UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN WEPOWER DENGAN …1].pdfTujuan penelitian ini adalah untuk...

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN WEPOWER

DENGAN ENAM SUDU PIPA PVC DAN DENGAN

BESAR SUDU BERVARIASI

Tugas Akhir

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

EUGENIUS BRAMANDHIKA NUGROHO

NIM : 105214077

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2014

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJIPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

THE PERFORMANCE OF WEPOWER WIND MILL

WITH SIX BLADES PVC PIPE AND VARIOUS

BLADE SIZES

Final Project

Submitted as fulfill of the requirements

for obtaining the Sarjana Teknik Degree in

Mechanical Engineering

By :

EUGENIUS BRAMANDHIKA NUGROHO

Student ID Number : 105214077

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2014


vii

INTISARI

Kebutuhan akan energi listrik terus meningkat dan ketersediaan energi fosil

saat ini mengalami penurunan maka diperlukan sumber energi baru yang

terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan

adalah energi angin dengan ketersediaan yang melimpah dan ramah lingkungan.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan unjuk kerja model kincir

angin WePOWER sudu pipa pvc enam sudu dengan variasi besar sudu.

Model variasi pertama adalah kincir angin dengan besar sudu 900, model

variasi kedua besar sudu diganti 1200, lalu kemudian yang ketiga besar sudu

diganti 1500. Dalam pengujiannya setiap kincir angin diuji untuk mengetahui torsi,

putaran poros, daya kincir, dan koefisien daya. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa koefisien daya (Cp) puncak diperoleh dengan model kincir angin

WePOWER 6 sudu besar sudu 900, yaitu 2,2 % pada tip speed ratio (tsr) 0,191

menghasilkan daya 6,23 watt pada kecepatan angin 12,2 m/s dengan torsi 0,6 Nm.

Model kincir angin WePOWER 6 sudu besar sudu 1200 menghasilkan koefisien

daya (Cp) puncak 4,3 % pada tip speed ratio 0,261 menghasilkan daya 6,75 watt

pada kecepatan angin 10 m/s dengan torsi 0,58 Nm. Model kincir angin

WePOWER 6 sudu besar sudu 1500 menghasilkan koefisien daya (Cp) puncak 4,6

% pada tip speed ratio 0,394 menghasilkan daya 25,73 watt pada kecepatan angin

15,3 m/s dengan torsi 0,96 Nm.

Kata kunci : putaran poros, daya kincir, torsi, tip speed ratio, koefisien daya.


viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat

rahmat karuniaNya penulis bisa menyelesaikan penelitian Tugas Akhir yang

berjudul, “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Wepower Sudu Pipa Pvc Enam Sudu

Dengan Variasi Besar Sudu” dengan baik. Tugas Akhir merupakan salah satu

persyaratan wajib untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin, Program Studi

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

Tugas Akhir ini dapat penulis selesaikan berkat bantuan, dukungan, dan

nasihat dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini perkenankanlah penulis

mengucapkan terima kasih kepada :

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

Universitas Sanata Dharma.

2. Ign Ketut, S.T., M.Si., selaku dosen pembimbing akademik.

3. Doddy Purwadianto, S.T.,M.T., selaku dosen pembimbing Tugas Akhir.

4. Segenap dosen dan laboran program studi Teknik Mesin Universitas

Sanata Dharma.

5. Sugeng Budi Prasetya, Kristianto Wibison dan Bernadus Dedi Purwanto

serta semua saudara-saudara penulis yang telah memberi semangat dan

nasihat kepada penulis.

6. A. Bagus Prasetyo dan Gede Sujane, selaku teman sekelompok pengerjaan

Tugas Akhir.

7. Semua teman-teman mahasiswa jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu

terima kasih penulis ucapkan atas semua bantuannya.

Penulis menyadari naskah Tugas Akhir ini jauh dari sempurna dan masih perlu

pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak

akan penulis terima dengan senang hati.

Semoga naskah Tugas Akhir ini bermanfaat bagi teman-teman mahasiswa

Teknik mesin Universitas Sanata Dharma dan para pembaca lainnya. Apabila


ix

terdapat kesalahan dalam naskah Tugas Akhir ini penulis mohon maaf dan sekali

lagi penulis mengucapkan terima kasih.

Yogyakarta, 16 Mei 2014

Penulis


x

DAFTAR ISI

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

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

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

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

Pernyataan Keaslian Karya ......................................................................................v

Lembar Pernyataan Persetujuan Publikasi Karya Ilmiah....................................... vi

Intisari ................................................................................................................ vii

Kata Pengantar ..................................................................................................... viii

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

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

Daftar Tabel ...........................................................................................................xv

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

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

1.2. Rumusan Masalah.......................................................................................4

1.3. Tujuan Penelitian........................................................................................4

1.4. Manfaat Penelitian......................................................................................5

1.5. Batasan Masalah .........................................................................................5

BAB II : DASAR TEORI ........................................................................................6

2.1. Angin ..........................................................................................................6

2.2. Energi Angin...............................................................................................6

2.2.1. Potensi Angin .................................................................................8

2.3. Kincir Angin .............................................................................................10

2.3.1. Kincir Angin Poros Vertikal.........................................................11

2.3.2. Kincir Angin Poros Horisontal .....................................................12

2.3.3. Kincir Angin WePOWER .............................................................13

2.4. Rumus-Rumus Perhitungan......................................................................14

2.4.1. Energi dan Daya Angin ................................................................14

2.4.2. Daya Kincir Angin........................................................................15


xi

2.4.3. Torsi Kincir Angin........................................................................17

2.4.4. Tip Speed Ratio (tsr).....................................................................17

2.4.5. Koefisien Daya (Cp)......................................................................18

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN ............................................................19

3.1. Diagram Alir Penelitian............................................................................19

3.2. Objek Penelitian .......................................................................................20

3.3. Perancangan Kincir Angin WePOWER ....................................................20

3.4. Peralatan dan Bahan .................................................................................20

3.5. Variabel Penelitian ...................................................................................27

3.6. Langkah Percobaan...................................................................................28

3.7 Langkah Pengolahan Data ........................................................................31

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

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

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan............................................................32

4.2.1. Perhitungan Daya Angin ..............................................................32

4.2.2. Perhitungan Torsi .........................................................................33

4.2.3. Perhitungan Daya Kincir ..............................................................34

4.2.4. Perhitungan tip speed ratio (tsr) ...................................................35

4.2.5. Perhitungan Koefisien Daya (Cp) .................................................35

4.3. Data Hasil Perhitungan.............................................................................39

4.4. Grafik Hasil Perhitungan ..........................................................................41

4.4.1. Gravik Untuk Variasi Kincir Dengan Besar Sudu 900 .................42

4.4.2. Gravik Untuk Variasi Kincir Dengan Besar Sudu 1200 ...............44

4.4.2. Gravik Untuk Variasi Kincir Dengan Besar Sudu 1500 ...............46

4.5. Pembahasan ..............................................................................................49

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN ..............................................................50

5.1. Kesimpulan...............................................................................................50

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

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................52

LAMPIRAN...........................................................................................................53


xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Konsumsi Energi Dunia .......................................................................1

Gambar 1.2 Konsumsi Energi Dalam Negri ............................................................2

Gambar 1.3 Perubahan Suhu Global........................................................................2

Gambar 1.4 Emisi karbon dunia dalam persen ........................................................3

Gambar 2.1 Peta Indonesia ......................................................................................8

Gambar 2.2 Angin Darat dan Angin laut .................................................................9

Gambar 2.3 Angin Lembah....................................................................................10

Gambar 2.4 Angin Gunung ....................................................................................10

Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal.................................................................12

Gambar 2.2 Kincir angin poros horisontal.............................................................13

Gambar 2.3 Kincir angin WePOWER ....................................................................13

