DELAPAN SUDU DARI BAHAN ALUMINIUM DENGAN TIGA … · menggunakan neraca pegas, ... dicarai energi...

i

KINCIR ANGIN MODEL AMERICAN MULTI-BLADE

DELAPAN SUDU DARI BAHAN ALUMINIUM

DENGAN TIGA VARIASI PITCH ANGLE

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan

mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

DOMINIKUS DWI WIDARYANTO

NIM : 115214039

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2015

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJIPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

AN EIGHT BLADES AMERICAN MULTI-BLADES

WINDMILL MODEL FROM ALUMINIUM MATERIAL WITH

THREE PITCH ANGLE VARIATIONS

FINAL PROJECT

Presented as partial fulfilment of the requirement

to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

by

DOMINIKUS DWI WIDARYANTO

Student Number : 115214039

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2015


vii

INTISARI

Sumber energi merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan dari

kehidupan manusia karena memegang peranan yang penting untuk memenuhi

semua kebutuhan manusia baik secara ekonomi, sosial, dan lingkungan.

Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan

bakar minyak yang semakin terbatas. Salah satu alternatif contoh energi yang

dapat diperbarui adalah energy angin. Tujuan dari penelitian ini dan membuat

kincir angin yang selanjutnya digunakan dalam penelitian untuk mengetahui

koefisien daya maksimal tertinggi untuk tiga variasi pitch angle sudu kincir dan

tip speed ratio optimalnya.

Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal

jenis kincir angin American multi-blade berdiameter 80 cm dengan jumlah

delapan sudu yang terbuat dari bahan aluminium dengan variasi pitch angle 10˚,

20˚, 30. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin

(wind tunnel) dengan menghubungkan poros kincir pada mekanisme pengereman

yang berfungsi untuk menambah pembebanan. Besarnya pembebanan diukur

menggunakan neraca pegas, putaran diukur menggunakan takometer dan

kecepatan angin diukur dengan anemometer. Data yang diambil pada saat

penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, daya kincir, daya angin,

tip speed ratio, dan gaya pengimbang torsi.

Dari hasil perolehan data, kincir angin dengan variasi pitch angle 10o

menghasilkan daya output maksimal sebesar 7,60 watt pada kecepatan angina

8,34 m/s dengan koefisien daya maksimalnya adalah 4,4 % pada nilai tip speed

ratio optimal 0,74. Kincir angin dengan pitch angle 20o nilai daya output

masimalnya sebesar 10,37 watt pada kecepatan angin 8,66 m/s dengan koefisien

daya maksimal adalah 5,4 % pada nilai tip speed ratio optimal 0,97. Kincir angin

dengan pitch angle 30o menghasilkan nilai daya output maksimal sebesar 31,72

watt pada kecepatan angin 8,85 m/s dengan koefisien daya adalah 16,3 % pada tip

speed ratio optimal 1,05. Dari semua peroleh data hasil perhitungan untuk semua

variasi pitch angle bila dibandingkan dapat diperoleh kesimpulan bahwa yang

merupakan variasi terbaik adalah variasi pitch angle 30o

karena menghasilkan

koefisien daya dan daya output maksimal yang paling tinggi dari semua variasi.

Kata kunci: American multi-blade, pitch angle, koefisien daya, tip speed ratio.


viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat dan

berkat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat

menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap

mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka

memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik

Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap

kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya

kepada :

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

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak Ir. PK. Purwadi, S.T.,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik

Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

3. Bapak Ir. Rines, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan

selaku Dosen Pembimbing TA.

4. Bapak R. Bernardus Wihadi Dwisuseno, MT sebagai Kepala Laboratorium

Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Bapak Intan Widanarko selaku Laboran Laboratorium Energi Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta.

6. Bapak Antonius Sukirno dan (Alm.) Ibu Theresia Jumarni orang tua saya

yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual hingga saat

ini.

7. Susanna Purwaninastiti selaku saudara kandung saya yang memberikan

dorongan semangat serta membantu agar segera terselesaikannya Tugas

Akhir ini.


ix

8. Dimas Citra Manggala Yudha, Yoseph Seno T serta Tomas Prasetya Widi.

selaku rekan-rekan saya, yang telah membantu dalam perancangan,

pembuatan, perbaikkan alat dan pengambilan data.

9. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman

lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala

bantuannya.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari

sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan

demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan

semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 05 Juni 2015

Penulis


x

DAFTAR ISI

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

TITLE PAGE ................................................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ....................................................................... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ............................................. v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ......................... vi

INTISARI ..................................................................................................... vii

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

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

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

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xv

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

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

1.2 Perumusan Masalah .............................................................................. 2

1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 3

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................................. 3

1.5 Manfaat penelitian ................................................................................. 4

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

2.1 Konsep Dasar Angin .......................................................................... 5

2.2 Kincir Angin ....................................................................................... 5


xi

2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ............................................................ 6

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ............................................................... 9

2.3 Rumus Perhitungan ........................................................................... 12

2.3.1 Daya Angin ....................................................................................... 12

2.3.2 Torsi Kincir Angin ............................................................................ 13

2.3.3 Daya Kincir Angin ............................................................................ 14

2.3.4 Tip Speed Ratio ................................................................................. 15

2.3.5 Koefisien Daya ..................................................................................... 16

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................... 17

3.1 Bahan-bahan ......................................................................................... 17

3.2 Alat-alat ................................................................................................ 19

3.3 Desain Sudu Kincir .............................................................................. 21

3.4 Variabel Peneliti .................................................................................. 24

3.4 Variabel yang Diukur ........................................................................... 25

3.4 Parameter yang Dihitung ..................................................................... 25

3.5 Langkah Percobaan .............................................................................. 25

3.6 Langkah Pengolahan Data .................................................................... 28

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN .................................... 30

4.1 Data Percobaan .................................................................................... 30

4.2 Perhitungan ......................................................................................... 32

4.2.1 Perhitungan Daya Angin (Pin) .......................................................... 32


xii

4.2.2 Perhitungan Daya Kincir (Pout) ........................................................ 32

4.2.3 Perhitungan Tip Speed Ratio ........................................................... 33

4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir (CP) ......................................... 33

4.3 Data Hasil Perhitungan ...................................................................... 33

4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ......................................... 37

4.4.1 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth

Angle 10o ........................................................................................ 37


Angle 20o ........................................................................................ 40


Angle 30o ........................................................................................ 43

4.5 Grafik Dari Hasil Perhitungan dan Pembahasan 3 Variasi Pitch

Angle .................................................................................................. 46

BAB V PENUTUP ........................................................................................ 49

5.1 Kesimpulan ............................................................................................ 49

5.2 Saran ....................................................................................................... 50

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 51

LAMPIRAN .................................................................................................. 52


xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir Angin American multi-blade ........................................ 7

Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arm .................................................. 8

Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius .......................................................... 10

Gambar 2.4 Kincir Angin Darieus ............................................................ 11

Gambar 2.5 Grafik HubunganAntara Koefisien Daya (CP) Dengan Tip

Speed Ratio (tsr) Dari Beberapa jenis Kincir ........................ 14

Gambar 3.1 Penyangga sudu .................................................................... 17

Gambar 3.2 Dudukan sudu dari tutup pipa ............................................... 18

