit to user

21

Turbin savonius tipe L merupakan kombinasi dari profil datar dan

lengkungan. Pada penelitian ini turbin savonius dibuat dengan tiga bilah karena

lebih setimbang dan kelengkungan bilah lebih halus untuk dapat menangkap

energi angin secara efektif (Vanderhey et.al., 2008). Turbin savonius ini memiliki

ukuran tinggi 20 cm, jari-jari 14,6 cm dan panjang busur 10,3 cm. Seperti terlihat

pada Gambar 3.4.

a.) Tampak atas b.)Tampak depan

Gambar 3.4. Desain Turbin Savonius Tipe L dengan Tiga Bilah

3.4.3. Perakitan Alat

Turbin air overshot dan turbin savonius tipe L dirangkai dengan as, pillow

block, roda gigi (gear), dinamo serta blower sebagai sumber angin dan pompa air

sebagai sumber air disusun pada meja peraga seperti terlihat pada Gambar 3.5.

Poros dinamo tidak dapat terhubung langsung dengan poros horisontal oleh

karenanya digunakan gear lurus untuk menghubungkan poros dinamo dengan

poros horisontal yang selanjutnya poros ini disebut poros dinamo. Pada poros

horisontal terdapat kopel (sambungan) poros yang berfungsi untuk memutus atau

menyambung poros turbin air dengan poros dinamo. Poros turbin angin

dihubungkan dengan poros dinamo menggunakan gear kerucut.


commit to user

22

Gambar 3.5. Rangkaian Alat Gabungan Turbin Air dan Turbin Angin

Sepasang gear kerucut yang digunakan memiliki jumlah gigi 10 (Z1) dan 16 (Z2).

Efisiensi transmisi gear kerucut tersebut sebesar 91,88 % yang diperoleh dari

persamaan 3.2 (Khurmi and Gupta, 2005).

𝜂 = 1 −1

𝑛 𝑍1+𝑍2

𝑍1 .𝑍2 (3.2)

3.4.4. Pengujian Alat dan Pengambilan Data

Pengujian alat berfungsi untuk mengetahui seberapa jauh kerja dari alat

yang telah dibuat. Terlebih dahulu dilakukan pengukuran debit air dan kecepatan

angin. Sumber air berasal dari pompa air. Debit air keluaran pompa air diukur

dengan gelas beker yakni banyaknya air yang ditampung tiap satuan waktu.

Kemudian debit air diatur pada debit 0,58 L/s, 0,63 L/s, 0,67 L/s. Sedangkan

sumber angin berasal dari blower. Kecepatan angin diukur dengan anemometer.

Kecepatan angin dari blower diatur pada kecepatan 4,5 m/s, 5,5 m/s, 6,5 m/s, 7,5

m/s, 8,5 m/s.

turbin air

turbin angin blower

Pompa air

dinamo

Roda gigi

kerucut

kopel

Poros dinamo

Poros turbin angin

Bak air


commit to user

23

Pengambilan data terdiri dari pengukuran putaran poros dinamo, dan

tegangan serta arus listrik yang dihasilkan dinamo dalam setiap variasi debit air

maupun kecepatan angin. Setiap pengambilan data dilakukan tiga kali

pengukuran. Pengambilan data ini terdiri dari tiga bagian, yakni:

Pertama, pengambilan data untuk turbin air tanpa terhubung dengan turbin

angin (lihat gambar 3.6). Hal ini dilakukan pengambilan data output tegangan dan

arus listrik dinamo serta putaran poros dinamo dilakukan dengan variasi debit air.

Gambar 3.6. Turbin Air Tidak Terhubung dengan Turbin Angin

Gambar 3.7. Pengujian Turbin Angin (Poros Turbin Air tidak Tersambung dengan

Poros Dinamo)

kopel tidak tersambung

poros turbin angin dengan poros

dinamo tidak tersambung

kopel tersambung

poros turbin angin tersambung

dengan poros dinamo


commit to user

24

Kedua, pengambilan data untuk turbin angin tanpa terhubung dengan turbin

air (lihat Gambar 3.7). Pengambilan data output tegangan maupun arus listrik

dinamo serta putaran poros dinamo dan poros turbin angin dilakukan dengan

variasi kecepatan angin.

