PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN BERPOROS … · PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN...

PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN

BERPOROS HORISONTAL UNTUK TIGA VARIASI

BENTUK PENAMPANG SUDU

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan oleh

Bagus Danar Kartiko Putro

NIM : 135214037

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2017

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

THE COMPARATION OF WINDMILL PERFORMANCE FOR

THREE VARIATIONS OF BLADE SECTION

SKRIPSI

Presented as partial fulfillment of the requirement

to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

By


Student Number : 135214037

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SINCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2017


iii




Disusun oleh

BAGUS DANAR KARTIKO PUTRO

NIM. 135214037

Telah disetujui oleh

Dosen Pembimbing

Ir. Rines, M.T.


iv


BERPOROS HORISONTAL UNTUK TIGA VARIASI BENTUK

PENAMPANG SUDU

Yang dipersiapkan dan disusun oleh :

NAMA : BAGUS DANAR KARTIKO PUTRO

NIM : 135214037

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji

pada tanggal 31 Oktober 2017

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Dr. YB. Lukiyanto ………………….

Sekretaris : R.B. Dwiseno Wihadi, ST, M.Si. ………………….

Anggota : Ir. Rines, M.T. ………………….

Tugas Akhir ini telah deiterima sebagai salah satu persyaratan

untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 9 November 2017

Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.


v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa penulisan Skripsi yang disiapkan guna

memenuhi syarat untuk memperoleh gelar sarjana ini tidak terdapat karya lain yang

pernah diajukan dan dibuat dengan judul yang sama oleh perguruan tinggi

manapun, kecuali saya mengutip dari buku atau sumber lain yang tertera pada daftar

pustaka. Dengan demikian, hasil yang dibuat ini merupakan karya asli saya sendiri

sebagai penulis.




vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertandatangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : BAGUS DANAR KARTIKO PUTRO

Nomor Mahasiswa : 135214037

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma, karya ilmiah dengan judul :




Dengan demikian, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas

Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain,

mengolahnya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan

mempublikasikannya di internet maupun media lain untuk kepentingan akademis

tanpa perlu meminta izin dari saya maupun royalti kepada saya selama tetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal 9 November 2017

Yang menyatakan



vii

INTISARI

Energi merupakan kebutuhan pokok manusia. Angin merupakan salah satu

sumber energi yang ramah lingkungan dan jumlahnya tidak terbatas. Cara

memanfaatkannya adalah dengan menggunakan kincir angin. Maksimal atau

tidaknya pemanfaatan energi angin tergantung pada desain sudu pada kincir angin.

Penelitian ini menggunakan medel kincir angin tiga sudu bersumbu

horisontal dengan diameter rotor total 80 cm yang diuji di depan blower dengan

kecepatan angin 7 m/s. Terdapat tiga variasi bentuk penampang sudu yang diuji,

yaitu datar, silindris dan airfoil NACA 2412. Data yang peroleh berupa nilai torsi

dan putaran poros kincir angin. Setelah melakukan perhitungan, diperoleh besarnya

daya masukan dan keluaran kincir, koefisien daya dan tip speed ratio.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sudu berpenampang silindris

menghasilkan koefisien daya maksimal 41 % pada tip speed ratio 4,05 dan keluaran

daya 41,7 watt yang merupakan model kincir angin dengan karakteristik terbaik

dibandingkan dengan model kincir angin yang lainnya.

Kata kunci : koefisien daya, tip speed ratio, airfoil NACA 2412


viii

ABSTRACT

Energy is basic necessities of life. Wind is one of environmentally clear and

unlimited energy source. The way to use wind energy is by using a windmill. The

maximum usage of wind energy depends on the design of the blade.

This research analyzed a model of three blades horizontal axis windmill (80

cm of total rotor diameter) and it installed in front of blower with 7 m/s of wind

velocity. There are three variations of blade section, they are flat, cylindrical and

airfoil NACA 2412. The data that obtained are the torque and the rotation of the

windmill shaft. After doing the calculation, the amount of input and output power

of windmill, coefficient of power and tip speed ratio are obtained.

The results of this research indicate that the cylindrical section blade yields

the maximum coefficient of power and the largest power output 41% on the speed

ratio of 4,05 and 41,7 watt (it is bigger than the other variation).

Keyword : coefficient of power, tip speed ratio, airfoil NACA 2412


ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah

memberikan kemudahan, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi. Skripsi ini

merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh penulis guna memperoleh

gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

Terdapat banyak hambatan yang didapat oleh penulis selama proses

pengerjaan skripsi ini. Namun, oleh karena pertolongan Tuhan Yang Maha Esa

melalui dukungan dari beberapa pihak,maka penulis mampu mengerjakan skripsi

ini dengan baik. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sebagai Dosen

Pembimbing Akademik.

2. Ir. P.K. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Kepala

Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi

Universitas Sanata Dharma.

5. Seluruh dosen, staf dan kariawan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta selaku pihak yang memberi bantuan dan pelayanan

selama penulis menempuh perkuliahan di Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

6. Sapto Hari Segi dan Artsanti Noegraheni sebagai orangtua penulis serta Dian

Permana Putri Ambarsari sebagai adik kandung penulis.

7. Reza Perdana Abadi, Eka Poetra Wahab, Franciskus Solanus Pentor, Leonhard

Setiawan serta teman-teman prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta lainya yang telah membantu penulis saat mengerjakan skripsi.

8. Teman-teman Persekutuan Mahasiswa Kristen yang telah memberi dukungan

doa serta motifasi kepada penulis.


x

Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidaklah sempurna karena adanya

keterbatasan penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang

bersifat membangun. Penulis berharap, skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua

pihak.


Penulis


xi

DAFTAR ISI

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

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

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

DAFTAR DEWAN PENGUJI ......................................................................... vi

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

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ......................................... vi

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

ABSTRACT ..................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ..................................................................................... ix

DAFTAR ISI .................................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xv

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xviii

DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... xix

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

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

Rumusan Masalah ............................................................................................ 2

Tujuan Penelitian ............................................................................................. 2


xii

Batasan Masalah............................................................................................... 2

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

BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 4

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

2.2 Prinsip Kincir Angin .................................................................................. 4

2.3 Bagian-bagian Kincir Angin ...................................................................... 4

2.4 Jenis Kincir Angin ..................................................................................... 5

2.4.1 Kincir Angin Berporos Horisontal .......................................................... 6

2.4.2 Kincir Angin Berporos Vertikal .............................................................. 8

2.5 Gaya Dorong Angin Pada Rotor Kincir Angin .......................................... 10

2.5.1 Metode Drag............................................................................................ 10

2.5.2 Metode Aerodinamik .............................................................................. 11

2.6 Penampang Airfoil NACA ......................................................................... 11

2.7 Daya Angin ................................................................................................ 13

2.8 Daya Kincir Angin ..................................................................................... 15

2.9 Torsi ........................................................................................................... 15

2.10 Bet’z Limit ............................................................................................... 15

2.11 Koefisien Daya ......................................................................................... 16

2.12 Tip Speed Ratio ........................................................................................ 16

BAB III METODE PENELITIAN................................................................... 18


xiii

3.1 Diagram Alir .............................................................................................. 18

3.2 Bahan dan Alat Penelitian .......................................................................... 19

3.2.1 Bahan ...................................................................................................... 19

3.2.2 Alat .......................................................................................................... 20

3.3 Desain Sudu Kincir Angin ......................................................................... 22

3.4 Proses Pembuatan Sudu Kincir Angin ....................................................... 24

3.5 Cara Kerja dan Desain Alat Pengerem Poros Kincir Angin ...................... 28

3.6 Rangkaian Keseluruhan Alat ..................................................................... 29

3.7 Langkah Pengambilan Data ....................................................................... 29

3.8 Pengolahan Data......................................................................................... 30

BAB IV PERHINGAN DAN PEMBAHASAN .............................................. 31

4.1 Data Hasil Penelitian .................................................................................. 31

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ............................................................. 33