Gambar 2.5 Gragik hubungan Cp dan tip speed ratio (tsr).....................................16

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian.......................................................................19

Gambar 3.2 Model Kincir Angin WePOWER........................................................20

Gambar 3.3 Tempat posisi Sudu ............................................................................21

Gambar 3.4 Ukuran dan posisi variasi sudu 1........................................................21

Gambar 3.5 Variasi sudu ke 2 ................................................................................22

Gambar 3.6 Variasi sudu ke 3 ................................................................................22

Gambar 3.7 Sudu....................................................................................................23

Gambar 3.8 Poros...................................................................................................23

Gambar 3.9 Wind tunnel ........................................................................................24

Gambar 3.10 Fan Blower .......................................................................................24

Gambar 3.11 Anemometer .....................................................................................25


xiii

Gambar 3.12 Neraca pegas ....................................................................................25

Gambar 3.13 Lampu pembebanan .........................................................................26

Gambar 3.14 Generator..........................................................................................26

Gambar 3.15 Takoemeter.......................................................................................27

Gambar 3.16 Seting posisi kincir angin .................................................................28

Gambar 3.17 Tali penguat......................................................................................29

Gambar 3.18 Posisi Anemometer ..........................................................................29

Gambar 3.19 Posisi pengaturan kecepatan angin...................................................30

Gambar 4.1. Grafik hubungan putaran poros dan torsi untuk variasi besar sudu

900 .....................................................................................................42

Gambar 4.2. Grafik hubungan daya kincir dan torsi untuk variasi besar sudu

900 .....................................................................................................43

Gambar 4.3. Grafik hubungan Cp dan tsr untuk kincir angin variasi besar sudu

900 .....................................................................................................43


1200 ...................................................................................................44


1200 ...................................................................................................45


1200 ...................................................................................................45


1500 ...................................................................................................46


1500 ...................................................................................................47


1500 ...................................................................................................47


xiv

Gambar 4.10. Grafik perbandingan putaran poros dengan torsi dari ketiga variasi

besar sudu kincir ...............................................................................48

Gambar 4.11. Perbandingan Cp dan tsr ketiga variasi kincir angin.......................48


xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin 10 m diatas tanah .............................................7

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin WePOWER dengan besar sudu 900 ..........37

Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin WePOWER dengan besar sudu 1200 ........37

Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin WePOWER dengan besar sudu 1500 ........38

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kincir angin dengan besar sudu 900 ..................39

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kincir angin dengan besar sudu 1200 ................40

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kincir angin dengan besar sudu 1500 ................41


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan energi di dunia terus meningkat, khususnya di Indonesia

konsumsi energi yang terus meningkat dikarenakan pertumbuhan penduduk,

pertumbuhan industri dan perkembangan teknologi. Minyak bumi dan batu bara

adalah sumber energi utama dan sumber devisa negara. Sedangkan energi fosil

yang selama ini merupakan sumber energi utama ketersediaannya sangat terbatas,

dan akan habis pada suatu saat nanti, padahal kebutuhan energi terus meningkat

sejalan pertumbuhan indrustri, penduduk dan teknologi. Pemakaian energi fosil

tersebut juga akan menyebabkan pemanasan global akibat sisa pembakarannya

yang berupa gas CO2.

(Sumber : ourfiniteworld.com)

Gambar 1.1. Konsumsi Energi Dunia


2

(Sumber: BPPT Outlook Energi Indonesia 2013 , September 2013)

Gambar 1.2. Konsumsi Energi Dalam Negri

(Sumber : www.newscientist.com, November 2013)

Gambar 1.3. Perubahan Suhu Global


3

(Sumber : http://ilmupengetahuan7.blogspot.com September 2013)

Gambar 1.4. Emisi karbon dunia dalam persen

Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil menyemangati

para peneliti diberbagai negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang

dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai

energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi

terbarukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angin, biogas, bio masa serta

samudra. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: Sumbernya relatif

mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak

mempengaruhi suhu bumi dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan

bakar.

Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah

energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel.

Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan

air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, dan

lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana,

baik di dataran rendah maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut.

Pemanfaatan tenaga angin di Indonesia sebagai pembangkit listrik tenaga

angin belum begitu optimal dan kurang mendapat perhatian dari pemerintah,

walaupun di beberapa daerah sudah mampu memanfaatkan tenaga angin sebagai

pembangkit listrik, namun penerapannya belum bisa dibilang efektif. Padahal

kapasitas pembangkitan listrik tenaga angin di negara lain telah berkembang pesat

seperti di Belanda dan China.


4

Berdasarkan kondisi diatas, maka diadakanlah penelitian kincir angin

WePOWER dalam rangka pengembangan energi terbarukan. Kincir angin

WePOWER adalah kincir angin poros vertikal pengembangan dari kincir angin

jenis savonius yang mampu bekerja pada kecepatan angin yang rendah. Kincir ini

dikembangkan oleh perusahaan PacWind yang bekerja sama dengan WePower,

United States, kemudian menamai kincir tersebut WePOWER. Penelitian ini

bermaksud untuk mendapatkan unjuk kerja kincir angin WePOWER poros

vertikal, 6 sudu, kemiringan 50 dengan fariasi besar sudu 900, 1200, 1500. Desain

kincir angin dibuat sesederhana mungkin menggunakan bahan-bahan yang mudah

diperoleh agar setiap orang dapat mengaplikasikan penelitian ini.

1.2. Rumusan Masalah

Masalah yang mendasari dalam penelitian ini antara lain :

1. Angin merupakan energi yang berlimpah, kekal, gratis dan tidak

menimbulkan banyak dampak negatif bagi lingkungan maupun

kehidupan manusia.

2. Indonesia merupakan Negara yang beriklim tropis sehingga Indonesia

memiliki potensi energi terbaharukan yang besar salah satundiya energi

angin, namun belum dimanfaatkan secara optimal.

3. Dibutuhkan disain kincir angin yang terbaik agar mampu mengubah

energi angin menjadi energi listrik melalui generator guna memperoleh

efisiensi yang tinggi.

1.3. Tujuan Penelitan

Tujuan penelitian ini adalah:

1. Membuat kincir WePOWER dengan luas frontal 0,27 m2, 6 sudu,

kemiringan sudu 50, dengan variasi besar sudu 900, 1200, 1500.

2. Mengetahui koefisien daya maksimal, daya output makximal, yang

dihasilkan oleh model kincir angin WePOWER di tiap variasinya.

3. Mengetahui kemampuan variasi kincir angin jenis WePOWER terhadap

unjuk kerja kincir angin.


5

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Dapat menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin

WePOWER 6 sudu, dengan variasi besar sudu.

2. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi bagi masyarakat yang

membutuhkan sumber energi alternatif selain sumber energi fosil.

3. Menjadi sumber referensi bagi masyarakat di daerah dengan potensi

energi angin yang besar untuk memberdayakan energi terbarukan.

4. Dapat menambah literature (pustaka) mengenai kincir angin yang dapat

digunakan untuk pembangkit tenaga listrik dan bagi perkembagan

teknologi energi terbarukan, khususnya energi angin.

1.5. Batasan Masalah

Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada :

1. Kincir model yang digunakan adalah kincir poros vertikal dengan 6 sudu

yang memiliki, derajat kemiringan sudu 50 dengan tiga variasi besar

sudu 900, 1200, 1500.

2. Sudu kincir angin terbuat dari pipa PVC dengan diameter 8 inci.

3. Luas frontal 3 variasi kincir angin dibuat sama yaitu 0,27 m2, dengan

rincian lebar 0,45 m dan tinggi 0,6 m.

4. Penelitian dilakukan dengan mengoperasikan kincir angin didalam

sebuah wind tunnel yang tersedia di Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

5. Besaran-besaran yang diukur meliputi kecepatan angin, putaran poros,

suhu udara, dan gaya penyeimbang torsi.