Gambar 3.3 Mal pembentukan belahan sudu pada permukaan

lingkaran ................................................................................ 21

Gambar 3.4 Pembentukan kemiringan sudut sudu setelah pemotongan

sudu ...................................................................................... 22

Gambar 3.5 Mal pembentukan sektor sudut kemiringan sudu .................. 23

Gambar 3.6 Model kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian ....... 24

Gambar 3.7 Skema susunan alat-alat pengujian ....................................... 27

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch

angle 100 ............................................................................... 36

Gambar 4.2 Grafik Hubungan torsi dengan daya output pada variasi pitch

angle 100

............................................................................... 37

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio

variasi pitch angle 10˚ .......................................................... 37


xiv


angle 20o ................................................................................ 39

Gambar 4.5 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch

angle 20o ............................................................................... 39


(tsr) variasi pitch angle 20˚ .................................................. 40


angle 30o ................................................................................ 41

Gambar 4.8 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch

angle 30o ............................................................................... 42


(tsr) variasi pitch angle 30˚ ................................................... 42

Gambar 4.10 Grafik Hubungan Koefisien daya dan Tip speed ratio untuk

semua variasi kemiringan sudu .............................................. 44

Gambar 4.11 Grafik hubungan putaran kincir (rpm) dan torsi (T) untuk

semua variasi sudut kincir angina ........................................ 45

Gambar 4.11 Grafik hubungan daya kincir (Pout) dan torsi (T) untuk semua

variasi pitch angle kincir angin .............................................. 46


xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data percobaan dengan variasi pitch angle 100 ........................... 30



Tabel 4.4. Data Perhitungan untuk pitch angle 100 ...................................... 34




1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Angin merupakan sumberdaya alam yang tidak akan habis. Berbeda

dengan sumberdaya alam yang berasal dari fosil seperti gas dan minyak.

Cadangan energi fosil semakin berkurang sedangkan kebutuhan konsumsi bahan

bakar minyak terus meningkat. Perkiraan kandungan minyak bumi di Indonesia

dengan tingkat konsumsi bahan bakar minyak seperti saat ini akan habis dalam

waktu 10 sampai 15 tahun lagi. Hal ini menjadi tantangan besar bagi Indonesia

dan dunia, ketika dihadapkan pada kondisi dimana sebagian besar masih

tergantung pada energi bahan bakar fosil.

Pada dasarnya, kebutuhan manusia terhadap energi semakin meningkat,

setelah dimulainya revolusi industri, orang mulai menggunakan sumber energi

yang tidak dapat diperbaharui. sumber dayanya yaitu bahan bakar fosil, batubara,

gas alam dan minyak bumi. Bahan bakar fosil ini merupakan sumber daya energi

konvensional dan tidak terbaharui dan jumlahnya terbatas. Dengan hal ini, maka

timbul kecemasan manusia terhadap sumber daya konvensional yang tidak dapat

di perbaharui, dan agar mempertahankan eksistensi manusia di bumi ini. harus

dicarai energi alternatif untuk menggantikan energi bahan bakar fosil. salah satu

contoh energi alternative pengganti fosil yaitu energi angin.

Kebutuhan energi merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan

dari kehidupan manusia karena mempunyai peranan yang penting untuk

memenuhi semua kebutuhan manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan


2

lingkungan. Karena perkembangan jaman yang semakin pesat, saat ini sumber

energi dikembangkan hingga berbagai macam bentuk dan salah satunya yang

belum maksimal di negara Indonesia adalah energi angin karena mengingat

negara Indonesia ini merupakan negara agraris yang memiliki sumber energi

angin yang bisa dimanfaatkan lebih optimal dan lebih efektif.

Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan

produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi

bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Salah satu energi

terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi

angin. Potensi pemanfaatan energi angin di Indonesia masih terbuka luas karena

Indonesia memiliki garis pantai sekitar 95.000 km, demikian juga potensi

kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5 m/s hingga 11 m/s.

Pemanfaatan energi angin saat – saat ini masih belum optimal dan dalam

penggunaannya masih belum efektif. Maka dari itu diperlukan suatu mekanisme

yang tepat untuk memanfaatkan energi angin menjadi energi yang tepat guna,

salah satunya adalah mengubah energi angin menjadi energi listrik.

1.2 Perumusan Masalah

Masalah yang ingin dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah :

a. Angin adalah salah satu sumber energi yang berlimpah, gratis, memiliki

potensi untuk dikembangkan dan tidak menimbulkan banyak dampak

negatif bagi lingkungan dan manusia namun belum dimanfaatkan secara

optimal.


3

b. Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi diperlukan desain kincir angin

yang khusus, seperti pitch angle pada sudu kincir.

1.3 Batasan Masalah

Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan – batasan sebagai

berikut :

a. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin American

multi-blade dengan jumlah delapan sudu mengunakan bahan

aluminium dengan diameter 80 cm.

b. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin

(wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata

Dharma.

c. Variasi yang diambil adalah kemiringan sudut sudu (pitch angle)

dengan sudut 10˚, 20˚ dan 30˚.

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

putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.

e. Hasil penelitian adalah koefisien daya dan tip speed ratio untuk tiga

variasi kincir angin.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

a. Merancang dan membuat kincir angin American multi-blade dengan

jumlah delapan sudu yang terbuat dari bahan aluminium.

b. Untuk mengetahui daya output maksimal kincir dan torsi optimal kincir

angin American multi-blade dengan variasi pitch angle 10˚, 20˚, 30˚.


4

c. Mengetahui unjuk kerja kincir angin American multi-blade variasi pitch

angle 10˚, 20˚, 30˚ yaitu koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr).

d. Mengetahui unjuk kerja kincir angin American multi-blade yang terbaik

dari tiga variasi yang diteliti dengan membandingkan koefisien daya (Cp)

dan tip speed ratio (tsr).

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari pembuatan kincir angin adalah sebagai berikut :

a. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya

energi angin.

b. Mencari alternatif pengganti bahan bakar fosil dengan memanfaatkan

kincir angin yang bersih dan ramah lingkungan. Memperluas dan

menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin dengan bahan

aluminium.

c. Membuat pengembangan energi angin dengan bahan yang murah dan

sederhana supaya mudah dalam pembuatannya.


5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin

Sejak dulu energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan oleh manusia

sebagai sumber tenaga alam. Contohnya perahu-perahu layar menggunakan

energi ini untuk berlayar menyeberangi perairan sudah sejak dari jaman dulu.

Sebagaimana diketahui, energi angin merupakan energi yang berasal dari alam.

angin ini disebabkan karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara

dingin. Di daerah panas, udaranya menjadi panas sehingga mudah mengembang

dan menjadi ringan, udara tersebut akan naik ke atas dan bergerak ke daerah yang

dingin. Udara yang bergerak ke daerah dingin akan menjadi dingin dan turun ke

bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara. Perpindahan inilah yang

disebut sebagai angin.

Sekarang ini, energi angin hanya memenuhi sebagian kecil saja dari

kebutuhan akan energi. Dengan demikian kemajuan teknologi. penggunaan energi

angin makin meningkat dan biaya pekamaiannya semakin murah.

Dengan demikian didapatkan analisis bahwa energi angin merupakan energi

yang berasal dari perbedaan suhu antar udara panas dan dingin. dengan biaya

pemakaiannya yang murah.