4.2.1 Menghitung Kecepatan Sudut Kincir Angin ........................................... 34

4.2.2 Menghitung Beban Torsi......................................................................... 34

4.2.3 Menghitung Daya Angin ......................................................................... 34

4.2.4 Menghitung Daya Kincir Angin ............................................................. 34

4.2.5 Menghitung Tip Speed Ratio .................................................................. 35

4.2.6 Menghitung Koefisien Daya ................................................................... 35

4.3 Data Hasil Perhitungan .............................................................................. 35


xiv

4.4 Grafik Hasil Perhitungan............................................................................ 36

4.4.1 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi

Kincir Angin Berporos Horisontal Tiga Sudu ................................................. 36

4.4.2 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed

Ratio Kincir Angin Berporos Horsintal Tiga Sudu .......................................... 39

4.5 Pembahasan ................................................................................................ 41

BAB V KESIMPULAN ................................................................................... 43

5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 43

5.2 Saran ........................................................................................................... 43

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 44

LAMPIRAN ..................................................................................................... 45

Lampiran 1. Gambar hub dan sudu berpenampang datar ................................ 45

Lampiran 2. Gambar hub dan sudu berpenampang silindris............................ 45

Lampiran 3. Gambar hub dan sudu berpenampang airfoil .............................. 46

Lampiran 4. Gambar keterangan besar sudut pitch pada variasi

sudu berpenampang airfoil ............................................................................... 46


xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bagian-bagian kincir angin .......................................................... 5

Gambar 2.2 Skema konfigurasi kincir angin berporos vertikal dan

berpros horisontal ............................................................................................. 5

Gambar 2.3 Kincir angin tipe American Multi Blade ...................................... 6

Gambar 2.4 Kincir angin tipe Dutch four arm ................................................. 7

Gambar 2.5 Kincir angin tipe propeler ............................................................ 7

Gambar 2.6 Kincir angin tipe Savonius ........................................................... 8

Gambar 2.7 Kincir angin tipe Darius ............................................................... 9

Gambar 2.8 Kincir angin tipe H-rotor (Giromill) ............................................ 9

Gambar 2.9 Skema metode drag pada kincir angin tipe Savonuis ................... 10

Gambar 2.10 Penampang airfoil ...................................................................... 11

Gambar 2.11 Skema perbedaan kecepatan angin dan perbedaan

tekanan udara pada penampang airfoil ............................................................. 12

Gambar 2.12 Istilah pada penampang airfoil ................................................... 13

Gambar 2.13 Skema volume angin yang diterima kincir angin

berporos horisontal ........................................................................................... 14

Gambar 2.14 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed

ratio untuk beberapa jenis kincir angin ............................................................ 16

Gambar 3.1 Diagram alir percobaan ................................................................ 18

Gambar 3.2 Tampak samping alat pengerem poros ......................................... 21

Gambar 3.3 Neraca pegas ................................................................................ 21

Gambar 3.4 Anemometer ................................................................................. 21


xvi

Gambar 3.5 Tachometer ................................................................................... 22

Gambar 3.6 Blower .......................................................................................... 22

Gambar 3.7 Dimensi sudu kincir bentuk penampang datar ............................. 23

Gambar 3.8 Dimensi sudu kincir bentuk penampang silindris ........................ 23

Gambar 3.9 Dimensi sudu kincir bentuk penampang airfoil ........................... 23

Gambar 3.10 Hasil pemotongan kayu lapis ..................................................... 24

Gambar 3.11 Pembentukan sudut pada lempengan logam .............................. 24

Gambar 3.12 Proses pembentukkan sudut dan perekatan

potongan kayu lapis.......................................................................................... 25

Gambar 3.13 Sudu kincir angin dengan bentuk penampang datar................... 25

Gambar 3.14 Rangka airfoil ............................................................................. 26

Gambar 3.15 Rangka airfoil yang dilapisi plastisin ......................................... 26

Gambar 3.16 Pembuatan cetakan ..................................................................... 27

Gambar 3.17 Cetakan sudu .............................................................................. 27

Gambar 3.18 Skema alat pengerem poros kincir angin ................................... 28

Gambar 3.19 Tampak depan alat pengerem poros kincir angin ....................... 28

Gambar 3.20 Rangkaian alat percobaan........................................................... 29

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara kecepatan putar rotor

dengan torsi kincir angin berporos horizontal tiga sudu .................................. 39

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan

Tip Speed Ratio kincir angin berporos horizontal dengan bentuk

penampang sudu datar ...................................................................................... 39


xvii



penampang sudu silindris ................................................................................. 40



penampang sudu airfoil .................................................................................... 40


Tip Speed Ratio kincir angin berporos horisontal untuk

tiga variasi bentuk penampang sudu ............................................................... 41


xviii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin dengan sudu

berpenampang datar pada kecepatan angin 7 m/s ............................................ 31


berpenampang silindris pada kecepatan angin 7 m/s ....................................... 32


berpenampang airfoil pada kecepatan angin 7 m/s .......................................... 33

Tabel 4.4 Hasil perhitungan data kincir angin berporos horisontal

tiga sudu dengan bentuk penampang sudu datar pada kecepatan

angin 7 m/s ....................................................................................................... 36

Tabel 4.5 Hasil perhitungan data kincir angin berporos horisontal

tiga sudu dengan bentuk penampang sudu silindris pada kecepatan

angin 7 m/s ....................................................................................................... 37

Tabel 4.6 Hasil perhitungan data kincir angin berporos horisontal t

iga sudu dengan bentuk penampang sudu airfoil pada kecepatan

angin 7 m/s ....................................................................................................... 38


xix

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

𝑥 Jarak m

𝑡 Waktu s

A Luas Penampang m2

𝑉 Volume m3

𝜌 Massa jenis kg/m3

𝑣ₐ Kecepatan angin m/s

𝑣 Kecepatan linier ujung sudu m/s

𝐹 Gaya pengimbang N

𝑇 Torsi Nm

𝜔 Kecepatan sudut rad/s

𝑛 Kecepatan putaran poros kincir rpm

λ Tip Speed Ratio (TSR) -

Ek Energi kinetik watt

Pin Daya masukan watt

Pout Daya keluaran watt

Cp Koefisien daya %


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi merupakan salah satu kebutuhan pokok manusia di seluruh dunia.

Kebutuhan akan energi di Indonesia ataupun di seluruh dunia terus meningkat.

Peningkatan akan kebutuhan energi disebabkan karena semakin banyak jumlah

barang elektronik yang dibutuhkan manusia. Selain itu, bertambahnya jumlah

penduduk juga mempengaruhi banyaknya energi yang dibutuhkan.

Energi yang digunakan pada umumnya masih menggunakan fosil sebagai

sumber utama. Fosil merupakan salah satu bahan untuk mengahsilkan energi

dengan jumlah yang terbatas. Selain itu, hasil dari pembakaran fosil juga dinilai

kurang ramah lingkungan. Oleh karena itu, banyak negara berusaha mencari dan

mengembangkan sumber energi yang jumlahnya tidak terbatas dan ramah

lingkungan.

Energi terbarukan merupakan salah satu alternatif untuk menghasilkan

energi dengan jumlah yang tidak terbatas dan ramah lingkungan. Salah satu dari

energi terbarukan adalah energi angin. WWEA (World Wind Energy Association)

menyatakan hingga tahun 2007, seluruh turbin angin di dunia menghasilkan energi

sebesar 93,85 Gigawatt atau lebih dari satu persen dari sumber energi listrik secara

global (sumber : https://nugrohoadi.wordpress.com/2008/05/03/pembangkit-

listrik-tenaga-angin-di-indonesia/).

Dilihat dari letak geografisnya, Indonesia merupakan negara dengan potensi

energi angin yang cukup baik. Tetapi, Indonesia masih belum dapat memanfaatkan

energi angin secara maksimal. Hingga tahun 2004, Indonesia hanya menghasilkan

0,5 megawatt dari 9,3 Gigawatt potensi pemanfaatan energi angin (sumber :

http://kokomaulana-st.blogspot.co.id/2014/05/pemanfaatan-energi-angin.html).