6. Besaran-besaran yang dicari meliputi torsi, daya kincir, daya angin,

koefisien daya, dan tip speed ratio.


6

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Angin

Angin merupakan udara yang bergerak yang disebabkan oleh perbedaan

massa jenis udara. Massa jenis udara yang lebih tinggi memiliki tekanan udara

yang tinggi sehingga mengisi ke tekanan udara yang rendah. Perbedaan massa

jenis disebabkan perbedaan temperatur sedangkan perbedaan temperatur

disebabkan perbedaan letak dan konsisi suatu tempat oleh sinar matahari.

Pada umumnya kecepatan angin dipengaruhi oleh letak dan ketinggiannya.

Ada 2 tempat yang memiliki kecepatan angin yang tinggi yakni di pegunungan

dan pantai. Hal ini disebabkan oleh, semakin minimnya gaya gesekan yang

dipengaruhi permukaan yang tidak datar.

2.2. Energi Angin

Angin adalah salah satu bentuk energi terbarukan yang tersedia di alam,

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA) mengkonversikan energi angin

menjadi energi listrik. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar

turbin angin, ditransmisikan untuk memutar rotor atau stator pada generator,

sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan

disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.

Syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi

listrik dapat dilihat pada tabel berikut:


7

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin 10 meter di atas tanahTingkat kecepatan angin 10 meter di atas tanah

Kelas

Angin

Kecepatan Angin

m/sKeadaan di daratan

1 0.00 - 0.02 Tidak ada angin

2 0.3 - 1.5 Angin bertiup, asap lurus keatas

3 1.6 - 3.3 Asap bergerak megikuti arah angin

4 3.4 - 5.4Wajah terasa ada angin, daun bergoyang,

petunjuk arah angin bergerak.

5 5.5 - 7.9Debu jalan, kertas berterbangan, ranting

pohon bergoyang.

6 8.0 - 10.7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar.

7 10.8 - 13.8Ranting pohon besar bergoyang, air

plumpang bergoyang kecil.

8 13.9 -17.1Ujung pohon melengkung, hembusan angin

terasa di telinga.

9 17.2 - 20.7Dapat mematahkan ranting pohon, jalan

berat melawan arah angin.

10 20.9 - 24.4Dapat mematahkan ranting pohon, rumah

roboh.

11 24.5 - 28.4Dapat menumbangkan pohon menimbulkan

kerusakan.

12 28.5 - 32.5 Dapat menimbulkan kerusakan parah.

13 32.6 - 42.3 Angin Topan

(Sumber : http://www.kincirangin.info/plta-gbr.php, November 2013)

Batasan-batasan kelas angin yang dapat dimanfaatkan yaitu antara kelas 3

hingga kelas 8.


8

2.2.1. Potensi Angin

1. Indonesia Negara Kepulauan

Indonesia sebagai Negara kepulauan dapat di tunjukan pada Gambar 2.2. Peta

Negara Indonesia sesuai dengan pascal 47 ayat 9 dari konverensi Perserikatan

Bangsa Bangsa tentang hukum laut.

(sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Negara_kepulauan, November 2013)

Gambar 2.1 Peta Indonesia

Data departemen dalam negeri pada tahun 2004 menyatakan bahwa

Indonesia memiliki 7.870 pulau yang bernama, dan 9.634 pulau tak bernama.

Karena Indonesia merupakan Negara kepulauan maka potensi angin darat dan

angin laut sangat berlimpah.

Ada 2 jenis angin di pesisir pantai:

1. Angin Laut

Angin Laut adalah angin yang hembusanya kita rasakan dari laut ke darat,

angin ini terjadi pada siang hari karena suhu daratan lebih tinggi dibandingkan

suhu lautan. Gambar 2.2 (a)


9

2. Angin Darat

Angin Darat adalah angin yang hembusanya kita rasakan dari darat ke laut,

angin ini terjadi pada malam hari karena suhu lautan lebih tinggi dibandingkan

suhu daratan. Gambar 2.2 (b)

(Sumber : http://drmrenfrew.wordpress.com/ September 2013)

Gambar 2.2 (a) Angin Darat (b) Angin Laut

3. Negara yang memiliki gunung dan pegunungan

Indonesia merupakan Negara yang memiliki gunung dan pegunungan yang

beragam, potensi terbentuknya angin lembah dan angin gunung sering terjadi.

1. Angin Lembah

Angin lembah adalah angin yang hembusannya dari arah lembah ke arah

puncak gunung dan biasanya terjadi pada siang hari. Arah hembusan angin ini

disebabkan karena perbedaan temperatur antara puncak gunung dan lembah,

puncak gunung lebih dahulu menerima panas matahari sehingga tekanan yang ada

dipuncak gunung menjadi turun dan terjadi aliran udara seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.3.


10

(Sumber : www.wikipedia.org/wiki/angin, September 2013)

Gambar 2.3 Angin Lembah

2. Angin Gunung

Angin gunung adalah angin yang berhembus dari arah puncak gunung ke arah

lembah dan biasanya terjadi pada malam hari. Arah angin ini diakibatkan lembah

akan melepaskan energi panas lebih lambat dari pada puncak gunung, dan puncak

gunung yang telah mendingin akan mengalirkan udara ke lembah seperti yang

ditunjukkan Gambar 2.4.

(Sumber : www.wikipedia.org/wiki/angin, November 2013)

Gambar 2.4 Angin Gunung

2.3. Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga

angin yang dipergunakan tidak hanya sebagai penumbuk biji – bijian dan

memompa air untuk mengairi sawah tetapi dapat juga digunakan sebagai

pembangkit tenaga listrik.


11

Menurut porosnya kincir angin dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.

2.3.1 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axiz Wind Turbine (VAWT)

adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah

datangnya angin atau dengan pengertian lain kincir jenis ini dapat mengkonversi

tenaga angin dari segala arah pada orientasi arah angin horizontal.

Kincir angin poros vertikal memiliki beberapa kelebihan adalah sebagai

berikut :

1. Dapat menerima angin dari segala arah.

2. Memiliki torsi yang cukup besar walaupun putaran poros rendah.

3. Mampu bekerja pada putaran rendah.

4. Memiliki luasan frontal yang besar karena dalam perhitungan luasan

berbentuk persegi panjang.

Kincir angin poros vertikal juga memiliki beberapa kekurangan antara lain

1. Bekerja pada kecepatan angin rendah, sehingga energi yang dihasilkan

sangat kecil.

2. Pemasangan kincir angin poros vertikal yang rendah membuat resiko

kecelakaan yang besar bagi manusia.

3. Sudu yang mampu mendapatkan energi angin dinamakan downwind dan

sudu yang menolak angin dinamakan upwind, sudu bagian ini cenderung

menghambat putaran poros.

4. Dari desinnya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan

(bearing) menjadi suatu beban tambahan dari beberapa desain kincir angin

poros vertikal yang ada.

Beberapa jenis kincir angin poros vertikal antara lain seperti:


12

(a) (b) (c)

(Sumber : www.peswiki.com, November 2013)

Gambar 2.5 Kincir angin poros vertikal. (a). Magwind, (b). Windspire, (c).

Windterra

2.3.2. Kincir Angin Poros Horisontal

Kincir angin poros Horisontal atau Horizontal Axiz Wind Turbine (HAWT)

adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya sejajar dengan arah

datangnya angin atau dengan pengertian lain, kincir jenis ini dapat mengkonversi

tenaga angin dari satu arah pada orientasi arah angin horizontal.

Kincir angin poros Horisontal memiliki beberapa kelebihan adalah sebagai

berikut

1. Adanya gaya angkat yang diberikan oleh angin sehingga kecepatan sudu

kincir bisa lebih besar dari kecepatan angin.