Ketiga, pengambilan data penggabungan turbin air dengan turbin angin

(combine water and wind turbine). Pengambilan data output tegangan maupun

dinamo serta putaran poros dinamo dan poros turbin angin dilakukan dengan

variasi debit air dan kecepatan angin.

Pengambilan untuk pengujian turbin angin dan pengujian combine water

and wind turbine dilakukan dengan variasi perbandingan jumlah gigi gear kerucut

pada poros turbin angin dengan jumlah gigi gear kerucut pada poros dinamo

yakni 16:10 dan 10:16.

3.4.5. Pengolahan dan Analisa Data

Data yang telah diperoleh selanjutnya dilakukan pengolahan data dan

dianalisa. Dari data tersebut dapat diinterpretasikan ke dalam grafik dan dianalisa

serta membandingkan dengan teori yang dijadikan acuan.

3.4.6. Kesimpulan dan Saran

Selanjutnya menyimpulkan hasil penelitian berdasarkan analisis yang telah

dilakukan dan memberikan saran untuk perbaikan penelitian selanjutnya.


commit to user

25

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada penelitian ini telah berhasil menggabungkan turbin air overshot dan

turbin angin savonius tipe L untuk memperoleh hasil yang lebih baik dari pada

hanya turbin air saja ataupun hanya turbin angin saja. Dengan mengkonversi dua

sumber energi yakni energi air dan energi angin secara bersamaan menjadi energi

mekanik. Maka, turbin air dan turbin angin secara bersama-sama memutar dinamo

sehingga dihasilkan tegangan listrik yang lebih besar.

Turbin air dengan poros horisontal dihubungkan dengan turbin angin poros

vertikal menggunakan roda gigi (gear) kerucut. Gear kerucut berfungsi sebagai

transmisi daya turbin air dengan turbin angin.

4.1. Pengukuran Putaran Dinamo

Pada pengujian turbin air, turbin angin maupun gabungan turbin air dan

angin (combined water and wind turbine) dilakukan pengukuran putaran dinamo,

putaran turbin angin dan tegangan serta arus listrik yang dihasilkan dinamo.

Rangkaian pengujian turbin air yakni turbin air overshot disambung dengan

dinamo. Dilihat dari perubahan putaran poros turbin air yang dihasilkan oleh

turbin air overshot yang tidak disambung dan yang disambung dengan dinamo

maka dengan penambahan dinamo, turbin air hanya mampu mengkonversi energi

air sekitar 68%.

Hasil pengujian turbin air overshot seperti yang ditunjukkan pada Gambar

4.1 bahwa dengan bertambahnya debit air maka bertambah pula besarnya

kecepatan putar turbin. Ketika debit air bertambah maka semakin banyak air yang

jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas sehingga gaya berat air semakin

besar dan mengakibatkan peningkatan kecepatan putar turbin. Turbin air dan

dinamo terletak dalam satu poros horisontal sehingga besarnya putaran turbin air

sama dengan besarnya putaran dinamo.


commit to user

26

Gambar 4.1. Grafik Hubungan Debit Air Terhadap Putaran Dinamo Hasil

Pengujian Turbin Air

Gambar 4.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran Dinamo Hasil

Pengujian Turbin Angin

Rangkaian pengujian turbin angin yakni turbin angin savonius tipe L

disambung dengan dinamo dan terdapat gear kerucut untuk menghubungkan

poros vertikal turbin savonius dengan poros horisontal dinamo. Dilihat dari

perubahan putaran poros turbin angin yang dihasilkan oleh turbin savonius yang

tidak disambung dan yang disambung dengan dinamo maka dengan penambahan

dinamo dan gear kerucut untuk rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin

64

65

66

67

68

69

70

0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68

pu

tara

n d

inam

o (

rpm

)

debit air (L/s)

1520253035404550556065707580

5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0

puta

ran d

inam

o (

rpm

)

kecepatan angin (m/s)

16:10

10:16

rasio t. angin:

dinamo =


commit to user

27

dengan poros dinamo 16:10, turbin angin hanya mampu mengkonversi energi

angin sekitar 20%. Sedangkan untuk rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin

angin dengan poros dinamo 10:16, penambahan dinamo dan gear kerucut

menyebabkan turbin angin hanya mampu mengkonversi energi angin sekitar 62%.