2.2 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu mengkonversi energi angin

menjadi energi mekanik dalam arti lain bisa digunakan untuk menangkap atau

memperoleh energi angin yang dipergunakan tidak hanya sebagai penumbuk


6

biji-bijian dan memompa air untuk mengairi sawah tetapi dapat juga

dikonversikan menjadi tenaga listrik yang berasal dari putaran kincir.

Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua

kelompok utama, yaitu: kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros

vertikal.

2.2.1 Kincir angin poros horisontal

Kincir angin jenis ini ialah jenis kincir angin yang paling banyak digunakan

sekarang. Kincir ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah

baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi

arah angin. Kebanyakan turbin angin jenis ini yang dibuat sekarang mempunyai

dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya

banyak.

Kincir angin ini memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros

utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara sedangkan

kincir berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 3600

terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.

Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan

dikembangkan:

1. Kincir angin American Multi-blade

Kincir angin American Multi-blade adalah salah jenis kincir angin yang

mempunyai jumlah sudu yang banyak , biasa kincir angin ini memiliki jumlah

sudu lebih dari tiga buah. Gambar kincir angin American Multi-blade dapat

dlihat pada Gambar 2.1. Sesuai dengan namanya kincir angin ini banyak


7

dtemukan di negara Amerika Serikat, biasa digunakan untuk menggerakkan

pengaliran air, penggilingan biji-bijian dan sebagai alternatif pengganti energi

listrik.

Gambar 2.1 American Multi Blade

(Sumber : http://panzoelgituloh.blogspot.com, diakses 12 Maret 2015 )

2. Kincir angin Dutch four arm

Kincir angin Dutch four arm atau lebih dikenala dengan kincir angin

Belanda adalah kincir angin yang memiliki 4 lengan sudu, gambar kincir

angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.2. Kincir angin ini

biasanya digunakan oleh negara Belanda untuk menggerakkan pompa dengan

memanfaatkan kincir angin untuk mengeringkan lahan, dengan cara air tanah

itu di pompa keluar lahan yang dinamakan dengan polder. Adanya angin


http://panzoelgituloh.blogspot.com/

8

secara teratur menjamin pompa itu dapat berfungsi secara teratur menjamin

pompa itu dapat berfungsi secara teratur pula. Sejak berabad-abad Belanda

secara massive telah menggunakan kincir angin baik untuk menggiling

gandum maupun untuk memompa air demi mengeringkan negerinya yang

lebih rendah dari laut.

Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arm

(Sumber: http:// lailyychan.blogspot.com diakses 7 Mei 2015)

Kincir angin poros horisontal memiliki beberpaa dari kelebihan diantaranya

adalah:

a. Dasar menara yang tinggi memberikan akses ke angin yang lebih kuat.

b. Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi.

c. Memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan

dengan turbin angin dengan sumbu vertikal.


http://en.wiktionary.org/wiki/windmill

http://en.wiktionary.org/wiki/windmill

9

Selain memiliki kelebihan, kincir angin poros horisontal juga memiliki

kekurangan diantaranya:

a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter

sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20%

dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

b. Kincir yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi

dan mahal serta dibutuhkan operator yang terampil.

c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah

yang berat, gearbox, dan generator.

d. Kincir angin membutuhkan mekanisme kontrol tambahan untuk

membelokkan kincir ke arah angin.

2.2.2 Kincir angin poros vertikal

Kincir ini memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus.

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 ini mampu mendayagunakan angin dari

berbagai arah.

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di

dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses

untuk keperluan perawatan.

Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan

dikembangkan:


10

1. Kincir Angin Savonius

Kincir angin Savonius adalah salah satu jenis kincir angin dengan axis

vertikal yang mampu mengubah energi angin horizontal menjadienergi

kinetik rotasi. Kincir ini dikembangkan oleh insinyur asal Finlandia Sigurd

Johannes Savonius pada tahun 1922. Kincir angin Savonius dapat dilihat

pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius

(Sumber: http://cleangreenenergyzone.com, 12 Maret 2015)

2. Kincir Angin Darrieus

Kincir angin Darrieus merupakan suatu sistem konversi energi angin yang

digolongkan dalam jenis kincir angin berporos tegak. Turbin angin ini

pertama kali ditemukan oleh GJM Darrieus tahun 1920. Keuntungan dari

turbin jenis Darrieus adalah tidak memerlukan mekanisme orientasi pada

arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi


http://cleangreenenergyzone.com/

11

kecepatannya) seperti pada kincir angin propeller. Kincir angin Darrieus

memiliki ukuran dan efisiensi yang berbeda. Kincir angin Darrieus dapat

dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.4 Kincir Angin Darrieus

(Sumber: http://1.bp.blogspot.com, diakses 12 Maret 2015)

Kincir angin poros vertikal memiliki beberpaa dari kelebihan diantaranya

adalah:

a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di

tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan

arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir

bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas,

kecepatan angin meningkat sebesar 20%.


http://1.bp.blogspot.com/

http://1.bp.blogspot.com/-EGpUtZnOgiY/UxWcFTHVE7I/AAAAAAAAAPY/PoqgfZ1_xyk/s1600/gambar

12

b. Kincir ini tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

c. Kincir ini bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan

bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

Selain memiliki kelebihan, kincir angin poros vertikal juga memiliki

kekurangan diantaranya:

a. Kebanyakan kincir ini memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi

kincir angin poros horisontal karena drag tambahan yang dimilikinya saat

kincir berputar.

b. Kebanyakan kincir ini mempunyai torsi awal yang rendah, dan

membutuhkan energi untuk mulai berputar.

c. Sebuah kincir angin poros vertikal yang menggunakan kabel untuk

menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat

rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan

meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.

2.3 Rumus-Rumus Perhitungan

Berikut ini rumus-rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan

dan analisa dalam penelitian unjuk kerja kincir angin ini adalah sebagai berikut:

2.3.1 Daya Angin

Energi yang terdapat pada angin adalah energy kinetik, sehingga secara

umum disampaikan pada Persamaan (1):

Ek=

m v2

(1)


13

dengan Ek adalah energi kinetik (J), m adalah massa udara (kg), dan v adalah

kecepatan angin (m/s).

Daya merupakan energi per satuan waktu, maka dari persamaan diatas

dapat dituliskan:

Pin =

ṁ v2

(2)

dengan adalah daya yang dihasilkan angin, J/s (watt), ̇ adalah massa udara

yang mengalir per satuan waktu, kg/s, v adalah kecepatan angin, m/s.

Massa udara yang mengalir per satuan waktu adalah:

ṁ = ρ A v (3)

dengan ρ adalah massa jenis udara (1,18 kg/ ), A adalah luas penampang yang

membentuk sebuah lingkaran (m2).

Dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat

dirumuskan menjadi:

Pin =

(ρAv)v2

yang dapat disederhanakan menjadi:

Pin =

ρ A v

3 (4)

2.3.2 Torsi Kincir Angin

Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya

dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong memiliki jarak terhadap sumbu

poros yang berputar. Persamaannya adalah :

T = F . r (5)


14

Dengan T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), F

adalah gaya penyeimbang torsi (N), dan r adalah jarak lengan torsi ke poros (m).

2.3.3 Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat

daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir.