2. Kincir ini dapat mengkonversi angin pada saat kecepatan angin tinggi.

3. Lebih aman untuk manusia karena penempatan kincir diatas 3 meter.

Selain kelebihan kincir angin jenis HAWT juga mempunyai beberapa

kekurangan antara lain :

1. Karena arah datangnya angin tidak menentu dibutuhkan mekanisme lain

selain penambahan sirip pada kincir.

2. Pembuatan dan pemasangan sudu kincir angin poros horizontal sangat

sulit sehingga membutuhkan waktu yang lama untuk pengerjaannya.


13

3. Karena penempatan kincirnya pada ketinggian yang sangat tinggi banyak

burung-burung yang tertabrak oleh sudu pada saat kicir angin sedang

beroprasi.

Beberapa jenis kincir angin poros horisontal antara lain seperti

(a) (b) (c) (d)

Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Horisontal. (a). Totempower (b). Honeywell (c).

O’Conner (d). Energy Ball (Sumber : www.peswiki.com, November 2013)

2.3.3. Kincir Angin WePOWER

Kincir angin WePOWER adalah kincir angin jenis poros vertikal buatan

perusahaan yang bernama PacWind dan bekerja sama dengan WePower, United

States lalu dikembangkan dalam proyek green energy (energi ramah lingkungan).

Kincir model ini mampu menerima angin dari segala arah dan mampu menerima

kecepatan angin yang rendah, kincir ini cocok di tempatkan pada gedung gedung

bertingkat, pedesaan, dan di rumah-rumah.

(sumber: multivu.prnewswire.com, September 2013)

Gambar 2.7. Kincir angin WePOWER


14

2.4. Rumus-Rumus Perhitungan

Berikut ini adalah rumus – rumus yang dipergunakan untuk melakukan

perhitungan dan analisa unjuk kerja kincir angin.

2.4.1. Energi Angin dan Daya Angin

Energi angin adalah tenaga yang dimiliki angin karena adanya kecepatan,

karena adanya tenaga yang dimiliki angin maka dinamakan energi kinetik angin.

Maka secara umum energi kinetik dapat dirumuskan :

= 0,5 . . ……………………………………………………….(1)

dengan:

Ek adalah energi kinetik (Joule).

m adalah massa udara (kg).

v adalah kecepatan angin (m/s).

Dari persamaan (1), didapat diketahui daya adalah energi kinetik tiap satuan

waktu (J/s) sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

= 0,5 . . ……………………………………………………….(2)

dengan:

Pa adalah daya yang dihasilkan angin (J/s). atau (watt) adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s).

v adaah kecepatan angin (m/s).

massa udara yang mengalir persatuan waktu memiliki persamaan

= . . ……………………………………………………………(3)

dengan:


15

ρ adalah massa jenis udara dalam (kg/m3).

A adalah daerah sapuan kincir angin, dalam (m2).

v adalah kecepatan angin dalam (m/s).

Dengan cara mensubtitusikan Persamaan (3) ke Persamaan (2), maka daya angin

(Pa) dirumuskan menjadi:

= 0,5 . ( . . )

disederhanakan menjadi:

= 0,5 . . . ……………………………………………………..………(4)

2.4.2. Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan poros akibat adanya kerja

yang dilakukan oleh sudu dengan cara mengkonversi energi kinetik angin menjadi

energi potensial. Daya kincir angin tidak sama dengan daya angin, karena daya

kincir angin dipengaruhi koefisien daya angin. Pada suatu penelitian yang

dilakukan oleh seorang ilmuan Jerman yang bernama Albert Betz telah ditemukan

efisiensi maksimum kincir angin, yaitu sebesar 59,3 % Angka ini dikatakan Betz

Limit, pada Gambar 2.7 diperlihatkan koefisien daya beberapa kincir angin.


16

Gambar 2.8 Grafik hubungan koefisiensi daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr)

beberapa jenis kincir (Sumber : Johnson, 2006, hal 18)

Daya kincir yang dihasilkan oleh gerak melingkar pada poros kincir angin dapat

dihitung menggunakan rumus:

= . ……………………………………………………………… (5)

dengan:

Pk adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt),

T adalah torsi (Nm).

ω adalah kecepatan sudut (rad/s).

kecepatan sudut adalah radian per detik (rad/det), satuan lain yang digunakan

adalah putaran per menit (rpm). Konversi satuan yang menghubungkan (rpm) dan

(rad/s) adalah 1 rpm = 2π/60 rad/s, maka Pers.(5) dapat dirubah menjadi :


17

= . . . …………………………………………………………….(6)

dengan:

n adalah putaran poros (rpm).

2.4.3. Torsi Kincir Angin

Gaya yang bekerja pada poros baik itu jenis kincir angin poros horizontal

ataupun kincir angin poros vertikal, ditimbulkan karena adanya gaya dorong pada

sudu-sudu kincir dikurangi dengan gaya-gaya hambat (arah putaran yang

berlawanan). Gaya dorong pada sudu ini memiliki lengan atau jarak terhadap

sumbu putaran (poros). Hasil kali kedua gaya ini disebut dengan torsi (T). Secara

teori dapat dirumuskan:

T = rlengan . F…………………………………………………………………(7)

dengan:

T adalah torsi akibat putaran poros (Nm).

rlengan adalah jari-jari puli yang 1 sistem dengan poros (m).

F adalah gaya yang diberikan pada kincir (N).

2.4.4. Tip Speed Ratio (tsr)

Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir

angin yang berputar dengan kecepatan angin yang melewatinya sudu ujung sudu

tersebut, tsr dapat dirumuskan :

tsr =. . .. .……………………………………………………..…….(8)

dengan:

r adalah jari-jari kincir (m).



18


2.4.5. Koefisien Daya (Cp)

Koefisien daya atau power coefficient (Cp) adalah bilangan tak berdimensi

yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya

yang dihasilkan oleh angin, sesuai dengan teori yang sudah ada, maka dapat

dirumuskan :

Cp = . 100% …………………………………………………………(9)

dengan

Pk adalah daya yang dihasilkan kincir (watt).

Pa adalah daya yang dihasilkan angin (watt).


19

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Diagram Alir Penelitian

Langkah kerja penelitian ditunjukkan pada diagram alir yang dapat di lihat

pada Gambar 3.1:

Gambar 3.1 Diagram Alir yang menunjukkan langkah kerja penelitian

Judul

Studi Pustaka

Konsultasi

Perancangan Kincir Angin WePower

Pembuatan Kincir Angin WePower

Pengambilan Data

Pengolahan Data

Pembahasan

Selesai

Kesimpulan

Konsultasi


20

3.2. Objek Penelitian

Objek Penelitian yang dipakai adalah kincir angin jenis WePOWER, dengan

variasi jenis besar sudu memakai pipa PVC dengan diameter 8 inci. Pipa PVC

dipotong dengan panjang 0,6 m, variasi besar sudu 900, 1200, 1500, jumlah sudu 6

ditiap variasi dan dengan sudut 50.

3.3. Perancangan Kincir Angin WePOWER

Dalam perancangan ini, parameter yang sudah diketahui adalah kincir angin

WePOWER 6 sudu, kemiringan sudu 50, panjang poros vertical 120 cm (sesuai

dengan tinggi wind tunnel), diameter kincir 0,45 m dan tinggi kincir 0,6 m

3.4. Peralatan dan Bahan

Model kincir angin WePOWER pada Gambar 3.2 memiliki 3 bagian utama

yaitu:

1. Batas sudu yang terbuat dari triplek.

2. Sudu kincir yang terbuat dari pipa PVC.

3. Poros kincir yang terbuat dari besi pejal.

Gambar 3.2. Model kincir angin WePOWER

3

2

1


21

1. Batas sudu

Tempat posisi sudu seperti yang terlihat pada Gambar 3.3 adalah

komponen tempat sudu-sudu berada sekaligus tempat untuk saling

menghubungkan komponen-komponen kincir angin. Bagian ini

merupakan salah satu komponen utama, karena bentuk dan rancangan

harus simetris. Ukuran tiap variasi sama yaitu berdiameter 0,45cm dengan

ketebalan 5mm.