Pada pengujian turbin angin digunakan gear kerucut dengan rasio jumlah

gigi 10:16 untuk menghubungkan poros vertikal turbin dengan poros horizontal

dinamo. Sehingga besarnya putaran turbin angin tidak sama dengan besarnya

putaran dinamo. Gambar 4.2 menunjukkan bahwa grafik hasil pengujian turbin

angin secara umum memiliki respon kecepatan putar turbin angin savonius

meningkat terhadap kecepatan angin. Turbin angin dengan rasio jumlah gigi gear

kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo 10:16 menunjukkan semakin

besar kecepatan angin yang menabrak sudu turbin maka semakin besar pula

putaran turbin. Ketika kecepatan angin bertambah maka gaya dorong angin

terhadap sudu turbin akan semakin besar sehingga kemampuan putar turbin

meningkat dan menyebabkan peningkatkan putaran turbin. Tetapi tidak demikian

untuk turbin angin dengan rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin

dengan poros dinamo 16:10 karena turbin angin baru mampu berputar pada

kecepatan angin maksimal yang diujikan.


commit to user

28

Gambar 4.3. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Putaran Dinamo Hasil

Pengujian Combined Water And Wind Turbine

Combined water and wind turbine mampu mengkonversi energi air maupun

energi angin menjadi energi mekanik. Seperti yang terlihat pada Gambar 4.3. dan

Gambar 4.4. bahwa secara umum menunjukkan bertambahnya energi air dan

angin maka putaran dinamo juga bertambah cepat. Adanya dua sumber energi

sekaligus yakni air dan angin maka energi yang dikonversi oleh combined water

and wind turbine semakin besar sehingga mampu menghasilkan putaran dinamo

yang lebih besar dari pada turbin air dengan turbin angin tidak digabung. Tetapi,

ketika combine water and wind turbine hanya mendapat salah satu sumber energi

yakni energi air atau energi angin saja maka untuk turbin yang tidak memperoleh

energi tersebut akan menjadi beban dalam memutar dinamo bagi turbin yang

mendapat energi.

55

60

65

70

75

80

85

4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

pu

tara

n d

inam

o (

rpm

)

kecepatan angin (m/s)

Q=0,58 L/s

Q=0,63 L/s

Q=0,67 L/s

Q=0,58 L/s

rasio

t.angin:dinamo =

16:10

rasio

t.angin:dinamo =

10:16


commit to user

29

Gambar 4.4. Grafik Hubungan Debit Air dengan Putaran Dinamo Hasil Pengujian

Combined Water And Wind Turbine

Pada penelitian ini digunakan pasangan gear kerucut dengan jumlah gigi 10

dan jumlah gigi 16. Gear kerucut dengan jumlah gigi 10 memiliki diameter yang

lebih kecil dari pada gear kerucut dengan jumlah gigi 16. Tetapi, gear kerucut

dengan jumlah gigi 10 mempunyai putaran yang lebih banyak dari pada gear

kerucut dengan jumlah gigi 16 seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.13

yakni gear kecil berputar lebih cepat dan momen putarnya lebih kecil dari pada

gear yang lebih besar yang putarannya lebih lambat tetapi momen putarnya lebih

besar (Sularso dan Kiyokatsu, 1997).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa combined water and wind turbine

dengan rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo

16:10 yang memperoleh energi air dan angin sekaligus menunjukkan hasil yang

lebih baik. Hal ini karena poros turbin angin dengan jumlah gigi 16 mempunyai

momen putar yang besar. Momen putar pada jumlah gigi 16 lebih besar sehingga

memberikan tenaga putar tambahan pada jumlah gigi 10 pada poros dinamo maka

diperoleh putaran dinamo yang lebih banyak.