Daya efektif yang dapat diambil kincir angin adalah sebesar 59,3%. Angka

59,3% adalah batas Betz ( Betz Limit, diambil dari ilmuan jerman Albert Betz).

Gambar 2.5 merupakan karakteristik dari beberapa kincir.

Gambar 2.5 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tips speedratio

(tsr) dari beberapa jenis kincir.

(Sumber : http://www.intechopen.com, diakses 12 februari 2015)

Umumnya perhitungan daya gerak melingkar dapat dituliskan dengan

persamaan:

Pout = T ω (6)

dengan T adalah torsi dinamis (Nm), ω adalah kecepatan sudut (rad/s).


http://www.intechopen.com/source/html/16242/media/image67.jpeg

15

Kecepatan sudut (ω) didapat dari:

ω = n rpm

= n

=

=

(7)

Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan

persamaan :

Pout = Tω

Pout = T

W (8)

dengan pout adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt), n adalah putaran

poros (rpm).

2.3.4 Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin.

Rumus kecepatan diujung sudu ( ) adalah:

vt = ω r (9)

dengan adalah kecepatan ujung sudu, adalah kecepatan sudut (rad/s), dan

adalah jari-jari kincir (m).

Tip Speed Ratio (tsr) nya dapat dirumuskan dengan:

tsr =

(10)


16

dengan r adalah jari-jari kincir angin (m), n adalah putaran poros (rpm), v adalah

kecepatan angin (m/s).

2.3.5 Koefisien Daya

Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yan dihasilkan oleh

kincir ( ) dengan daya yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat

dirumuskan:

Cp =

100% (11)

dengan Cp adalah koefisien daya (%), Pout adalah daya yang dihasilkan oleh kincir

(watt), Pin adalah daya yang dihasilkan oleh angin (watt).


17

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Bahan-bahan

Bahan-bahan yang diperlukan pada penelitian ini dapat adalah sebagai

berikut:

a. Bahan untuk sudu-sudu kincir.

Sudu-sudu kicir angin dipilih dari bahan aluminium dengan

ketebalan 1 mm.

b. Bahan untuk penyangga sudu kincir.

Penyangga sudu juga menggunakan bahan aluminium berbentuk

pipa persegi dengan panjang 400 mmlebar 15 mm dan tinggi 5 mm yang

diberi lubang berukuran 5 mm untuk menempelkan sudu pada

penyannga,seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Penyangga sudu

5 mm

10 mm 15 mm

15 mm 11

m

m

370 mm

70 mm 70 mm 100 mm 80 mm 22,5 mm

5 mm

2,5 mm


18

c. Dudukan sudu atau Hub

Sedangkan dudukan sudu merupakan bagian komponen yang

berfungsi untuk pemasangan sudu. Dudukan sudu ini dari tutup pipa

paralon yang memiliki diameter 6 inchi. Untuk memasang sudu pada

dudukan, maka dibuat lubang berdiameter 5 mm untuk memasang

penyangga sudu yang dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Dudukan sudu dari tutup pipa

c. Baut dan Mur

Baut dan mur berfungsi untuk merangkai bagian sudu dengan

penyangga sudu kemudian dirangkai pada dudukan sudu atau hub ar dapat

menjadi rangkaian model kincir angin. Baut yang digunakan memiliki

ukuran M 5.

60 mm

170 mm

5 mm

10 mm

4 mm


19

d. Bahan untuk poros utama kincir.

Poros utama kincir yang dipasang tetap pada lubang poros kincir

dan ditahan oleh dua bantalan tiang penahan pada tiang penahan kincir,

menggunakan bahan pejal silindris berdiameter ¾ inci.

e. Bahan-bahan untuk tiang penahan kincir.

Tiang penahan kincir dibuat dari pipa baja berdiameter 1 inci. Di

tengah-tengah tiang terdapat rumah bantalan untuk tumpuan poros kincir

dengan desain dari papan baja dengan ketebalan 6 mm.

3.2 Alat-alat

Alat-alat yang diperlukan dalam penelitian ini dapat dibedakan menjadi

dua kelompok, yaitu:

a. Alat-alat kerja atau alat untuk pembuatan kincir, meliputi:

1. Mesin bor beserta Mata Bor

2. Gergaji

3. Mesin Gerinda

4. Mesin tekuk

5. Gunting Seng

6. Obeng

7. Tang

8. Cutter

b. Alat tambahan dan alat bantu pengukuran, meliputi:

1. Terowongan angin yang dilengkapi blower, untuk pengkondisian

angin.


20

2. Anemometer untuk pengukuran kecepatan angin yang dihasilkan

blower.

3. Takometer untuk pengukuran putaran kincir.

4. Neraca pegas untuk pengukuran pembebanan yang diberikan pada saat

pengeremanan yang diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis.

5. Mekanisme pengereman alat ukur gaya tangensial berfungsi sebagai

pengerem atau penghambat putaran kincir dalam melakukan

pengambilan data torsi dan daya kincir.

c. Tiang penahan kincir di dalam terowongan angin.

Rangka penahan kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian ini

adalah seperti yang ditunjukan dalam gambar 1. Secara garis besar rangka

penahan yang dipasang dalam terowongan angin ini terdiri atas tiga

bagian, yakni tumpuas atas, tumpuan bawah dan rumah bantalan tempat

kedudukan poros kincir. Terdapat dua bantalan yang akan dipasang di

sebelah depan dan sebelah belakang rumahnya. Kedua bantalan ini

digunakan untuk menumpu poros utama kincir angin.

d. Poros utama kincir

Poros kincir yang dibuat berbahan dasar baja dengan bentuk dan

ukuran yang sudah disesuaikan dengan kincir. Poros ini dipasang pada hup

atau pusat kincir dan selanjutnya sebagian ujungnya (ujung belakang)

dipasang pada tiang penyangga kincir melalui dua bantalan berdiameter 15

mm.


21

3.3 Desain Sudu Kincir

Sudu-sudu kincir yang dipilih memiliki penampang flat dari bahan

aluminium yang memiliki ketebalan 1 mm. sudu dibuat tiga variasi sudut sudu

(α), yakni 10o,20

o,dan 30

o. Sudu dibuat dari delapan bagian sebuah lingkaran,

seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Mal pembentukan belahan sudu pada permukaan lingkaran


22

Setelah mengalami pemotongan sudu kincir angin kemudian dilubangi

sebesar 5 mm menggunakan mesin bor. Lubang pada sudu kincir angin berfungsi

untuk merangkai sudu pada penyangga sudu. Setelah pembuatan lubang, sudu

kemudian ditekuk menggunakan mesin tekuk. Sudu ditekuk sesuai dengan variasi

yang telah ditentukan, yaitu sudu ditekuk dengan kemiringan sudu atau pitch

angle 10 o, 20

o, 30

o. Sketsa pembuatan lubang dan kemiringan sudut sudu setelah

pemotongan sudu dapat dilihat pada Gambar 3. 4, ukuran panjang, lebar dan

ketebalan menggunakan satuan mm.

Gambar 3.4. Pembentukan kemiringan sudut sudu setelah pemotongan sudu.