Gambar 3.3 Tempat Posisi Sudu

Berikut ini merupakan gambar penempatan sudu yang akan dibuat:

Gambar 3.4 Ukuran dan posisi variasi sudu 1


22

Gambar 3.5 Variasi sudu ke 2

Gambar 3.6 Variasi sudu ke 3


23

2. Sudu

Sudu seperti dapat dilihat pada Gambar 3.7, adalah komponen kincir

yang berfungsi untuk menangkap angin. Pada komponen ini saat unjuk

kerja akan divariasikan menjadi 3 variasi besar sudu, yaitu 900, 1200, 1500

dan komponen ini terbuat dari bahan pipa PVC.

Gambar 3.7 Sudu

3. Poros

Poros seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.8 terbuat dari pipa

besi dengan panjang 120 cm dan diameter 1 inci. Poros terbuat dari bahan

yang keras dengan tujuan agar mampu menahan getaran tinggi, yang

disebabkan karena kecepatan angin yang tinggi.

Gambar 3.8. Poros


24

Adapun peralatan yang mendukung dalam pengambilan data antara lain:

1. Wind Tunnel

Komponen ini pada Gambar 3.9, wind tunnel atau terowongan angin

berfungsi untuk menangkap angin yang dihisap oleh fan blower. Sekaligus

menjadi tempat untuk pengujian kincir.

Gambar 3.9. Wind tunnel

2. Fan Blower

Komponen ini ditunjukkan pada Gambar 3.8 yang berfungsi untuk

menghisap angin atau penghasil angin yang terhubung dengan wind

tunnel. Komponen ini memiliki daya sekitar 5,5 KW.

Gambar 3.10. Fan blower


25

3. Anemometer

Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan angin dan suhu udara

yang ada di dalam wind tunnel. Anemometer ditunjukkan pada Gambar

3.11.

Gambar 3.11. Anemometer

4. Neraca Pegas

Neraca pegas yang ditunjukan pada Gambar 3.12 digunakan untuk

mengukur beban pengimbang torsi.

Gambar 3.12. Neraca pegas


26

5. Lampu pembebanan

Rangkaian lampu seperti pada Gambar 3.11 berfungsi untuk

memberikan variasi beban dalam menguji kincir angin.

Gambar 3.13. Lampu pembebanan

6. Mekanisme Pembebanan

Generator seperti ditunjukan pada Gambar 3.14 dihubungkan dengan

susunan beban lampu, yang nantinya berfungsi sebagai penghambat atau

pengerem putaran kincir dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.

Gambar 3.14. Generator


27

7. Takometer

Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan putaran kincir angin

sebagai data yang dibutuhkan. Takometer yang dipakai ditunjukkan pada

Gambar 3.15.

Gambar 3.15. Takometer

3.5. Variabel Penelitian

Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian

adalah:

1. Variasi besar sudu yaitu: 900, 1200, 1500.

2. Disetiap variasi sudu diikuti dengan 4 variasi kecepatan angin.

3. Variasi pembebanan yaitu dengan menyalakan lampu pembebanan

secara bertahap.

Variabel yang diukur sesuai dengan tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Kecepatan angin (v)

2. Putaran kincir atau poros (n)

3. Gaya penyeimbang torsi (F)

4. Suhu udara (t)


28

Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin

adalah:

1. Torsi (T)

2. Daya angin (Pa)

3. Daya kincir (Pk)

4. Koefisien daya (Cp)

5. Tip speed ratio (tsr)

3.6. Langkah Percobaan

Data-data percobaan ini diambil secara bersamaan, yaitu berupa: putaran

poros, kecepatan angin, beban pengimbang dan, temperatur udara. Langkah

pertama dalam pengambilan data penelitian adalah memposisikan kincir angin

seperti Gambar 3.16, di dalam wind tunnel.

Gambar 3.16 Setting posisi kincir angin

Saat pengambilan data hal lain yang perlu dilakukan adalah:

1. Memasang neraca pegas pada tempat yang telah ditentukan.

2. Memasang tali yang dihubungkan antara neraca pegas dengan lengan

ayun pada generator.


29

Gambar 3.17 Tali Pengait

3. Memposisikan anemometer seperti Gambar 3.18 untuk mengukur

kecepatan angin dan suhu udara didalam wind tunnel.

Gambar 3.18 Posisi anemometer

4. Menghubungkan generator kerangkaian lampu, yang berfungsi

sebagai rem atau beban.

5. Rangkaian lampu diposisikan pada posisi saklar off semua terlebih

dahulu, pengujian dilakukan hingga beberapa variasi beban lampu.

6. Jika sudah siap, nyalakan blower untuk menghembuskan angin pada

wind tunnel. Atur kecepatan angin pada wind tunnel dengan cara


30

membuka sedikit demi sedikit triplek seperti yang ditunjukkan pada

Gamber 3.19 Untuk menentukan variasi angin mulai dari sekitar 8

m/s hingga 15 m/s.

Gambar 3.19. Posisi pengaturan kecepatan angin

7. Bila kecepatan angin sudah sesuai dengan yang diinginkan, maka

pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa pengimbang

yang terukur pada neraca pegas, pembacaan temperatur udara,

mengukur putaran poros dengan takometer, mengukur kecepatan

angin udara dengan anemometer, pembacaan suhu, dan yang terakhir

pembacaan beban untuk perhitungan torsi dinamis pada neraca

pegas.

8. Ulangi langkah 5, 6, dan 7 sanpai pembebanan maksimal hingga

lengan generator yang terhubung dengan neraca pegas tidak bisa

bergerak lagi.

9. Mematikan saklar lampu pembebanan

10. Mengulangi langkah 6, 7, dan 8 hingga kincir angin tidak dapat

menyalakan lampu pembebanan dengan cara menurunkan kecepatan

angin.


31

11. Menekan tombol stop untuk mematikan blower, putar saklar blower

dari posisi on ke posisi off.

12. Melepas anemometer untuk mengganti sudu kincir angin.

13. Setelah sudu diganti ulangi langkah 1 s/d 13.

14. Melepaskan dan kembalikan semua peralatan seperti semula.

3.7. Langkah Pengolahan Data

Data yang diperoleh kemudian diolah dengan langkah berikut :

1. Dari data kecepatan angin (v) dan dengan diketahui luasan frontal

kincir (A) maka daya angin (Pa) dapat dicari dengan Persamaan (4).

2. Data beban pegas (F) dapat digunakan untuk mencari torsi dinamis (T)

dengan Persamaan (7).

3. Data putaran poros (n) dan torsi dinamis (T) dapat digunakan untuk

mencari daya yang dihasilkan kincir (Pk) dengan Persamaan (6).

4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan

kecepatan angin, maka tip speed ratio (tsr) dapat dicari dengan

Persamaan (8).

5. Dari data daya kincir (Pk) dan daya angin (Pa) maka power coeffisiet

(Cp) dapat diketahui dengan Persamaan (9).


32

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Hasil Penelitian

Dari hasil percobaan setiap variasi yaitu besar sudu 90⁰, 120⁰ dan 150⁰,

dilakukan rata-rata empat kali variasi kecepatan angin, dengan cara membuka

penutup triplek yang berada di mulut terowongan angin, kurang lebih 5 cm untuk

setiap perubahan posisi. Posisi 0 berarti penutup tidak digeser, posisi 1 berarti

triplek telah digeser 5 cm, posisi 2 berarti triplek di geser lebih jauh yaitu kurang

lebih 10 cm dan begitu pula untuk posisi 3. Untuk setiap variasi kincir angin data

dianggap selesai apabila putaran poros sudah berhenti dan gaya pembebanan (F)

tidak mengalami perubahan. Dari hasil percobaan didapatkan data seperti yang

ditunjukan pada Tabel 4.1 sampai Tabel 4.3.