55

60

65

70

75

80

85

0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68

pu

tara

n d

inam

o (

rpm

)

debit air (L/s)

4,5 m/s5,5 m/s6,5 m/s7,5 m/s8,5 m/s4,5 m/s5,5 m/s

rasio

t.angin:dinamo =

16:10

rasio

t.angin:dinamo =

10:16


commit to user

30

4.2. Tip Speed Ratio (TSR) Turbin Angin

Dari hubungan kecepatan putar turbin dengan kecepatan angin dapat

diketahui nilai Tip Speed Ratio (TSR). Nilai TSR pada penelitian ini dapat

dihitung secara matematis melalui Persamaan 2.7. Hasil perhitungan nilai TSR

dapat dilihat pada tabel Lampiran 1.A.

TSR merupakan suatu perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap

kecepatan angin. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian sudu yang mengalami

gaya angkat (liftt) dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian sudu yang

mengalami gaya hambat (drag) (Soelaiman dkk., 2007). Pada turbin savonius

putaran turbin dipengaruhi oleh gaya hambat. Gaya hambat mengakibatkan gaya

gesek antara turbin dengan hembusan angin sehingga turbin berputar. Semakin

cepat benda bergerak semakin besar gaya hambat udara ini.

Hasil pada tabel Lampiran 1.A secara umum menunjukkan bahwa turbin

savonius yang telah dibuat memiliki nilai TSR tidak lebih dari 1. Hal ini karena

turbin savonius hanya memanfaatkan gaya hambat sehingga kecepatan putar tidak

mungkin lebih besar dari kecepatan angin. Turbin ini memiliki efisiensi yang

rendah dibandingkan jenis turbin yang lain seperti yang ditunjukkan Gambar 2.2.

4.3. Pengukuran Output Tegangan dan Arus Listrik Dinamo

Hasil pengujian turbin air, turbin angin maupun combined water and wind

turbine menunjukkan bahwa tegangan yang dihasilkan dinamo meningkat

terhadap putaran dinamo. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2, 4, 6, 16, 18,

20, 22. pada Lampiran 2. yang menunjukkan grafik hubungan antara putaran

dinamo terhadap tegangan listrik yang dihasilkan dinamo. Secara umum grafik

tersebut menunjukkan bahwa semakin besar putaran dinamo maka tegangan yang

dihasilkan dinamo semakin besar pula. Hal ini sesuai dengan Persamaan 2.16.

bahwa bertambahnya kecepatan putar dinamo akan meningkatkan laju perubahan

fluks magnetik di dalam dinamo. Peningkatan perubahan fluks magnetik akan

meningkatkan tegangan yang dihasilkan dinamo.


commit to user

31

Air memiliki energi potensial yakni energi yang tersedia dari suatu reservoir

(bendungan) air. Sedangkan angin memiliki energi kinetik karena udara memiliki

massa m dan bergerak dengan kecepatan v. Dengan demikian dapat dihitung daya

air dan daya angin serta daya listrik yang dihasilkan dinamo melalui Persamaan

(2.11), Persamaan (2.4) dan Persamaan (2.17). Dari Tabel 4.1 s/d 4.5

menunjukkan bahwa semakin besar debit air maupun kecepatan angin maka

semakin besar pula daya yang dihasilkan.