23

Pembentukan kemiringan sudut pada permukaan sudu menggunakan

mesin tekuk dengan cara dijepit kemudian ditekuk sesuai dengan sudut yang telh

ditentukan. Dalam proses pembentukan kemiringan sudu supaya mendapatkan

bentuk sesuai dengan sektor sudut yang dirancang maka diperlukan sebuah

cetakan atau mal. Setelah sudu sudah ditekuk sesuai dengan sektor sudut masi-

masing kemudian sudu dimal. Sisi permukaan aluminium yang akan ditekuk

diberi garis acuan sesuai dengan ukuran sisi yang akan ditekuk yang sudah

ditentukan sesuai rancangan. Kemudian garis disayat dengan menggunakan cutter

sesuai garis yang dibuat pada bagian sisi yang akan digunakan untuk pemasangan

penyangga sudu. Setelah semua garis tersayat, sudu akan mudah ditekuk.

Sehingga permukaan sudu tetap rata setelah mengalami proses menekukan

dengan menggunakan mesin tekuk.

Gambar 3.5. Mal pembentukan sektor sudut kemiringan sudu.

Setelah pembuatan kemiringan sudu, kemudian sudu-sudu dirangkai pada

penyangga sudu dan hub sehingga membentuk model kincir. Hub kincir yang

Mal sudut 30o


24

dibuat memiliki delapan sudu. Bentuk tipikal dan ukuran garis besar model kincir

angin american multi-blade yang akan dibuat adalah seperti yang ditunjukan

dalam Gambar 3.6.

Gambar 3.6. Model kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian.

3.4 Variabel Penelitian

Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan

penelitian adalah sebagi berikut :

a. Variasi pembebanan kincir yaitu dari posisi kincir berputa rmaksimal


25

sampai kincir dalam posisi diam (terhenti).

b. Variasi kemiringan sudu yaitu 10˚, 20o, 30

o.

3.5 Variabel yang Diukur

Sesuai dengan tujuan, variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut:

a. Kecepatan angin (v)

b. Gaya pengimbang (F)

c. Putaran poros kincir (n)

3.6 Parameter yang Dihitung

Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian

menggunakan parameter sebagai berikut:

a. Daya angin ( )

b. Daya kincir ( )

c. Koefisien daya (Cp)

d. Tip Speed Ratio(tsr)

3.7 Langkah Percobaan

Proses pengambilan bdata :

a. Poros kincir angin di hubungkan dengan mekanisme pengereman.

b. Memasang anemometer pada terowongan di depan kincir angin untuk

mengukur kecepatan angin di saluran terowongan angin.

c. Memasang neraca pegas untuk mengukur beban pengereman pada

tempat yang telah ditentukan.

d. Memasang tali yang menghubungkan antara neraca pegas dengan


26

lengan pada mekanisme pengereman.

e. Jika sudah siap, fan blower dihidupkan untuk menghembuskan angin

pada terowongan angin.

f. Pada percobaan pertama variasi kincir angin berjumlah sudu 12 dengan

kemiringan 10o, kedua dengan kemiringan 20

o, ketiga dengan

kemiringan 30o.

g. Untuk mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara

memundurkan jarak fan blower terhadap terowongan angin agar dapat

menetukan variasi kecepatan anginnya. ( dalam percobaan ini kecepatan

angin disamakan atau dibuat sama).

h. Pada mekanisme pengereman untuk mendapatkan variasi beban di

gunakan 1 karet, 2 karet, 3 karet, 4 karet, dan seterusnya.

i. Jika kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang

diinginkan maka, pengukuran dapat dilakukan dengan cara membaca

massa pengimbang yang terukur dalam neraca pegas.

j. Untuk ukur kecepatan kincir angin, suhu dan putaran poros dengan

mengunakan takometer dengan secara bersamaan.

k. Mengamati penelitian selama batas waktu yang telah ditentukan.

Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar poros kincir

dilakukan secara bersama-sama. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium

Konversi Energi Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dengan

memakai sebuah terowongan angin yang dilengkapi dengan sebuah blower


27

berkapasitas 5,5 kW. Skema susunan alat-alat uji dalam proses penelitian ini

adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.6.

Gambar 3.7. Skema susunan alat-alat pengujian.

Blower digunakan untuk menarik udara masuk ke dalam terowongan angin.

Proses pengukuran bisa dilakukan saat kondisi di dalam terowongan sudah siap.

Parameter yang divariasikan(sebagai variabel) adalah beban pengereman yang

diberikan pada mekanisme rem yang setiap kali pengujian gaya tangensial akibat

aksi pengereman diatur besarnya dengan memakai neraca pegas. Dengan

demikian, setiap kali pengujian, beban torsi yang diberikan pada poros kincir

dapat dihitung besarnya.

Parameter-parameter yang diukur dalam setiap kali pengujian adalah

kecepatan angin, putaran poros kincir dan temperature udara, kecepatan angin

diukur dengan menggunakan anemometer yang dipasang sekitar 1 m di depan

rotor kincir. Putaran poros atau rotor kincir diukur dengan menggunakan

takometer (tachometer). Pada neraca pegas dipasangkan tali pengait yang akan

dihubungkan dengan sistem pembebanan.Dalam satu siklus (running) pengujian,

pengambilan data pengukuranselalu diawali dari tanpa beban atau tanpa


28

pengereman, selanjutnya dengan beban yang secara bertahap ditambah sedikit

demi sedikit samapai kincir berhenti berputar. Untuk satu model rotor kincir

dilakukan tiga kali (tiga siklus) pengujian.

3.8 Langkah Pengolahan Data

Data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa

tahapan. Untuk setiap siklus pengujian, dari kecepatan angin (vt) terukur, daya

yang disediakan angin (Pin) dihitung dengan menggunakan Persamaan (1). Gaya

tangensial hasil pengukuran dikalikan dengan panjang lengan torsi (l) yang diatur

sepanjang 10 cm untuk menghasilkan torsi yang membebani poros kincir. Torsi

terhitung selanjutnya dikalikan dengan kecepatan sudut (ω) yang diperoleh dari

hasil pengukuran putaran poros kincir (n) akan menghasilkan outputdaya mekanis

(Pout) yang dihasilkan oleh kincir atau mengikuti Persamaan (2). Berikutnya

koefisien daya (Cp) dapat dihitung dengan membandingkan output daya (Pout) dan

daya yang disediakan angin (Pin) atau seperti yang dinyatakan dalam Persamaan

(3). Kemudian, menghitung nilai tip speed ratio berdasarkan Persamaan (4).

Dengan demikian nilai-nilai Cp dan tsr yang dihasilkan dari satu kali pengujian ini

berlaku untuk sebuah kondisi kecepatan angin dan pembebanan tertentu. Cara

analisis yang sama dilakukan untuk menghitung nilai-nilai Cp dan tsr untuk

kondisi yang lain.

Bila nilai Cp dan tsr untuk semua kondisi pembebanan telah dihitung, maka

langkah selanjutnya adalah menggambarkan sebuah grafik yang telah menunjukan

hubungan Cp dan tsr untuk satu model kincr angin tertentu. Grafik yang dihasilkan

secara tipikal akan berbentuk kurva hiperbola, yang memiliki nilai Cp puncak.


29

Kurva hubungan Cp dan Tsr umumnya dapat didekati dengan persamaan

kwadratis. Nilai-nilai Cp puncak (Cpmax inilah yang dijadikan sebagai

perbandingan diantara model-model kincir yang diteliti, karena menunjukan

efisiensi maksimum dari sebuah kincir dalam mengkonversikan daya kinetic

angin menjadi daya mekanis yang dihasilkan kncir. Grafik hubungan Cp dan tsr

ini disajikanserupa seperti yang umum digunakan dalam pustaka-pustaka untuk

menunjukan karakteristik dari tipe-tipe kincir yang telah dikenal.