2

Salah satu cara untuk memanfaatkan energi angin adalah dengan membuat

kincir angin. Dalam pembuatan kincir angin, salah satu faktor yang menentukan

maksimal atau tidaknya pemanfaatan energi angin yang ada yaitu dengan

merancang sudu atau bilah (blade) pada kincir angin sebaik mungkin. Cara untuk

mengetahui desain sudu kincir yang tepat adalah dengan melakukan percobaan.

1.2 Rumusan masalah

Rumusan masalah yang digunakan pada penelitian ini adalah mengetahui

seberapa besar koefisien daya yang dihasilkan oleh masing-masing model rotor

kincir angin dengan tiga variasi bentuk penampang sudu.

1.3 Tujuan Penelitian

Berikut tujuan dilakukannya penelitian :

1. Membuat model kincir angin berporos horizontal tiga sudu dengan tiga variasi

bentuk penampang sudu.

2. Mengetahui koefisien daya maksimal dan tip speed ratio kaitannya dari

masing-masing bentuk penampang sudu pada kincir angin berporos horizontal.

3. Mengetahui nilai daya mekanis terbesar dari tiga variasi bentuk penampang

sudu yang dihasilkan kincir angin berporos horizontal pada kecepatan angin 7

m/s.

1.4 Batasan Masalah

Batasan yang terdapat pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Kincir angin yang diteliti berporos horizontal tiga sudu.

2. Terdapat tiga variasi bentuk penampang sudu dengan ketentuan sebagai

berikut:

a. Sudu berpenampang airfoil NACA 2412 yang dibuat dari serat kaca

(fiberglass),

b. Sudu berpenampang silindris berbahan pipa PVC dengan diameter 4 inch,

dan


3

c. Sudu berpenampang datar yang terbuat dari kayu lapis dengan tebal 6

milimeter.

3. Masing-masing variasi sudu akan diuji dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s.

4. Menggunakan blower 15 HP 1450 rpm untuk merekayasa sumber energi angin.

5. Diameter rotor total kincir angin yang akan diteliti berskala laboratorium, yaitu

80 cm.

6. Pembebanan diberikan dengan menggunakan cara pengereman pada poros

kincir angin.

7. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknik Mesin Konversi Energi

Universitas Sanata Dharma.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Memberi informasi mengenai unjuk kerja kincir angin dengan desain sudu

berpenampang datar, silindris dan airfoil.

2. Turut serta dalam perkembangan teknologi dalam pemanfaatan energi

terbarukan, khususnya energi angin.


4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Angin

Angin merupakan udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan

diantara dua daerah atau kawasan. Pada siang hari, sinar matahari akan

memanaskan permukaan bumi. Karena permukaan bumi tidak rata, maka akan

terjadi perbedaan pemanasan oleh sinar matahari yang mengakibatkan suatu daerah

akan lebih cepat panas dibandingkan dengan daerah yang lain. Pada saat memanas,

udara pada daerah tersebut akan memuai dan menjadi ringan. Setelah udara menjadi

ringan, udara akan bergerak naik meninggalkan permukaan bumi dan terjadilah

kekosongan tekanan. Kemudian, udara dari daerah lain yang memiliki tekanan lebih

tinggi akan bergerak menuju ke tempat yang mengalami penurunan tekanan.

2.2 Prinsip Kerja Kincir Angin

Kincir angin atau sering disebut turbin angin merupakan alat yang

digunakan untuk mengubah energi angin menjadi bentuk energi yang lain, seperti

energi listrik. Prinsip kerja kincir angin adalah menangkap energi angin dan diubah

menjadi gerakkan berputar atau torsi. Torsi inilah yang dapat menggerakkan

generator sebagai penghasil energi listrik.

2.3 Bagian-bagian Kincir Angin

Pada kincir angin, baik bersumbu vertikal maupun horisontal, memiliki

beberapa bagian penting. bagian penting tersebut meliputi sudu atau bilah kincir

yang berfungsi sebagai penangkap energi angin, hub sebagai penghubung tiap sudu

dan menyalurkan energi angin dari sudu ke poros, dan yang terakhir adalah poros.

Gambar 2.1 menjelaskan bagian-bagian dari kincir angin berporos horisontal dan

vertikal secara umum:


5

(a) (b)

Gambar 2.1 Bagian-bagian kincir angin (a) berporos horisontal dan (b) vertikal

2.4 Jenis Kincir Angin

Pada umumnya, turbin angin dibagi menjadi dua jenis berdasarkan

konfigurasi sumbunya, yaitu turbin angin berporos horisontal [Horizontal Axis

Wind Turbine (HAWT)] dan turbin angin berporos vertikal [Vertical Axis Wind

Turbine (VAWT)]. Turbin angin berporos horisontal adalah kincir atau turbin angin

yang memiliki sumbu horisontal, sedangkan turbin angin berporos vertikal

merupakan kincir atau turbin angin bersumbu vertikal. Konfigurasi dari kedua jenis

turbin angin tersebut nampak pada Gambar 2.2.

(a) (b)

Gambar 2.2 Skema konfigurasi kincir angin (a) berporos vertikal dan (b) berpros

horisontal


6

2.4.1 Kincir Angin Berporos Horisontal

Terdapat beberapa jenis kincir atau turbin angin berporos horisontal, yaitu :

1. Tipe American Multi Blade

Kincir angin bertipe American multi blade, seperti pada Gambar 2.3,

merupakan kincir angin yang memiliki sudu berjumlah lebih dari tiga. Kincir

angin tipe ini memiliki soliditas yang besar. Pada umumnya, kincir angin

American multi blade digunakan untuk keperluan di bidang pertanian, seperti

memopa air, menggiling biji-bijian dan lain-lain

Gambar 2.3 Kincir angin tipe American Multi Blade

(Sumber : http://www.anneahira.com/kincir-angin.htm)

2. Tipe Dutch Four Arm

Kincir angin Dutch four arm, seperti pada Gambar 2.4, merupakan kincir

angin empat sudu. Kincir angin tipe ini banyak digunakan di negara Belanda yang

memiliki lahan lebih rendah daripada permukaan laut. Kincir angin Dutch four

arm digunakan untuk mengeringkan suatu lahan dengan cara memompa air tanah

keluar dari suatu lahan yang akan digunakan untuk suatu keperluan. Selain

mengeringkan lahan, kincir angin tipe ini juga digunakan untuk menggiling padi

dan biji-bijian lainnya.


http://www.anneahira.com/kincir-angin.htm

7

Gambar 2.4 Kincir angin tipe Dutch four arm

(Sumber : http://manfaat.co.id/manfaat-kincir-angin)

3. Tipe Propeler

Kincir angin propeler, seperti yang nampak pada Gambar 2.5, memiliki

jumlah sudu sebanyak satu sampai tiga sudu. Kincir angin tipe ini paling sering

digunakan sebagai sarana pembangkit listrik bertenaga angin karena memiliki

karakteristik yang unggul.

Gambar 2.5 Kincir angin tipe propeler

(Sumber : http://www.indoenergi.com/2012/07/jenis-jenis-turbin-angin.html)


http://manfaat.co.id/manfaat-kincir-angin

http://www.indoenergi.com/2012/07/jenis-jenis-turbin-angin.html

8

2.4.2 Kincir Angin Berporos Vertikal

Berikut beberapa tipe kincir angin berporos vertikal :

1. Tipe Savonius

Kincir angin Savonius (Gambar 2.6) pertama kali ditemukan dan diciptakan

oleh seorang sarjana Finlandia S.J. Savonius pada tahun 1929. Namun, kincir

angin tipe ini pertama kali diaplikasikan untuk komersial pada tahun 1931. Kincir

angin Savonius memanfaatkan gaya dorong angin untuk memutar rotor. Koefisien

daya yang dimiliki kincir angin Savonius hanya 25%, sehingga lebih cocok

digunakan untuk aplikasi daya rendah.