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan

Contoh perhitungan yang disajikan diambil dari Tabel 4.1. Pada baris

pertama dengan kondisi triplek yang ada di mulut terowongan angin pada posisi 0.

Dari data tersebut diketahui kecepatan angin 15,3 m/s putaran poros 145 rpm gaya

pengimbang 336 gram dan suhu 270C.

4.2.1. Perhitungan Daya Angin

Untuk mengetaui daya yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan

persamaan (4) pada Sub Bab 2.4.1 yaitu:

= 0,5 . . .dengan:

Pa adalah daya angin (watt).

ρ adalah massa jenis udara (kg/m3).

A adalah daerah sapuan kincir angin (m2).



33

nilai massa jenis udara (ρ) diperoleh dengan cara interpolasi tabel massa jenis

udara yang ada pada lampiran, dari data suhu udara 270C maka ρ diperoleh 1,17

kg/m3, besarnya luas sapuan kincir (A) diperoleh dengan persamaan:

A = d . t

dengan:

d adalah diameter kincir angin (m).

t adalah tinggi kincir angin (m).

maka dengan diameter kincir 0,45 m dan tinggi kincir angin 0.6 m, maka daya

angin (Pa) sebesar:

Pa = 0,5 . . .= 0,5 . 1,17 kg/m3. (0,45 m . 0,6 m ) . (15,3)3 m3/s3

= 573,1 watt

Jadi didapatkan daya angin (Pa) sebesar 573,1 watt

4.2.2. Perhitungan Torsi

Untuk mengetahui perhitungan torsi pada kincir angin dapat dicari dengan

persamaan (7) pada Sub Bab 2.4.3. yaitu:

T = rlengan . F

dengan:

T adalah torsi yang diakibatkan putaran poros kincir (Nm).

rlengan adalah jarak lengan torsi (m).

F adalah gaya pengimbang (N).

gaya penyeimbang (F) dapat di cari dengan persamaan:


34

F = m.a

dengan:

m adalah massa yang ditunjukan pada neraca pegas (kg).

a adalah percepatan gravitasi (m/s2).

maka dengan jarak lengan 0,2 m, massa 0,336 kg dan percepatan gravitasi 9,81

m/s2 diperoleh besarnya gaya pengimbang F, maka torsi (T) :

T = r.(m.a)

T = (0,2 m).(0,336 kg . 9,81 m/s2)

T = 0,659 Nm

Diperoleh torsi (T) sebesar 0,659 Nm

4.2.3. Perhitungan Daya Kincir Angin

Untuk menghitung daya yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan

persamaan (6) pada Sub Bab 2.3.2. yaitu:

Pk = T . . .dengan:


T adalah torsi kincir angin (Nm).

n adalah putaran poros kincir (rpm).

maka dengan putaran poros 145 rpm, torsi 0,627 Nm daya kincir (Pk) sebesar:

Pk = T .. .

Pk = 0,659 .. .

Pk = 10 watt

Didapatkan daya kincir angin (Pk) sebesar 10 watt.


35

4.2.4. Perhitungan tip speed ratio (tsr)

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin tau tip speed ratio dapat dicari dengan persamaan (8) pada Sub

Bab 2.3.4 yaitu:

tsr =. . ..

dengan:

r adalah jari-jari kincir (m).



diketahui jari-jari kincir 0,225 m, putaran poros adalah 145 rpm dan kecepatan

angin 15,3 m/s maka besarnya tip speed ratio adalah:

tsr =. . ..

tsr =. . , .. , /

tsr = 0,223

Didapatkan nilai tsr sebesar 0,223

4.2.5. Perhitungan koefisien daya (Cp)

Untuk mengetahui perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir

angin (Pk) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pa), dapat menggunakan

persamaan (9) pada Sub Bab 2.4.5 yaitu:

Cp = . 100%


36

dengan


Pa adalah daya yang dihasilkan angin (watt).

dengan daya kincir sebesar 10 watt, dan daya angin 573,1 watt besarnya koefisien

daya adalah:

Cp = . 100%

Cp = , . 100%

Cp = 1,8%

Sehingga didapatkan nilai Cp sebesar 1,8%


37

Tabel 4.1. Data percobaan kincir angin dengan besar sudu 90⁰

NOKecepatan angin

(m/s)Putaran poros

(rpm)Beban(gram)

Suhu(⁰C)

1 15,3 145 336 272 15,4 131 398 26,53 15,6 127 449 26,44 15,3 101 520 26,35 15,3 75 601 26,46 15,3 62 632 26,27 15,1 53 652 25,98 12,2 99 306 26,29 12,4 66 377 26,110 12,4 49 438 2611 12,1 31 459 25,812 10,3 48 265 25,813 10,1 25 306 25,814 10,5 15 326 25,815 8,9 11 234 25,916 8,5 8 255 25,9


NOKecepatan angin

(m/s)Putaran poros

(rpm)Beban(gram)

Suhu(⁰C)

1 15,2 231 367 29,62 15,2 209 418 29,63 15,1 185 489 29,64 15,2 167 510 29,65 15 153 550 29,66 15,3 147 581 29,67 15,2 142 612 29,68 15,1 121 663 29,69 15,2 117 683 29,610 15,3 115 714 29,611 15,1 112 734 29,612 15,3 105 754 29,613 15,1 99 765 29,614 15,2 96 765 29,615 15,2 93 785 29,616 12,2 157 316 30


38

Lanjutan Tabel 4.2.

NOKecepatan angin

(m/s)Putaran poros

(rpm)Beban(gram)

Suhu(⁰C)

17 12,1 145 387 3018 12,2 126 408 3019 12,3 114 438 3020 12,2 101 479 3021 12,4 97 499 3022 12,2 87 510 3023 12,3 82 550 3024 12,2 74 550 3025 10 111 296 29,826 10,3 92 336 29,827 10,1 75 357 29,828 10,2 73 398 29,829 10,2 65 398 29,830 10,1 51 418 29,831 10,2 46 438 29,832 8,6 66 275 29,833 8,5 60 285 29,834 8,4 43 316 29,835 8,5 39 326 29,8


NOKecepatan angin

(m/s)Putaran poros

(rpm)Beban(gram)

Suhu(⁰C)

1 15,5 281 438 29,32 15,3 256 489 29,33 15,4 224 561 29,34 15,3 195 622 29,35 15,4 178 693 29,36 15,6 165 703 29,37 15,4 152 744 29,38 15,3 133 775 29,29 15,7 119 826 29,210 15,5 103 866 29,211 15,6 94 897 29,312 12,4 173 347 29,213 12,3 141 418 29,214 12,4 122 469 29,2


39

Lanjutan Tabel 4.3.

NOKecepatan angin

(m/s)Putaran poros

(rpm)Beban(gram)

Suhu(⁰C)

15 12,6 92 499 29,2

16 12,3 79 530 29,2

17 12,5 57 561 29,2

18 12,3 42 581 29,2

19 10,7 112 326 29,2

20 10,6 82 357 29,2

21 10,5 75 398 29,2

22 10,5 36 418 29,2

23 8,6 43 265 29,2

24 8,7 25 285 29,2

25 8,7 18 285 29,2

4.3. Data Hasil Perhitungan

Dengan menggunakan langkah perhitungan seperti Sub Bab 4.2. maka

diperoleh data Tabel 4.4. sampai Tabel 4.6.