Pengolahan data untuk penelitian ini seluruhnya akan dilakukan dengan

menggunakan spreadsheet Microsoft Excel.


30

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Percobaan

Hasil pengujian kincir angin meliputi : kecepatan angin (m/s), putaran

poros (rpm), gaya pengimbang (N). Data diambil dengan kemiringan sudut atau

pitch angle 10˚, 20˚ dan 30˚ dengan kecepatan angin yang dibuat menjadi 8,5 m/s.

Hasil dari pengambilan data dengan pitch angle 100 dilihat pada Tabel 4.1.

Hasil dari pengambilan data dengan pitch angle 200 dilihat pada Tabel 4.2. Hasil

dari pengambilan data dengan pitch angle 300 dilihat pada Tabel 4.3.

Tabel 4.1 Data percobaan dengan variasi pitch angle 100

No Putaran Poros, n (rpm) Gaya, F (N)

1 355 0

2 326 0,49

3 273 0,98

4 234 1,37

5 216 1,66

6 178 1,96

7 148 2,45

8 80 2,94


31

Tabel 4.2 Data Percobaan dengan variasi pitch angle 200


1 474 0

2 423 0,98

3 402 1,47

4 388 1,96

5 354 2,84

6 336 3,92

7 273 4,90

8 224 5,88

9 171 7,16

10 138 8,33

11 100 9,22

12 49 10,30

Tabel 4.3 Data Percobaan dengan variasi pitch angle 300


1 484 0

2 434 0,88

3 425 1,47

4 382 2,45

5 350 3,43

6 313 4,41

7 283 5

8 257 5,88

9 218 6,86

0 192 7,84

11 147 8,82

12 115 9,81

13 78 10,79


32

4.2. Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang

diambill dari tabel: Tabel 4.1, 4.2, 4.3.

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan A= 0,503 dan

kecepatan angin 8 m/s, dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).

Pin = . A .v3

= 0,5 . 1,18 . 0,503 (8,5 m/s)3

= 182,216 watt

4.2.2 Daya Kincir

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan menggunakan

Persamaan (8), untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut

dan torsi. Daya output perlu dicari dahulu menggunakan Persamaan (7) dan (6) .

Rumus untuk mencari kecepatan sudut dan torsi kincir adalah:

ω =

=

= 34,139 rad/s

T = F . r

= 0,491 . 0,2

= 0,098 Nm


33

Pout = T . ω

= 0,098 Nm. 34,139 rad/s

= 3,3 watt

4.2.3 Tip Speed Ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin atau Tip Speed Ratio dapat dicari dengan menggunakan

persamaan 08:

tsr =

=

= 1,6 rad/s

4.2.4 Koefisien Daya Kincir

Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan ersamaan (9) :

Cp =

=

= 1,9 %

4.3 Data Hasil Perhitungan

Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan

Microsoft Excell untuk menampilkan hubungan besarnya Torsi yang dihasilkan

oleh kincir angin untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.1; 4.4; 4.7),

besarnya Pout untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.2; 4.5; 4.8), Koefisien

daya dan tip speed ratio (Grafik 4.3; 4.6; 4.9 pada saat pengambilan data.


34

Tab

el 4

.4 D

ata

per

hit

un

gan

pit

ch a

ngle

10

0

No.

Kec

.

An

gin

, v

B

eba

n, F

P

uta

ran

,

n

Gaya,

F

Tors

i, T

K

ec. S

ud

ut,

Tω

E

Da

ya

inp

ut,

Pin

Da

ya

ou

tpu

t,

Pou

t T

ip s

pee

d

rati

o,

tsr

Ko

ef.

Da

ya, C

p

(m/s

) (

gra

m )

R

pm

(N

) (N

.m)

(rad

/s)

(watt

) (w

att

)

1

8,4

6

0

355

0

0

37

,1

17

9

0

1,7

5

0

2

8,4

2

50

326

0

,49

0,0

9

34

,1

17

7

3,3

4

1,6

2

1,9

3

8,4

2

10

0

273

0

,98

0,1

9

28

,6

17

7

5,6

1

1,3

5

3,2

4

8,3

4

14

0

234

1

,37

0,2

7

24

,5

17

2

6,7

4

1,1

7

3,9

5

8,4

2

17

0

216

1

,66

0,3

3

22

,6

17

7

7,5

5

1,0

7

4,3

6

8,3

5

20

0

178

1

,96

0,3

9

18

,7

17

3

7,3

4

0,8

9

4,2

7

8,3

4

25

0

148

2

,45

0,4

9

15

,4

17

2

7,6

0

0,7

4

4,4

8

8,3

3

30

0

80

2

,94

0,5

8

8,4

4

17

1

4,9

7

0,4

0

2,9


35

Tab

el 4

.5 D

ata

per

hit

un

gan

pit

ch a

ngle

20

0

No

.

beb

an

K

ec.

An

gin

, v

Pu

tara

n

Kin

cir, n

G

aya,

F

Tors

i, T

K

ecep

ata

n

Su

du

t (

ω )

Da

ya

inp

ut,

Pin

Da

ya

ou

tpu

t,

Pou

t

Tip

spee

d

rati

o,

tsr

Ko

ef.

Da

ya

, C

p

( g

ram

)

(m/s

) R

pm

(N

) (N

.m)

(rad

/s)

(watt

) (w

att

)

1

0

8,7

3

379

0

0

39

,7

19

7

0

1,8

1

0

2

50

8

,66

306

0,4

9

0,0

9

32

1

92

3,1

4

1,4

8

1,6

3

10

0

8,3

5

299

0,9

8

0,1

9

31

,3

17

3

6,1

5

1,5

3

,6

4

15

0

8,7

4

251

1,4

7

0,2

9

26

,3

19

8

7,7

4

1,2

3

,9

5

20

0

8,6

8

221

1,9

6

0,3

9

23

,2

19

3

9,0

9

1,0

6

4,7

6

25

0

8,6

6

202

2,4

5

0,4

9

21

,2

19

2

10,3

7

0,9

7

5,4

7

31

0

8,6

0

150

3,0

4

0,6

0

15

,7

18

8

9,5

7

0,7

3

5,1

8

37

0

8,7

8

109

3,6

3

0,7

2

11

,4

20

1

8,2

8

0,5

2

4,1

9

43

0

8,0

2

37

4,2

1

0,8

4

3,9

4

15

3

3,3

2

0,1

9

2,2


36

Tab

el 4

.6 D

ata

per

hit

un

gan

pit

ch a

ngle

30

o

No.

beb

an

K

ec.

An

gin

, v

Pu

tara

n

Kin

cir

Gaya,

F

Beb

an

Tors

i, T

Kec

epata

n

Su

du

t (

ω )

Da

ya

inp

ut,

Pin

Da

ya

ou

tpu

t,

Pou

t T

ip s

pee

d

rati

o,

tsr

ko

ef.