Gambar 2.6 Kincir angin tipe Savonius

(Sumber : http://www.caratekno.com/2015/06/cara-membuat-generator-kincir-

angin.html)

2. Tipe Darrieus

Kincir angin tipe Darrieus (Gambar 2.7) diciptakan oleh seorang insinyur

Perancis bernama George Jeaans Maria Darrieus pada tahun 1931. Kincir angin

ini memiliki bentuk sudu yang disusun simetris dengan poros. Bentuk sudu yang

dimiliki kincir angin tipe darius sangat efektif untuk menangkap angin dari

berbagai arah. Kincir angin Darrieus memanfaakan gaya angkat angin saat

berhembus.


http://www.caratekno.com/2015/06/cara-membuat-generator-kincir-angin.html

http://www.caratekno.com/2015/06/cara-membuat-generator-kincir-angin.html

9

Gambar 2.7 Kincir angin tipe Darius

(Sumber : http://www.indoenergi.com/2012/07/jenis-jenis-turbin-angin.html )

3. Tipe H-rotor (Giromill)

Kincir angin tipe H-rotor (Gambar 2.8) ini merupakan hasil penelitian

insinyur berkebangsaan Inggris pada tahun 1970-1980an.

Gambar 2.8 Kincir angin tipe H-rotor (Giromill)

(Sumber : http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta

.html)


http://www.indoenergi.com/2012/07/jenis-jenis-turbin-angin.html

http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta%20%20%20.html

http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta%20%20%20.html

10

2.5 Gaya Dorong Angin Pada Rotor Kincir Angin

Angin dapat memberikan gaya dorong yang dimanfaatkan untuk memutar

rotor pada kincir angin. Bentuk sudu kincir (blade) mempengaruhi jumlah gaya

dorong yang diterima rotor yang berdampak pada seberapa besar efesiensi mekanis

maksimum yang dihasilkan rotor. Dalam mendesain kincir angin, terdapat dua

metode dorongan yang diterapkan, yaitu metode drag (geser) dan metode

aerodinamik.

2.5.1 Metode Drag

Metode drag (geser) merupakan metode yang mengutamakan pemanfaatan

gaya drag (gaya geser) untuk memutar rotor. Pada umumnya, metode ini lebih

sering diterapkan pada kincir angin berporos vertikal, terutama tipe Savonius.

Kincir angin vertikal ini memiliki tingkat efisiensi yang lebih rendah dibanding

dengan kincir angin berporos horisontal. Hal tersebut disebabkan karena terdapat

sudu kincir yang mengahadap dan membelakangi arah angin dalam satu poros

seperti yang nampak pada Gambar 2.9. Saat berhembus, angin akan menerpa semua

sudu kincir tersebut, baik yang menghadap maupun membelakangi arah angin.

Sudu kincir yang membelakangi arah angin inilah yang akan menghambat gaya

drag yang bekerja pada sudu yang menghadap arah angin.

Gambar 2.9 Skema metode drag pada kincir angin tipe Savonuis


11

2.5.2 Metode Aerodinamik

Terdapat metode lain, yaitu metode aorodinamik yang identik dengan

penampang airfoil (Gambar 2.10). Penampang airfoil adalah suatu bentuk

melintang dari suatu benda (sayap pesawat atau sudu kincir angin) yang dapat

menimbulkan gaya angkat atau efek aerodinamika ketika penampang airfoil

tersebut dilewati aliran udara (angin). Metode ini diterapkan pada kincir angin

berporos horisontal dan vertikal. Khusus kincir angin bersumbu vertikal, metode

ini diterapkan pada tipe Darrieus dan Giromill.

Gambar 2.10 Penampang airfoil

Penampang airfoil memiliki bentuk lekuk permukaan atas dan bawah yang

berbeda. Tujuannya adalah untuk membuat kecepatan angin yang melalui

permukaan atas pada penampang airfoil lebih besar dibanding dengan permukaan

bawah (Gambar 2.11 (a)). Berdasarkan perinsip Bernoulli, tekanan udara pada

permukaan atas penampang airfoil menjadi lebih kecil dibanding pada permukaan

bawah. Sementara itu, udara akan bergerak dari permukaan bawah (tekanan

tinggi) penampang airfoil menuju permukaan atas (tekanan rendah) dan terjadilah

gaya angkat (Gambar 2.11 (b)).

2.6 Penampang Airfoil NACA

Pada Gambar 2.12 menunjukkan beberapa istilah pada penampang airfoil

yang akan memberi petunjuk dalam rancangannya, seperti :

1. Mean Camber line

Mean camber line merupakan garis yang tergambar tepat ditengah antara lekuk

permukaan atas dan bawah pada penampang airfoil


12

2. Chord Line

Chord line atau sering disebut chord merupakan garis lurus yang mehubungkan

leading edge dan trailing edge.

3. Leading Edge dan Trailing Edge

Leading edge merupakan permukaan depan pada penampang airfoil,

sedangkan trailing edge adalah ujung belakang dari penampang airfoil.

4. Camber

Camber adalah jarak antara mean camber line dan chord line. Jarak tersebut

terukur tekgak lurus terhadap chord line.

5. Thickness

Thickness adalah ketebalan penampang airfoil.

6. Angle of Attack

Angle of attack didefinisikan sebagai sudut antara chord line dan arah angin

relatif.

(a)

(b)

Gambar 2.11 Skema (a) perbedaan kecepatan angin dan (b) perbedaan tekanan

udara pada penampang airfoil


13

Gambar 2.12 Istilah pada penampang airfoil

(Sumber : https://aerowoles.wordpress.com/2015/12/09/pembahasan-lift-pada-

pesawat-terbang-part-i/)

Pada airfoil jenis NACA, pemberian nama penampang airfoil menggunakan

angka. Misalnya pada NACA 2412, menunjukkan bahwa penampang airfoil

tersebut memiliki camber maksimum 2% dari panjang total chord line yang

terhitung 4/10 panjang chord line dari leading edge dan tebal maksimum 12% dari

panjang chord line.

2.7 Daya Angin

Energi bersifat kekal atau tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.

Ketika udara bergerak, akan tercipta sebuah energi gerak atau energi kinetik. hal ini

disebabkan karena udara memiliki massa dan kecepatan saat bergerak. Energi yang

dihasilkan oleh udara yang bergerak dapat dirumuskan sebagai berikut :

Ek =1

2𝑚𝑣ₐ2, (2.1)

dengan m adalah massa dan va merupakan kecepatan angin. Mengingat 𝑚 = 𝑉𝜌,

maka Persamaan (2.1) menjadi :

Ek = 1

2𝑉𝜌𝑣ₐ2, (2.2)


https://aerowoles.wordpress.com/2015/12/09/pembahasan-lift-pada-pesawat-terbang-part-i/

https://aerowoles.wordpress.com/2015/12/09/pembahasan-lift-pada-pesawat-terbang-part-i/

14

dengan 𝜌 sebagai massa jenis udara dan V sebagai volume angin yang tertampung.

Gambar 2.13 Skema volume angin yang diterima kincir angin berporos horisontal

Gambar 2.13 merupakan estimasi dari volume angin yang didapat oleh

kincir angin berporos horisontal. Dengan luasan (𝐴) merupakan luas keseluruhan

rotor kincir angin dan x sebagai jarak angin yang ditangkap kincir angin.

Berdasarkan estimasi diatas, dapat dirumuskan :

𝑉 = 𝐴𝑥

jika 𝑥 = 𝑣ₐ𝑡, maka

𝑉 = 𝐴𝑣ₐ𝑡 (2.3)

Dari Persamaan (2.2) dan (2.3) didapat Persamaan sebagai berikut :

Ek = 1

2𝜌𝐴𝑣ₐ3𝑡 , (2.4)

dengan 𝜌 sebagai massa jenis udara dan t sebagai waktu. Dari Persamaan (2.4)

diperoleh daya (Pin) :

Pin = 𝐸𝑘

𝑡=

1

2𝜌𝐴𝑣ₐ3, (2.5)


15

2.8 Daya Kincir Angin

Dalam penelitian ini, penulis hanya mencari besarnya daya keluaran

mekanis kincir. Berikut rumus untuk menghitung daya keluaran yang dihasilkan

kincir angin:

Pout = 𝑇𝜔 (2.6)

dengan T merupakan torsi dinamis (Nm) dan ⍵ sebagai kecepatan sudut (rad/s).