Table 4.1. Daya Turbin Air

Debit air 0,58 L/s 0,63 L/s 0,67 L/s

Daya air (watt) 4,30 ± 0,06 4,65 ± 0,07 4,90 ± 0,14

Daya listrik (miliwatt) 78,56 ± 0,27 84,25 ± 0,41 88,19 ± 0,43

Table 4.2. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin :

Poros Dinamo 16:10

Kec. angin 4,5 m/s 5,5 m/s 6,5 m/s 7,5 m/s 8,5 m/s

Daya angin

(watt)

1,60 ±

0,07

2,91 ±

0,15

4,81 ±

0,18

7,39 ±

0,22

10,76 ±

0,32

Daya listrik

(miliwatt)

-- 4,90 ±

0,12

20,80 ±

0,23

39,03 ±

0,30

52,04

±0,31

Table 4.3. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin :

Poros Dinamo 10:16

Kec. angin 8,5 m/s 9,5 m/s 10,3 m/s 11,5 m/s

Daya angin

(watt)

10,76 ± 0,32 15,02 ± 0,32 19,14 ± 0,51 26,65 ± 0,67

Daya listrik

(miliwatt)

21,18 ± 0,72 44,23 ± 0,11 72,88 ± 0,17 96,82 ± 0,19


commit to user

32

Table 4.4. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear

Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 16:10

Daya listrik (mili watt)

Daya

air

Daya Angin

4,90 ± 0,14 watt 4,65 ± 0,07 watt 4,30 ± 0,06 watt

1,60 ± 0,07 watt 93,66 ± 0,19 90,05 ± 0,10 87,74 ± 0,58

2,91 ± 0,15 watt 96,06 ± 0,30 94,32 ± 0,28 92,25 ± 0,20

4,81 ± 0,18 watt 98,87 ± 0,24 97,75 ± 0,21 95,69 ± 0,34

7,39 ± 0,22 watt 104,99 ± 0,21 102,35 ± 0,19 99,88 ± 0,29

10,76 ± 0,32 watt 108,98 ± 0,15 106,83 ± 0,21 103,69 ± 0,36

Table 4.5. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear

Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 10:16

Daya listrik (mili watt)

Daya air

Daya Angin

4,90 ± 0,14 watt 4,65 ± 0,07 watt 4,30 ± 0,06 watt

1,60 ± 0,07 watt 69,33 ± 0,24 66,66 ± 0,24 64,30 ± 0,36

2,91 ± 0,15 watt 73,76 ± 0,30 70,52 ± 0,14 67,11 ± 0,21

4,81 ± 0,18 watt 78,81 ± 0,29 76,54 ± 0,14 73,72 ± 0,20

7,39 ± 0,22 watt 87,21 ± 0,19 83,98 ± 0,29 81,07 ± 0,19

10,76 ± 0,32 watt 97,15 ± 0,25 94,70 ± 0,22 92,22 ± 0,21

Daya yang dikandung dalam reservoir air yang jatuh bergantung pada

besarnya beda tinggi (head) dan debit air. Sehingga perubahan kecil terhadap

debit air tidak mengakibatkan perubahan yang signifikan terhadap ketersediaan

daya. Sedangkan daya yang dikandung dalam aliran udara yang bergerak per unit

luas normal terhadap aliran adalah sebanding dengan pangkat tiga dari kecepatan

angin. Perubahan yang kecil terhadap kecepatan angin mengakibatkan perubahan

yang besar terhadap ketersediaan daya.


commit to user

33

BAB V

PENUTUP

5. 1. Kesimpulan

Berdasarkan dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan

sebagai berikut :

1. Kecepatan angin minimum yang dibutuhkan untuk memutar gabungan

turbin air dan turbin angin pada rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin

angin : poros dinamo 16:10 adalah 10,3 m/s, sedangkan pada rasio 10:16

adalah 9,3 m/s.

2. Gear kerucut dengan jumlah gigi 10 lebih baik dipasang pada poros dinamo

dari pada gear kerucut dengan jumlah gigi 16 karena dapat meningkatkan

jumlah putaran poros dinamo.

5. 2. Saran

Saran untuk penelitian selanjutnya adalah perbaikan rancang bangun turbin

dengan memodifikasi berupa kontruksi turbin satu poros.

pengembangan pembangkit listrik - …... · dinamo, gear kerucut dengan jumlah gigi 10 dipasang...

Documents