Da

ya

,

Cp

( g

ram

)

(m/s

) R

pm

(N

) (N

.m)

(rad

/s)

(watt

) (w

att

)

1

0

8,4

8

484

0

0

50,7

1

81

0

2,3

9

0

2

90

8,6

6

434

0,8

8

0,1

7

45,4

1

92

8,0

2

2,0

9

4,2

3

15

0

8,7

1

425

1,4

7

0,2

9

44,5

1

95

13

,09

2,0

4

6,7

4

25

0

8,7

382

2,4

5

0,4

9

40

1

95

19

,62

1,8

3

10

5

35

0

8,9

350

3,4

3

0,6

8

36,6

2

09

25

,16

1,6

4

12

6

45

0

8,9

4

313

4,4

1

0,8

8

32,7

2

12

28

,93

1,4

6

13,6

7

51

0

8,9

4

283

5

1

29,6

2

12

29

,65

1,3

2

14

8

60

0

8,7

4

257

5,8

8

1,1

7

26,9

1

97

31

,72

1,2

3

16

9

70

0

8,6

6

218

6,8

6

1,3

7

22,8

1

93

31

,44

1,0

5

16,3

10

80

0

8,8

5

192

7,8

4

1,5

7

20,1

2

05

31

,55

0,9

1

5,4

11

90

0

8,5

5

147

8,8

2

1,7

6

15,3

1

85

27

,18

0,7

2

14,7

12

10

00

8,7

8

115

9,8

1

1,9

6

12

2

00

23

,62

0,5

4

11,8

13

11

00

8,3

8

78

10

,79

2,1

5

8,2

1

74

17

,77

0,3

9

10,2


37

4.4 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan

Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk

grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar

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

(rpm) dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr). Grafik yang

disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada grafik berikut ini :

4.4.1 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth Angle 10o

Berikut ini merupakan beberapa penyajian grafik untuk variasi percobaan

pitch angle 10o : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir

(rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.1, daya yang dihasilkan kincir (Pout)

dengan torsi (N.m) yang dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan koefisien daya kincir

(Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditunjukkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.1 Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch angle 100

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tors

i, T

(N.m

)

Putaran poros kincir, n (rpm)


38

Gambar 4.2 Hubungan torsi dengan daya output pada variasi pitch angle 10

0

Gambar 4.3 Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio variasi pitch

angle 10˚

Pout = -52,294T2 + 39,969T - 0,0851

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Day

a O

utp

ut,

P o

ut (

Wat

t)

Torsi, T (N.m)

cp = -0,0579tsr2 + 0,1056tsr - 0,0041 0

1

2

3

4

5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Ko

efi

esi

en

day

a (C

p)

Tip speed ratio ( tsr)


39

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, bahwa semakin besar

kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil

kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk

kecepatan angin 8,5m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 0,58 N.m dan kecepatan

putar maksimal yang tercapai adalah 355 rpm.

Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa daya (Pout) dengan torsi (T), jika torsi

semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar sampai

kondisi tertentu (maksimal) kemudian (Pout) mengecil pada torsi (T) yang semakin

besar. Untuk variasi pitch angle 10o, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,49 N.m

sebesar 7,60 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh

persamaan Pout = -52,294T2 + 39,969T – 0,0851 lalu kemudian persamaan

tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2 . -52,294T + 39,969. Dari

perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah: 7,55 watt, pada

torsi optimal: 0,45 N.m.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3. dapat dilihat bahwa semakin

besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu

(maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik variasi pitch angle 10o diatas

dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Cp = - 0,0579tsr2 + 0,1056tsr

- 0.0041 lalu kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2 . -0,0579tsr + 0,1056. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp)

maksimal adalah: 4,4 %, pada tip speed ratio (tsr) optimal: 0,93.


40

4.4.2 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan Variasi Pitch Angle 20o






Gambar 4.4 Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch angle 20o

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tors

i, T

(N.m

)

Putaran poros kincir, n (rpm)


41

Gambar 4.5 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch angle 20o

Gambar 4.6 Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio (tsr) variasi

pitch angle 20˚

Pout = -44.456 T2 + 43.009T - 0.4668

0

2

4

6

8

10

12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Day

a O

utp

ut,

Po

ut (

wat

t)

Torsi, T (N.m)

Cp = -0.0579tsr2 + 0.1015tsr + 0.005 0

1

2

3

4

5

6

0 0,5 1 1,5 2

Ko

efi

sie

n d

aya,

(C

P)

Tip speed ratio, (tsr)


42

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4, bahwa semakin besar

kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil

kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk variasi

pitch angle 20o, torsi maksimal yang dihasilkan 0,84 N.m dan kecepatan putar

maksimal yang tercapai oleh pitch angle 20o adalah 379 rpm.

Gambar 4.5. memperlihatkan bahwa daya (Pout) berbanding lurus dengan

torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin

besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan

juga kecil. Untuk variasi pitch angle 20o, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,49

N.m sebesar 10,37 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan

diperoleh persamaan Pout = -44,456 T2 + 43,009T – 0,4668 lalu kemudian

persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2 . -44,456 T +

43,009. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah:

9,89 watt pada torsi 0,45 N.m.



(maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik diatas dengan melakukan

pendekatan diperoleh persamaan Cp = - 0,0579tsr2 + 0,1015tsr + 0,005 lalu

kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2 -0,0579tsr

+ 0,1015. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp) maksimal adalah:

4,94 %, pada tip speed ratio (tsr) optimal: 0,87.


43

4.4.3 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan Variasi pitch angle 30o






Gambar 4.7 Hubungan Putaran poros dengan Torsi untuk pitch angle 300

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Pu

tara

n p

oro

s ki

nci

r, n

(rp

m)

Torsi, T (N.m)


44

Gambar 4.8 Hubungan torsi dengan daya output untuk variasi pitch angle 300

Gambar 4.9 Hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk variasi pitch

angle 300

Pout = -19,015T2 + 49,267T + 0,0476

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Day

a o

utp

ut,

Po

ut (

Wat

t)

Torsi, T (N.m)

Cp = -9,7283tsr2 + 21.289tsr + 3.7039 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Ko

efi

sie

n d

aya

(Cp

)

Tip speed ratio (tsr)


45

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, bahwa semakin besar kecepatan

putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan

putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk variasi pitch angle

30o, torsi maksimal yang dihasilkan 2,158 N.m dan kecepatan putar maksimal

yang tercapai adalah 484rpm.

Gambar 4.8. memperlihatkan bahwa daya (Pout) berbanding lurus dengan

torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin

besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan

juga kecil. Untuk variasi pitch angle 30o, daya maksimal dicapai pada Torsi 1,17

N.m sebesar 31,72 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan

diperoleh persamaan Pout = -19,015T2 + 49,267T + 0,0476 lalu kemudian

persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2. -19,015T + 49,267.

Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah: 31,6 watt

pada torsi 1,23 N.m.



(maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik diatas dengan melakukan

pendekatan diperoleh persamaan Cp = -9,7283tsr2 + 21,289tsr + 3,7039 lalu

kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat

= 2.-9,7283tsr

+ 21,289. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp) maksimal adalah:

15,34 %, pada tip speed ratio (tsr) optimalnya 0,87.