Adapun menghitung kecepatan sudu, dapat mengunakan rumus :

⍵ = 𝑛 2𝜋

60

rad

s (2.7)

maka, besarnya daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dirumuskan:

Pout = 𝑇𝑛 2𝜋

60 (watt) (2.8)

2.9 Torsi

Torsi merupakan momen putar yang dihasilkan oleh gaya dorong yang

digunakan untuk memutar poros. Untuk menghitung besarnya torsi, dapat

menggunakan rumus:

𝑇 = 𝐹 𝑟 ( Nm ) (2.9)

dengan r merupakan panjang lengan yang mendapatkan momen putar (m)

2.10 Bet’z Limit

Bet’z limit ditemukan oleh seorang fisikawan Jerman bernama Albert Betz

pada tahun 1919. Bet’z limit menunjukkan besarnya daya maksimal angin yang

dapat dikonversi menjadi daya mekanik pada beberapa tipe kincir angin. Albert

Betz juga mengatakan bahwa tidak ada kincir angin yang dapat menangkap lebih

dari 16

27 (59,3 %) energi angin secara total. Angka tersebut sekarang dikenal sebagai

koefisien Bet’z. Batasan daya maksimal kincir angin berporos horizontal

(propeller) nampak pada Gambar 2.14 berupa garis putus-putus.


16

Gambar 2.14 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk

beberapa jenis kincir angin

(sumber : www.mcensustainebleenergi.pbworks.com)

2.11 Koefisien Daya

Koefisien daya (Cp) merupakan perbandingan antara daya keluaran kincir

(Pout) dengan daya yang tersedia oleh angin (Pin). Koefisien daya dirumuskan :

Cp= 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 x 100% (2.10)

2.12 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan linier ujung sudu pada

kincir angin (blade tip speed) dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung sudu pada

kincir angin dapat dirumuskan :


http://www.mcensustainebleenergy.pbworks.com/

17

𝑣 = 𝜔𝑟 (2.11)

λ = 𝜔𝑟

𝑣ₐ (2.12)

λ = 𝜋𝑟𝑛

𝑣ₐ (2.13)

dengan r adalah jari-jari rotor dan n adalah jumlah putaran rotor tiap menit.


18

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Langkah kerja dalam melakukan penelitian ini tersaji dalam Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram alir percobaan

Mulai

Perancangan sudu kincir angin

Persiapan bahan

Pembuatan sudu kincir angin

Perakitan kincir angin

Uji coba kincir angin dengan pembebanan

Kincir bekerja sesuai kriteria

Pengambilan data

Pengolahan data

Analisa data

Selesai

Tidak

Ya


19

3.2 Bahan dan Alat

Dalam melaksanakan penelitian, diperlukan beberapa bahan dan alat.

3.2.1 Bahan

Bahan yang dibutuhkan untuk melakukan penelitian :

1. Pipa PVC

Pipa PVC yang digunakan berdiameter 4 inch sebagai sudu kincir angin dengan

bentuk penampang silindris.

2. Papan kayu lapis

Dalam penelitian ini, terdapat dua variasi ketebalan papan kayu lapis yang

digunakan, yaitu 3, 6 dan 12 milimeter. Papan kayu lapis tebal 3 milimeter

digunakan untuk membuat cetakan pada sudu bentuk penampang airfoil, kayu

lapis tebal 6 milimeter untuk membuat sudu kincir angin dengan bentuk

penampang datar, sedangkan kayu lapis tebal 12 milimeter digunakan untuk

membuat hub kincir angin.

3. Kertas HVS

Kertas HVS digunakan untuk membuat sketsa sudu berpenampang silindris.

4. Serat kaca

Serat kaca (fiberglass) sebagai bahan untuk membuat sudu kincir angin dengan

bentuk penampang airfoil.

5. Resin epoksi

Resin epoksi digunakan sebagai pengisi (filler) dan pengeras serta pengikat

serat kaca.

6. Baut metric

Baut metric yang digunakan berdiameter 0.5 sentimeter. Baut matric ini

digunakan untuk mengaitkan beberapa komponen saat melakukan percobaan.

7. Plat besi

Plat besi berfungsi sebagai rangka penguat pada masing-masing variasi sudu

saat melakukan percobaan.


20

8. Malam

Malam (plastisin) digunakan untuk membuat cetakan sudu berpenampang

airfoil berbahan serat kaca.

9. Aluminium foil

Aluminiumfoil berfungsi sebagai lapisan saat mencetak sudu berpenampang

airfoil.

10. Lem kayu

Lem kayu digunakan untuk merekatkan papan kayu lapis saat membuat sudu

berpenampang datar.

11. Cat semprot

Cat semprot digunakan untuk menutupi permukaan sudu berpenampang airfoil.

12. Amplas

Amplas digunakan untuk memperhalus permukaan sudu.

3.2.2 Alat

Berikut alat yang digunakan dalam melaksanakan penelitian :

1. Alat pengerem poros kincir angin

Alat pengereman seperti yang nampak pada Gambar 3.2 berfungsi untuk

mengukur torsi mekanis yang dihasilkan kincir angin yang diuji. Alat ini terdiri

atas piringan besi dengan tebal 5 mm dengan diameter 15 cm dan karet seperti

kampas rem pada kendaraan untuk menahan laju putaran piringan.

2. Neraca pegas

Neraca pegas yang ditunjjukan Gambar 3.3 memiliki fungsi yang sama seperti

timbangan, yaitu untuk menghitung beban yang dihasilkan saat alat

pengereman bekerja.

3. Anemometer

Anemometer seperti yang nampak pada Gambar 3.4 digunakan untuk

mengukur kecepatan angin pada saat melakukan penelitian.


21

Gambar 3.2 Tampak samping alat pengerem poros

Gambar 3.3 Neraca pegas

Gambar 3.4 Anemometer


22

4. Tachometer

Tachometer seperti yang nampak pada Gambar 3.5 digunakan untuk

mendapatkan nilai putaran poros kincir angin saat dilakukan penelitian.

5. Blower

Blower seperti yang nampak pada Gambar 3.6 berfungsi untuk merekayasa

sumber energi angin untuk membuat kincir angin bekerja seperti yang

seharusnya

Gambar 3.5 Tachometer

Gambar 3.6 Blower

3.3 Desain Sudu Kincir Angin

Bentuk penampang sudu yang dipilih pada penelitian ini terbagi menjadi

tiga variasi, yaitu bentuk penampang silindris, datar dan airfoil. Berikut desain

masing-masing bentuk penampang sudu yang dipilih :


23

1. Sudu bentuk penampang datar

Gambar 3.7 menunjukkan dimensi sudu berpenampang datar dalam

satuan sentimeter

Gambar 3.7 Dimensi sudu kincir bentuk penampang datar

2. Sudu bentuk penampang silindris

Gambar 3.8 menunjukkan dimensi sudu berpenampang silindris dalam

satuan sentimeter

Gambar 3.8 Dimensi sudu kincir bentuk penampang silindris

3. Sudu bentuk penampang airfoil

Gambar 3.9 menunjukkan dimensi sudu berpenampang airfoil dalam

satuan sentimeter

Gambar 3.9 Dimensi sudu kincir bentuk penampang airfoil

3.4 Proses Pembuatan Sudu Kincir Angin

Berikut merupakan langkah langkah dalam pembuatan sudu setiap variasi

bentuk penampang :


24

1. Sudu bentuk penampang datar

Berikut langkah pembuatan sudu berpenampang datar :

a. Memotong kayu lapis dengan tebal 6 mm seperti Gambar 3.10 kemudian

haluskan menggunakan amplas.

b. Membentuk lekukan sebesar 148o pada lempengan seng atau logam seperti

yang nampak pada Gambar 3.11.

c. meletakkan potongan kayu lapis tepat di atas lempengan logam yang sudah

dibengkokkan dan beri penjepit. Kemudian, rekatkan kedua potongan

kayu lapis menggunakan lem kayu, seperti yang nampak pada Gambar

3.12.

d. Memasang rangka aluminium ke sudu, seperti yang nampak pada Gambar

3.13.