Tabel 4.4. Data hasil pergitungan kincir dengan besar sudu 900

NOTorsi

DayaAngin

DayaKincir

Koefisien DayatsrPa Pk Cp

Nm watt watt %1 0,66 573,1 10 0,018 1,8 0,2232 0,78 580,8 10,7 0,018 1,8 0,23 0,88 603,9 11,73 0,019 1,9 0,1924 1,02 570,0 10,74 0,019 1,9 0,1555 1,18 569,8 9,32 0,016 1,6 0,1166 1,24 565,7 8,04 0,014 1,4 0,0967 1,28 543,2 7,03 0,013 1,3 0,0828 0,60 289,8 6,23 0,022 2,2 0,1919 0,74 304,4 5,13 0,017 1,7 0,12610 0,86 303,7 4,39 0,014 1,4 0,09311 0,90 283,1 2,95 0,010 1,0 0,06112 0,52 173,2 2,62 0,015 1,5 0,11013 0,60 166,2 1,55 0,009 0,9 0,05714 0,64 184,5 1,02 0,006 0,6 0,03415 0,46 112,3 0,54 0,005 0,5 0,03016 0,50 96,5 0,43 0,004 0,4 0,023


40

Tabel 4.5. Data hasil perhitungan kincir dengan besar sudu 1200

NOTorsi

DayaAngin

DayaKincir


Nm watt watt %1 0,72 557,1 17,40 0,031 3,1 0,3572 0,82 548,4 17,97 0,033 3,3 0,3253 0,96 533,4 18,59 0,035 3,5 0,2904 1 553,9 17,50 0,032 3,2 0,2595 1,08 533,4 17,31 0,032 3,2 0,2406 1,14 564,9 17,59 0,031 3,1 0,2277 1,2 554,9 17,80 0,032 3,2 0,2198 1,3 537,6 16,46 0,031 3,1 0,1899 1,34 552,8 16,37 0,030 3,0 0,18110 1,4 562,6 16,91 0,030 3,0 0,17811 1,44 543,0 16,81 0,031 3,1 0,17412 1,48 563,7 16,19 0,029 2,9 0,16113 1,5 544,1 15,52 0,029 2,9 0,15414 1,5 553,9 15,06 0,027 2,7 0,14815 1,54 553,9 14,99 0,027 2,7 0,14416 0,62 286,1 10,17 0,036 3,6 0,30217 0,76 277,8 11,53 0,042 4,2 0,28218 0,8 284,0 10,57 0,037 3,7 0,24419 0,86 295,4 10,28 0,035 3,5 0,21820 0,94 284,0 9,95 0,035 3,5 0,19521 0,98 302,6 9,91 0,033 3,3 0,18322 1 286,1 9,12 0,032 3,2 0,16823 1,08 293,2 9,24 0,032 3,2 0,15624 1,08 284,7 8,32 0,029 2,9 0,14225 0,58 158,7 6,75 0,043 4,3 0,26126 0,66 169,9 6,34 0,037 3,7 0,21127 0,7 161,1 5,52 0,034 3,4 0,17628 0,78 166,4 5,98 0,036 3,6 0,16929 0,78 166,9 5,28 0,032 3,2 0,14930 0,82 163,0 4,34 0,027 2,7 0,11831 0,86 165,5 4,16 0,025 2,5 0,10732 0,54 100,1 3,76 0,038 3,8 0,18233 0,56 98,0 3,53 0,036 3,6 0,16634 0,62 93,2 2,81 0,030 3,0 0,12135 0,64 96,6 2,64 0,027 2,7 0,109


41

Tabel 4.6. Data hasil perhitungan kincir dengan besar sudu 1500

NOTorsi

DayaAngin

DayaKincir


Nm watt watt %1 0,86 587,9 25,33 0,043 4,3 0,4272 0,96 563,2 25,73 0,046 4,6 0,3943 1,1 578,8 25,78 0,045 4,5 0,3424 1,22 566,5 24,93 0,044 4,4 0,3005 1,36 574,3 25,37 0,044 4,4 0,2736 1,38 592,4 23,88 0,040 4,0 0,2507 1,46 575,4 23,29 0,040 4,0 0,2338 1,52 561,2 21,22 0,038 3,8 0,2069 1,62 608,8 20,16 0,033 3,3 0,17810 1,7 586,9 18,33 0,031 3,1 0,15611 1,76 597 17,34 0,029 2,9 0,14212 0,68 297,6 12,28 0,041 4,1 0,32913 0,82 293,3 12,06 0,041 4,1 0,26914 0,92 299,8 11,79 0,039 3,9 0,23315 0,98 314,5 9,45 0,030 3,0 0,17216 1,04 291,1 8,55 0,029 2,9 0,15117 1,1 304,2 6,54 0,021 2,1 0,10718 1,14 296,2 5,05 0,017 1,7 0,08119 0,64 193,1 7,47 0,039 3,9 0,24520 0,78 184 6,16 0,033 3,3 0,16921 0,82 184 3,05 0,017 1,7 0,08022 0,52 101,7 2,35 0,023 2,3 0,11823 0,56 102 1,48 0,015 1,5 0,06924 0,56 103,1 1,03 0,010 1,0 0,048

4.4. Grafik Hasil Perhitungan

Dari data hasil penelitian dan perhitungan, maka dapat dibuat beberapa

grafik hubungan torsi dan daya kincir, torsi dan putaran poros, serta Cp dan tsr

untuk setiap variasi.


42

4.4.1. Grafik Untuk Variasi Kincir Dengan Besar Sudu 900

a. Grafik hubungan putaran poros dan torsi.

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka

dapat dibuat grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi yang dihasilkan kincir

angin untuk variasi besar sudu 900, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.

Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa besarnya putaran poros berbanding

terbalik dengan torsi yang dihasilkan dan garis yang dibentuk berupa garis lurus

karena merupakan persamaan linear.

Gambar 4.1. Grafik hubungan putaran poros dan torsi untuk variasi besar sudu 900

b. Grafik Hubungan Daya Kincir Dengan Torsi


dapat dibuat grafik hubungan daya kincir dan torsi yang dihasilkan kincir angin

untuk variasi angin tanpa pengaruh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2.

Grafik tersebut dapat diketahui bahwa hubungan torsi dengan daya kincir

membentuk suatu kurva linear.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Put

aran

por

os (

rpm

)

Torsi (kg.m)

v = 15 m/sv = 12 m/s

v = 10 m/s

v = 8 m/s


43

Gambar 4.2. Grafik hubungan daya kincir dan torsi untuk variasi besar sudu 900

c. Grafik Hubungan Cp dan tsr


dapat dibuat grafik hubungan Cp (power coefficient) dan tsr (tip speed ratio) yang

dihasilkan kincir angin untuk variasi besar sudu 900 seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 4.3. Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa hubungan koefisien daya

dengan tsr membentuk suatu kurva polynomial yang mendapat puncak pada

koefisien daya 0,022 dan tsr 0,191.

Gambar 4.3. Grafik hubungan Cp dan tsr untuk kincir angin variasi besar sudu 900

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Day

a ki

ncir

(w

att)

Torsi (kg.m)

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Cp

tsr

v = 15,1 m/s

v = 12,2 m/s

v = 10,3 m/s

v = 8,9 m/s


44

4.4.2 Grafik kincir angin 6 sudu untuk variasi besar sudu 1200

a. Grafik Hubungan Putaran Poros dan Torsi


dapat dibuat grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi yang dihasilkan kincir

angin untuk variasi besar sudu 1200, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4.

Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa pada kecepatan angin 15,2 m/s kincir

angin menghasilkan putaran poros kurang lebih 142 rpm dan menghasilkan torsi

sebesar 1,2 Nm. Dari grafik tersebut juga dapat diketahui bahwa rpm berbanding

terbalik dengan torsi yang dihasilkan.

Gambar 4.4. Grafik hubungan putaran dan torsi poros untuk variasi besar sudu

1200

b. Grafik Hubungan Daya kincir dan Torsi



untuk variasi besar sudu 1200 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5. Dari

gambar tersebut dapat diketahui bahwa pada kecepatan angin 15,1 m/s kincir

angin menghasilkan torsi sebesar 0,96 Nm dan menghasilkan daya kincir sebesar

18,59 watt.