46

4.5. Grafik Dari Hasil Perhitungan dan Pembahasan 3 Variasi Pitch Angle.

Setelah masing-masing variasi ditampilkan dalam bentuk grafik, berikut ini

adalah grafik untuk semua variasi percobaan pitch angle 10o, 20

o,30

o yang

ditampilkan pada : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan putaran poros

kincir (rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.10, daya yang dihasilkan kincir

(Pout) dengan torsi (N.m) yang ditunjukkan pada Gambar 4.11 dan koefisien daya

kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditampilkan pada Gambar 4.12.

Gambar 4.10 Grafik Hubungan Koefisien daya dan Tip speed ratio untuk semua

variasi kemiringan sudu

Pada Gambar 4.10 memperlihatkan bahwa koefisien daya maksimal

diperoleh dengan variasi pitch angle 30o, yaitu 0,102 % pada tip speed ratio

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Ko

efi

sie

n d

aya

(Cp

)

Tip speed ratio (tsr)

sudut 10

sudut 20

sudut 30


47

0,393. atau pitch angle 300 adalah sudut yang memiliki nilai maksimal yang

paling tinggi jika dibandingkan dengan variasi pitch angle 100, dan 20

0.

Gambar 4.11 Grafik hubungan putaran kincir (rpm) dan torsi (T) untuk semua

variasi sudut kincir angin.

Gambar 4.11 memperlihatkan bahwa putaran kincir maksimal ditunjukan

pada variasi ketiga yaitu: variasi pitch angle atau pitch angle 30o, dengan putaran

kincir adalah 484,333 rpm, serta torsi: 2,158 N.m. Sedangkan putaran kincir

maksimal ditunjukan pada variasi pitch angle 10o, dengan putaran kincir adalah

355 rpm, serta torsi: 0,589 N.m. . Variasi pitch angle atau kemiringan sudut 30o

adalah variasi sudut sudu yang terbaik jika dibandingkan dengan variasi pitch

angle yang lain.

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Pu

tara

n p

oro

s ki

nci

r, n

(rp

m)

Torsi, T (N.m)

sudut 30

sudut 10

sudut 20


48

Gambar 4.12 Grafik hubungan daya kincir (Pout) dan torsi (T) untuk semua

variasi pitch angle kincir angin.

Gambar 4.12 memperlihatkan bahwa daya kincir maksimal ditunjukan

pada variasi ketiga yaitu: variasi pitch angle 30o dengan daya kincir adalah

31,723 watt, serta torsi: 1,177 N.m. Sedangkan putaran kincir minimal ditunjukan

pada variasi pitch angle 10o, dengan daya kincir adalah 7,602 watt, serta torsi:

0,491 N.m. Variasi pitch angle atau kemiringan sudut 30o

adalah variasi pitch

angle yang terbaik jika dibandingkan dengan variasi pitch angle yang lain.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Day

a O

utp

ut

Kin

cir,

Po

ut (

Wat

t)

Torsi, T (N.m)

sudut 10

sudut 20

sudut 30


49

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari percobaan terhadap Kincir Angin American multi-blade dengan

jumlah sudu delapan dan perhitungan-perhitungan yang telah dihasilkan, secara

singkat dapat diambil beberapa kesimpulan, diantaranya:

1. Telah berhasil dibuat dan telah digunakan dalam penilitian kincir angin

American multi-blade berdiameter 80 cm menggunakan bahan aluminium

dengan tiga variasi pitch angle, yaitu: 10o, 20

o, dan 30

o.

2. Dari hasil perolehan data, model kincir angin dengan pitch angle 10o

menghasilkan daya output maksimal 7,60 watt pada torsi 0,49 N.m dan

pada kecepatan angin 8.34 m/s. Kincir angin dengan pitch angle 20o

memberikan nilai daya output maksimal sebesar 10,37 watt pada torsi 0,49

N.m dan pada kecepatan angin 8,66 m/s. Kincir angin dengan pitch angle

30o menghasilkan nilai daya output maksimal sebesar 31,72 watt pada

torsi 1,17 N.m dan pada kecepatan angin 8,85 m/s.

3. Model kincir angin dengan pitch angle 10o menghasilkan koefisien daya

maksimal 4,4 % pada nilai tip speed ratio 0,74. Kincir angin dengan pitch

angle 20o memberikan nilai koefisien daya maksimal sebesar 5,4 % pada

nilai tip speed ratio 0,97. Untuk kincir angin dengan pitch angle 30o

memberikan nilai koefisien daya maksimal sebesar 16,3 % pada tip speed

ratio 1,05.


50

4. Dari semua perbandingan hasil perhitungan untuk semua model kincir

pitch angle dapat diperoleh kesimpulan bahwa yang merupakan variasi

terbaik adalah model dengan pitch angle 30o

karena menghasilkan

koefisien daya dan daya output maksimal yang paling tinggi dari semua

variasi.

5.2 Saran

Setelah melakukan beberapa pengujian dan penelitian terhadap kincir yang

telah dibuat maka penulis dapat memberikan beberapa point saran yang perlu

diperhatikan untuk bahan refrensi penelitian selanjutnya dibidang kincir angin

jenis horizontal diantaranya adalah:

1. Pastikan hasil dari pembuatan desain kincir angin mempunyai ukuran yang

presisi sesuai dengan desain yang ditelah di rencanakan untuk mendapatkan

hasil pengujian yang akurat.

2. Usahakan dalam pembuatan kincir angin menggunakan alat-alat yang sesuai

dan dengan cara pembuatan yang dianjurkan oleh dosen pembimbing.

3. Menggunakan ketelitian dalam mendesain sudu kincir angin dalam

menentukan ukuran dan bentuk sudu kincir, agar putaran kincir lebih balance

dan beraturan.

4. Disarankan untuk lebih teliti dalam membuat variasi sudu kincir usahakan

dalam membuat atau mengubah variasi sesuai dengan variasi yang telah

ditentukan. Agar dihasilkan data yang dapat lebih akurat antara variasi yang

satu dengan yang lain.


51

DAFTAR PUSTAKA

Culp, Archie W., 1985, “Prinsip-Prinsip Konversi Energi.”, Terjemahan oleh

Darwin Sitompul, Erlangga, Bandung.

Daryanto,Y., 2007, “Kajian Potensi angin UntukPembangkit Listrik Tenaga

Bayu”, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005.

Pengelolaan Energi Nasional.

Ginting, Soeripno, J., 1993, “Pemasangan dan Uji Coba Pemanfaatan Kincir

Angin Poros Horisontal.”, Lembaga Fisika Nasional LIPI,Bandung

Johnson, G.L., 2006, “Wind Energy System”, Manhattan. Diakses : Tanggal 12

April 2015.

Kadir, A., 1995, “ Energi : Sumber Daya, Inovasi, Tenaga Listrik dan Potensial

Ekonomi.”, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta.

Sari, Eka. 2012, “Belanda Sang Negeri Kincir Angin”,

http://www.1powerbloger.com, diakses : Tanggal 22 April 2015.


http://www.1powerbloger.com/

52

LAMPIRAN

Wind tunnel

blower


53

Anemometer

Tacometer


54

Neraca pegas

Sistem pengereman


DELAPAN SUDU DARI BAHAN ALUMINIUM DENGAN TIGA … · menggunakan neraca pegas, ... dicarai energi...

Documents

Transcript of DELAPAN SUDU DARI BAHAN ALUMINIUM DENGAN TIGA … · menggunakan neraca pegas, ... dicarai energi...