Gambar 3.10 Hasil pemotongan kayu lapis

Gambar 3.11 Pembentukan sudut pada lempengan logam


25

2. Sudu bentuk penampang silindris

Berikut langkah pembuatan sudu berpenampang silidris :

a. Menggambar sketsa bentuk sudu pada kertas HVS kemudian potong sesuai

sketsa yang dibuat.

b. Meletakkan dan lekatkan potongan kertas tersebut ke permukaan pipa

PVC berukuran 4 inch menggunakan lem kertas.

c. Memotong pipa PVC tersebut sesuai dengan potongan sketsa .

Gambar 3.12 Proses pembentukkan sudut dan perekatan potongan kayu lapis

`

Gambar 3.13 Sudu kincir angin dengan bentuk penampang datar

3. Sudu bentuk penampang airfoil

Berikut langkah pembuatan sudu berpenampang airfoil :

a. Menggambar sketsa penampang airfoil NACA 2412.

direkatkan dengan

menggunakan lem kayu


26

b. Menempelkan sketsa penampang airfoil pada kayu lapis dengan tebal

3mm.

c. Memotong kayu lapis tersebut sesuai sketsa penampang airfoil.

d. Menyusun potongan kayu lapis pada lempengan aluminium kemudian

rekatkan menggunakan lem, seperti yang nampak pada Gambar 3.14.

Gambar 3.14 Rangka airfoil

e. Membalut rangka airfoil menggunakan plastisin, seperti yang nampak

pada Gambar 3.15.

f. Meletakkan serat kaca pada sisi kanan rangka airfoil yang sudah dibalut

plastisin, kemudian menuangkan resin untuk membuat cetakan sudu

seperti pada Gambar 3.16.

g. Menunggu hingga resin mengering. Bentuk cetakan sudu yang sudah jadi,

nampak pada Gambar 3.17.

Gambar 3.15 Rangka airfoil yang dilapisi plastisin


27

Gambar 3.16 Pembuatan cetakan

Gambar 3.17 Cetakan sudu

h. Mengulangi proses pembuatan cetakan sudu untuk sisi kiri rangka airfoil.

i. Setelah resin kering, saatnya melapisi bagian dalam pada kedua cetakan

sudu menggunakan alimunium foil.

j. Mengisi bagian dalam pada kedua cetakan sudu yang sudah dilapisi

aluminium foil dengan tumpukan serat kaca, kemudian tuangkan resin.

k. Menunggu hingga resin berubah menjadi gel.

l. Seletah resin berubah menjadi gel, saatnya menyatukan sisi kanan dan kiri

cetakan sudu. dan tunggu hingga resin benar-benar kering.

m. Membuka cetakan sudu.

n. Melakukan proses finishing (dihaluskan menggunakan amplas dan dicat)

pada sudu. Sudu berpenampang airfoil yang sudah melalui proses

finishing.


28

3.5 Cara Kerja dan Desain Alat Pengerem Poros Kincir Angin

Alat pengerem poros kincir angin yang nampak pada Gambar 3.18 dan

Gamabr 3.19 didesain memiliki dua tuas yang berfungsi sebagai aktuator untuk

menggerakkan kampas rem dari dua sisi yang sejajar dan berlawanan arah untuk

menekan cakram yang terhubung secara langsung dengan poros kincir angin,

sehingga terjadi pembebaanan. Karena terjadi pembebanan, alat pengerem poros

kincir angin ini akan sedikit tertarik ke arah putaran poros kincir angin, sehingga

menarik benang yang terhubung ke timbangan. Timbangan akan mengukur

seberapa besar beban yang dihasilkan untuk kemudian dihitung menjadi torsi

mekanis kincir angin.

Gambar 3.18 Skema alat pengerem poros kincir angin

Gambar 3.19 Tampak depan alat pengerem poros kincir angin


29

3.6 Rangkaian Keseluruhan Alat

Gambar 3.20 menunjukan rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian

ini.

Gambar 3.20 Rangkaian alat percobaan

3.7 Langkah Pengambilan Data

Penelitian dilakukan dengan meletakkan kincir angin di depan blower sesuai

jarak yang sudah ditentukan untuk memperoleh kecepatan angin yang sesuai.

Langkah yang dilakukan saat melakukan pengambilan data :

1. Menyiapkan alat-alat penunjang pengambilan data (timbangan, tachometer,

anemometer dan perangkat kincir angin).

2. Memasang anemometer di depan blower dengan posisi tegaklurus dengan arah

angin yang dihasilkan blower.

3. Memasang alat pengerem poros dan dihubungkan dengan poros kincir angin

yang akan diuji.

4. Memasang timbangan dan dihubungkan dengan alat pengerem poros.

5. Memasang sudu kincir angin yang akan diuji.

6. Mengatur inverter pada blower hingga didapat angin dengan kecepatan 7 m/s.


30

7. Awal pengambilan data dilakukan mulai dari tanpa beban (alat pengerem poros

tidak difungsikan). Beban akan terus ditambah dengan cara memfungsikan alat

pengereman secara perlahan hingga memperoleh beban maksimal.

3.8 Pengolahan Data

Setelah melakukan penelitian, data yang didapat adalah kecepatan angin,

gaya pengimbang, putaran poros kincir angin dan daya angin masukan kincir angin

yang kemudian diolah untuk menghitung kecepatan sudut poros, beban torsi,

keluaran daya mekanis. Dari data tersebut, didapat Tip speed ratio () dan koefisien

daya (CP) beserta hubungan dan nilai maksimal dari kedua data tersebut untuk

masing-masing variasi bentuk penampang sudu.


31

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian

Data yang diambil dalam penelitian ini terbagi menjadi tiga variasi, yaitu

sudu dengan bentuk penampang datar, silindris dan airfoil. Data yang didapat

meliputi kecepatan angin dalam satuan m/s, kecepatan putar poros kincir (rpm), dan

beban pengimbang (N).


berpenampang datar pada kecepatan angin 7 m/s

No.

Gaya pengimbang,

F

Putaran

kincir

(gram) (N) (rpm)

1 0 0,00 445

2 0 0,00 448

3 0 0,00 443

4 0 0,00 452

5 100 0,98 280

6 100 0,98 300

7 100 0,98 281

8 100 0,98 264

9 150 1,47 188

10 150 1,47 174

11 150 1,47 172

12 150 1,47 167

13 200 1,96 86

14 200 1,96 83

15 200 1,96 87

16 200 1,96 81


32


berpenampang silindris pada kecepatan angin 7 m/s

No. Gaya pengimbang, F

Putaran

kincir

(gram) (N) (rpm)

1 0 0,00 891

2 0 0,00 885

3 0 0,00 879

4 0 0,00 893

5 150 1,47 751

6 150 1,47 761

7 150 1,47 757

8 150 1,47 748

9 210 2,06 706

10 210 2,06 705

11 210 2,06 707

12 210 2,06 710

13 300 2,94 658

14 300 2,94 662

15 300 2,94 653

16 300 2,94 676

17 350 3,43 567

18 350 3,43 557

19 350 3,43 578

20 350 3,43 565

21 370 3,63 506

22 370 3,63 507

23 370 3,63 513

24 370 3,63 514

25 400 3,92 425

26 400 3,92 400

27 400 3,92 445

28 400 3,92 418


33


berpenampang airfoil pada kecepatan angin 7 m/s

No. Gaya pengimbang, F

Putaran

kincir

(gram) (N) (rpm)

1 0 0,00 812

2 0 0,00 809

3 0 0,00 808

4 0 0,00 819

5 100 0,98 781

6 100 0,98 779

7 100 0,98 776

8 100 0,98 779

9 180 1,77 664

10 180 1,77 672

11 180 1,77 675

12 180 1,77 685

13 250 2,45 589

14 250 2,45 535

15 250 2,45 583

16 250 2,45 567

17 300 2,94 445

18 300 2,94 435

19 300 2,94 465

20 300 2,94 477

21 350 3,43 388

22 350 3,43 352

23 350 3,43 369

24 350 3,43 380

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

Data yang diperoleh akan diolah dengan melakukan beberapa perhitungan

untuk memperoleh nilai dari kecepatan sudut kincir angin, torsi kincir angin, daya

masukan, daya keluaran, tip speed ratio dan koefisien daya. Sampel data sebagai

contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.2 baris nomor 5.


34

4.2.1 Menghitung Kecepatan Sudut Kincir Angin

Menghitung nilai kecepatan sudut kincir angin (⍵) menggunakan rumus

⍵ = 𝑛 2𝜋

60

⍵ = 7512𝜋

60

⍵ = 78,64 rad/s

4.2.2 Menghitung Beban Torsi

Nilai beban torsi (T) yang dihasilkan kincir angin dapat dihitung

menggunakan Persamaan 2.9

𝑇 = 𝐹 𝑟

𝑇 = ( 1,47 )( 0,20 )

𝑇 = 0,29 Nm

4.2.3 Menghitung Daya Angin

Persamaan 2.5 dapat digunakan untuk memperoleh nilai daya masukan

padakincir angin

Pin = 1

2𝜌𝐴𝑣ₐ3

dengan 𝜌= 1,18 kg/m3

Pin = 1

2 (1,18)(𝛑 0,42)(73)

Pin = 101,67 watt

4.2.4 Menghitung Daya Kincir Angin

Perhitungan daya keluaran yang dihasilkan kincir angin menggunakan

Persamaan 2.6

Pout = 𝑇𝜔


35

Pout = ( 0,29 )( 78,64 )

Pout = 23,15 watt

4.2.5 Menghitung Tip Speed Ratio

Menghitung tip speed ratio (TSR) menggunakan Persamaan 2.13

𝜆 = 𝜋𝑟𝑛

𝑣ₐ

𝜆 = 𝜋(0,2)(751)

7

𝜆 = 4,49

4.2.6 Menghitung Koefisen Daya

Menentukan nilai koefisien daya menggunakan Persamaan 2.10

Cp= 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 100%

Cp= 23,15

101,67 100%

Cp = 22,7

4.3 Data Hasil Perhitungan

Setelah melakukan perhitungan, parameter yang didapat kemudian diolah

menggunakan software Microsoft Excel untuk mendapatkan garafik hubungan

antara kecepatan putaran poros kincir angin (rpm) dengan torsi (T) dan koefisien

daya (Cp) dengan tip speed ratio (λ). Berikut hasil perhitungan data yang nampak

pada Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6.


36

Tabel 4.4 Hasil perhitungan data kincir angin berporos horisontal tiga sudu dengan bentuk

penampang sudu datar pada kecepatan angin 7 m/s

No.

Gaya

pengimbang, F

Putaran

kincir

Kecepatan

sudut, ω

Beban

torsi,

T

Daya

angin,

Pin

Daya

output,

Pout λ

Koef.daya,

Cp

(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)

1 0 0,00 445 46,6 0,000 101 0,00 2,66 0,00

2 0 0,00 448 46,9 0,000 101 0,00 2,68 0,00

3 0 0,00 443 46,4 0,000 101 0,00 2,65 0,00

4 0 0,00 452 47,3 0,000 101 0,00 2,71 0,00

5 100 0,98 280 29,3 0,196 101 5,75 1,68 5,66

6 100 0,98 300 31,4 0,196 101 6,16 1,80 6,06

7 100 0,98 281 29,4 0,196 101 5,77 1,68 5,68

8 100 0,98 264 27,7 0,196 101 5,42 1,58 5,34

9 150 1,47 188 19,7 0,294 101 5,79 1,13 5,70

10 150 1,47 174 18,2 0,294 101 5,36 1,04 5,27

11 150 1,47 172 18,0 0,294 101 5,30 1,03 5,21

12 150 1,47 167 17,5 0,294 101 5,15 0,10 5,06

13 200 1,96 86 9,0 0,392 101 3,53 0,52 3,48

14 200 1,96 83 8,7 0,392 101 3,41 0,50 3,36

15 200 1,96 87 9,1 0,392 101 3,58 0,52 3,52

16 200 1,96 81 8,5 0,392 101 3,33 0,49 3,27

4.4 Grafik Hasil Perhitungan

Hasil perhitungan data yang tertera pada Tabel 4.1, Tabel 4.2 dan Tabel 4.3

dapat diubah menjadi bentuk grafik. Grafik tersebut merupakan hubungan antara

koefisien daya (CP) dengan tip speed ratio (λ) dan kecepatan putar rotor (rpm)

dengan torsi (T).

4.4.1 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir

Angin Berporos Horisontal Tiga Sudu

Berikut grafik hubungan antara kecepatan putar rotor dengan torsi untuk tiap

variasi


37


penampang sudu silindris pada kecepatan angin 7 m/s

No.

Gaya

pengimbang, F

Putaran

kincir

Kecepatan

sudut, ω

Beban

torsi,

T

Daya

angin,

Pin

Daya

output,

Pout λ

Koef.daya,

Cp

(gram) (N) (rpm) (rad/s) (watt) (watt) (watt) (%)

1 0 0,00 891 93,3 0,000 102 0,0 5,33 0,0

2 0 0,00 885 92,7 0,000 102 0,0 5,30 0,0

3 0 0,00 879 92,0 0,000 102 0,0 5,26 0,0

4 0 0,00 893 93,5 0,000 102 0,0 5,34 0,0

5 150 1,47 751 78,6 0,294 102 23,2 4,49 22,8

6 150 1,47 761 79,7 0,294 102 23,5 4,55 23,2

7 150 1,47 757 79,3 0,294 102 23,3 4,53 24,0

8 150 1,47 748 78,3 0,294 102 23,1 4,48 22,7

9 210 2,06 706 73,9 0,412 102 30,5 4,23 30,0

10 210 2,06 705 73,8 0,412 102 30,4 4,22 29,9

11 210 2,06 707 74,0 0,412 102 30,5 4,23 30,0

12 210 2,06 710 74,4 0,412 102 30,6 4,25 30,1

13 300 2,94 658 68,9 0,589 102 40,6 3,94 39,9

14 300 2,94 662 69,3 0,589 102 40,8 3,96 40,1

15 300 2,94 653 68,4 0,589 102 40,3 3,92 39,6

16 300 2,94 676 70,8 0,589 102 41,7 4,05 41,0

17 350 3,43 567 59,4 0,687 102 40,8 3,39 40,1

18 350 3,43 557 58,3 0,687 102 40,1 3,33 39,4

19 350 3,43 578 60,5 0,687 102 41,6 3,46 40,9

20 350 3,43 565 59,1 0,687 102 40,6 3,38 40,0

21 370 3,63 506 53,0 0,726 102 38,5 3,03 37,8

22 370 3,63 507 53,1 0,726 102 38,5 3,03 37,9

23 370 3,63 513 53,7 0,726 102 39,0 3,07 38,4

24 370 3,63 514 53,8 0,726 102 39,1 3,08 38,4

25 400 3,92 425 44,5 0,785 102 34,9 2,54 34,4

26 400 3,92 400 41,9 0,785 102 32,9 2,39 32,3

27 400 3,92 445 46,6 0,785 102 36,6 2,66 36,0

28 400 3,92 418 43,8 0,785 102 34,4 2,50 33,8


38


penampang sudu airfoil pada kecepatan angin 7 m/s

No.

Gaya

pengimbang, F

Putaran

kincir

Kecepatan

sudut, ω

Beban

torsi,

T

Daya

angin,

Pin

Daya

output,

Pout λ

Koef.daya,

Cp

(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)

1 0 0,00 812 85,0 0,000 101 0,0 4,86 0,0

2 0 0,00 809 84,7 0,000 101 0,0 4,84 0,0

3 0 0,00 808 84,6 0,000 101 0,0 4,84 0,0

4 0 0,00 819 85,8 0,000 101 0,0 4,90 0,0

5 100 0,98 781 81,8 0,196 101 16,1 4,67 15,8

6 100 0,98 779 81,6 0,196 101 16,0 4,66 15,7

7 100 0,98 776 81,3 0,196 101 15,9 4,64 15,7

8 100 0,98 779 81,6 0,196 101 16,0 4,66 15,7

9 180 1,77 664 69,5 0,353 101 24,6 3,97 24,2

10 180 1,77 672 70,4 0,353 101 24,9 4,02 24,4

11 180 1,77 675 70,7 0,353 101 25,0 4,04 24,6

12 180 1,77 685 71,7 0,353 101 25,3 4,10 24,9

13 250 2,45 589 61,7 0,491 101 30,3 3,53 29,8

14 250 2,45 535 56,0 0,491 101 27,5 3,20 27,0

15 250 2,45 583 61,1 0,491 101 30,0 3,49 29,5

16 250 2,45 567 59,4 0,491 101 29,1 3,39 28,7

17 300 2,94 445 46,6 0,589 101 27,4 2,66 27,0

18 300 2,94 435 45,6 0,589 101 26,8 2,60 26,4

19 300 2,94 465 48,7 0,589 101 28,7 2,78 28,2

20 300 2,94 477 50,0 0,589 101 29,4 2,85 28,9

21 350 3,43 388 40,6 0,687 101 27,9 2,32 27,4

22 350 3,43 352 36,9 0,687 101 25,3 2,11 24,9

23 350 3,43 369 38,6 0,687 101 26,5 2,21 26,1

24 350 3,43 380 39,8 0,687 101 27,3 2,27 26,9


39

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara kecepatan putar rotor dengan torsi kincir

angin horisontal tiga sudu

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa semakin cepat poros kincir angin berputar,

maka torsi yang dihasilkan semakin kecil. Pada penelitian ini, kincir angin dengan

bentuk sudu silindris menghasilkan torsi terbesar, yaitu 0,78 Nm pada 418 rpm.

4.4.2 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio

Kincir Angin Berporos Horsontal Tiga Sudu

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio

kincir angin berporos horisontal demgam bentuk penampang sudu datar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Kec

epat

an P

uta

r R

oto

r, n

(rp

m)

Torsi, T (Nm)

SuduBerpenampangSilindrisSuduBerpenampangDatarSuduBerpenampangArifoil

0

1

2

3

4

5

6

7

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

Ko

efis

ien

Day

a, C

p(%

)

Tip Speed Ratio,


40

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir

angin berporos horisontal dengan bentuk penampang sudu silindris


angin berporos horisontal dengan bentuk penampang sudu airfoil

Gambar 4.2 sampai dengan gambar 4.4 menunjukkan bahwa koefisien daya

yang dihasilkan oleh kincir angin horisontal tiga sudu akan mencapai keadaan

maksimal pada nilai tip speed ratio tertentu, kemudian akan mengalami penurunan.

00

10

20

30

40

50

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Ko

efis

ien

Day

a, C

p(%

)

Tip Speed Ratio,

0

5

10

15

20

25

30

35

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Koef

isie

n D

aya,

Cp

(%)

Tip Speed Ratio,


41


angin berporos horisontal untuk tiga variasi bentuk penampang sudu

Gambar 4.5 memperlihatkan nilai koefisien maksimal tertinggi dihasilkan

oleh kincir angin horisontal tiga sudu dengan variasi bentuk penampang sudu

sindris, yaitu 41% pada tip speed ratio 4.05.

4.5 Pembahasan

Pengambilan data dapat dinyatakan benar, karena pada Gambar 4.2 sampai

dengan Gambar 4.4 menunjukkan grafik hubungan antara koefisien daya dengan

tip speed ratio menunjukkan adanya kurva berupa trendline parabolik pangkat dua

dengan nilai koefisien daya maksimal berada di atas.

Gambar 4.1 dan Gambar 4.5 memperlihatkan besarnya nilai kecepatan putar

rotor, torsi dan koefisien daya yang dihasilkan masing-masing variasi bentuk sudu.

Hal tersebut membuktikan adanya perbedaan unjukkerja dari masing-masing desain

bentuk penampang sudu (datar, silindris dan airfoil) yang dibuat.

Perbedaan unjuk kerja disebabkan karena sudu dengan bentuk penampang

yang berbeda menghasilkan nilai torsi dan kecepatan putar rotor yang berbeda pula.

Perbedaan tersebut juga berdampak pada daya keluaran dan koefisien daya yang

dihasilkan masing-masing sudu dengan setiap variasi bentuk penampang.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

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

Ko

efis

ien

Day

a, C

p(%

)

Tip Speed Ratio,

SuduBerpenampangSilindrisSuduBerpenampangDatarSuduBerpenampangAirfoil


42

Penelitian ini menunjukkan bahwa unjukkerja sudu dengan bentuk

penampang silindris lebih baik jika dibandingkan dengan variasi bentuk penampang

yang lain (datar dan airfoil). Pada gambar 4.1 dan gambar 4.5 nampak bahwa nilai

torsi, kecepatan putar rotor dan koefisien daya maksimal yang dihasilkan sudu

berpenampang silindris paling besar.


43

BAB V

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan

Setelah melakukan pengambilan, pengolahan dan analisis data, maka dapat

disimpulkan :

1. Telah berhasil dibuat model kincir angin horisontal tiga sudu dengan variasi

bentuk penampang sudu datar, silindris dan airfoil.

2. Koefisien daya maksimal untuk variasi bentuk penampang sudu datar, silindris

dan airfoil berturut-turut adalah 6,06 % pada tip speed ratio 1,8; 41 % pada tip

speed ratio 4,05 dan 29,8 % pada tip speed ratio 3,53.

3. Nilai daya mekanis terbesar yang diperoleh pada penelitian ini ditunjukkan

oleh model kincir angin dengan sudu berpenampang silindris, yaitu 41,7 watt.

5.2 Saran

Berikut saran bagi peneliti yang akan melakukan pengujian serupa :

1. Perlu dilakukan pengujian terhadap kincir angin horizontal tiga sudu dengan

bentuk penampang sudu airfoil dengan jenis yang berbeda (selain NACA

2412).

2. Perlu dilakukan penelitian guna mendapatkan bentuk penampang sudu dengan

unjukkerja yang optimal pada kecepatan angin antara 3 – 6 m/s.


44

DAFTAR PUSTAKA

Daryanto, Y. 2007, Kajian Potensi Angin untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu,

Balai PPTAGG-UPT-LAGG, Yogyakarta

Manwell, J.F., J.G. McGowan, A.L. Roger. 2009, Wind Energy Explained : Theory,

Design and Application, Second Edition, John Wiley, USA

Schubel, Peter J., Richard J. Cossly. 2012, Wind Turbine Balde Design, Faculty of

Engineering, Division of Material. University of Nottingham, University

Park, Nottingham NG7 2RD, United Kingdom

Wijayanto, B.M. 2016, Unjuk Kerja Kincir Angin Propeler Tiga Sudu Berbahan

Komposit dengan Posisi Lebar Maksimal Sudu 10 Sentimeter dari Pusat

Poros, Fakultas Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta


45

LAMPIRAN

Lampiran 2. Gambar hub dan sudu berpenampang datar

Lampiran 1. Gambar hub dan sudu berpenampang silindris


46

Lampiran 3. Gambar hub dan sudu berpenampang airfoil

Lampiran 4. Gambar keterangan besar sudut kemiringan

sudu pada variasi sudu berpenampang airfoil

100


PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN BERPOROS … · PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN...

Documents

Transcript of PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN BERPOROS … · PERBANDINGAN UNJUK KERJA KINCIR ANGIN...