020406080

100120140160180200220240260

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Put

aran

por

os (

rpm

)

Torsi (kg.m)

v = 15,2 m/s

v = 12,1 m/s

v = 10 m/sv = 8,6 m/s


45

Gambar 4.5. Grafik hubungan daya kincir dan torsi dengan variasi besar sudu

1200



dapat dibuat grafik hubungan Cp dan tsr, yang dihasilkan kincir angin untuk

variasi besar sudu 1200, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6. Dari gambar

tersebut dapat diketahui bahwa pada koefisien daya 0,042 dihasilkan

perbandingan kecepatan di ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin

kurang lebih 0,282.

Gambar 4.6. Grafik hubungan Cp dan tsr dengan variasi besar sudu 1200

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0.2

Day

a ki

ncir

(W

att)

00.005

0.010.015

0.020.025

0.030.035

0.040.045

0

Cp

v = 15 ,1m/s

v = 12,1m/s

v = 10m/sv = 8,6m/s

45


1200







kurang lebih 0,282.


0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Torsi (kg.m)

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

tsr

v = 15 ,1m/s

v = 12,1m/s

v = 10m/sv = 8,6m/s

45


1200







kurang lebih 0,282.


1.6 1.8

0.35 0.4

v = 15 ,1m/s

v = 12,1m/s

v = 10m/sv = 8,6m/s


46

4.4.3. Grafik untuk variasi besar sudu 1500

a. Grafik Hubungan Putaran Poros dan Torsi

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat

dibuat grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi yang dihasilkan kincir angin

untuk variasi besar sudu 1500, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7. Dari


angin menghasilkan putaran poros kurang lebih 92 rpm dan menghasilkan torsi

sebesar 0,98 Nm, dari grafik tersebut juga dapat diketahui bahwa rpm berbanding

terbalik dengan torsi yang dihasilkan.


1500

b. Grafik Hubungan Daya Kincir dan Torsi



untuk variasi besar sudu 1500 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8. Dari


angin menghasilkan torsi sebesar 1,36 Nm dan menghasilkan daya kincir sebesar

23,88 watt.

020406080

100120140160180200220240260280300

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Put

aran

por

os (

rpm

)

Torsi (kg.m)

v = 12,6 m/s

v = 15,6 m/s

v = 10 m/s

v = 8,7 m/s


47

Gambar 4.8. Grafik hubungan daya kincir dan torsi untuk variasi besar sudu 1500



dapat dibuat grafik hubungan Cp dan tsr yang dihasilkan kincir angin 6 sudu

dengan variasi besar sudu 1500, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. Dari

gambar tersebut dapat diketahui bahwa koefisien daya 0,046 dihasilkan

pergandingan kecepatan di ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin

kurang leih 0,39.

Gambar 4.9. Grafik hubungan Cp dan tsr untuk variasi besar sudu 1500

0

5

10

15

20

25

30

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Day

a ki

ncir

(w

att)

Torsi (kg.m)

00.005

0.010.015

0.020.025

0.030.035

0.040.045

0.05

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Cp

tsr

v = 15,6 m/s

v = 12,6 m/s

v = 10,5 m/sv = 8,6 m/s


48

Dari data ketiga variasi kincir angin jenis WePOWER didapat grafik perbandingan

putaran kincir dan torsi ketiga variasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10. Grafik perbandingan putaran poros dengan torsi dari ketiga variasi

besar sudu kincir

Dari ketiga variasi kincir angin tersebut didapatkan grafik perbandingan unjuk

kerja untuk ketiga variasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.11.

Gambar 4.11. Perbandingan Cp dan tsr untuk ketiga variasi kincir angin

020406080

100120140160180200220240260280300

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Put

aran

por

os (

rpm

)

Torsi (kg.m)

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Cp

tsr

Variasi besar sudu 1500



Variasi besar sudu 1500Variasi besar sudu 1200



49

4.5. Pembahasan

Dalam penelitian ini telah berhasil membuat model kincir angin jenis

“WePOWER” enam sudu dengan memvariasikan besar sudu. Memvariasikan

besar sudu ini diharapkan mampu meningkatkan unjuk kerja kincir. Seperti telah

diketahui sebelumnya bahwa kincir angin berfungsi mengkonversi energi kinetik

dari angin. Sudu-sudu kincir mengubah energi tersebut menjadi energi mekanik

yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan, seprti dihubungkan dengan

pompa air untuk irigasi, dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan

energi listrik dan kebutuhan-kebutuhan lainya. Untuk memperoleh data torsi

kincir angin diberikan variasi pembebanan. Pembebanan ini bertujuan untuk

memberikan efek pengereman ada poros kincir, beban yang diberikan mempunyai

arah yang berlawanan dengan arah putaran poros sehingga gaya yg berlawanan

arah inilah yang menjadi data torsi pada kincir angin. Dari hasil penelitian dengan

memvariasikan ketiga jenis kincir angin yaitu kincir dengan jumlah sudu 6 buah

dangan memvariasikan besar sudu 900 1200 dan 1500. Dapat dilihat pengaruh

besar sudu terhadap unjuk kerjanya, yaitu kincir angin dengan besar sudu 900

koefisien daya sebesar 2,2% pada kecepatan angin 12,2 m/s, kincir angin dengan

besar sudu 1200 mempunyai koefisien daya sebesar 4,3% pada kecepatan angin 10

m/s, dan kincir angin dengan besar sudu 1500 mempunyai koefisien daya sebesar

4,6% pada kecepatan angin 15,3 m/s.

Dari grafik Betz limit diketahui bahwa koefisien daya kincir angin jenis

“WePOWER” mengacu pada kincir angin savonius tertinggi adalah sebesar 31%

namun pada penelitian ini data yang diperoleh koefisien daya maksimal dari

variasi besar sudu 900,1200, dan 1500 yaitu 4,6%. Koefisien daya yang dihasilkan

belum cukup maksimal karena lebih banyak angin yang masuk ke sudu down

wind daripada angin yang masuk pasa sisi up wind dan berat dari kincir angin

yang kami buat tidak sebanding dengan luasan sapuan angin, sehingga daya yang

dimiliki oleh ketiga kincir yang kami buat belum maksimal.


50

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari pengujian model kincir angin jenis “WePOWER” yang telah

dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Telah dibuat kincir angin jenis “WePOWER” dengan luas frontal 0,27m2,

sudu terbuat dari potongan pipa PVC 8 inci, derajat kemiringan sudu 50

dan dengan memvariasikan besar sudu 900,1200,1500.

2. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan kincir angin jenis WePOWER

dengan jumlah sudu 6 buah dan besar sudu 900 adalah sebesar 2,2%

dengan nilai tsr 0,191. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan kincir

angin jenis WePOWER dengan jumlah sudu 6 buah dan besar sudu 1200

adalah sebesar 4,3% dengan nilai tsr 0,261. Koefisien daya maksimal yang

dihasilkan kincir angin jenis WePOWER dengan jumlah sudu 6 buah dan

besar sudu 1500 adalah sebesar 4,6% dengan nilai tsr 0,394.

3. Kincir angin WePOWER dengan variasi besar sudu 1500 memiliki nilai

koefisien daya dan tip speed ratio terbaik dibandingkan kedua variasi

lainya.

5.2. Saran

Setelah dilakukan penelitian ini ada beberapa hal dapat menjadi saran untuk

penelitian selanjutnya antara lain:

1. Bisa dilakukan penelitian lebih lanjut menggunakan bahan yang lebih

ringan dari pada pipa PVC.

2. Untuk penelitian lebih lanjut bisa ditambahkan pengaruh datangnya

angin.

3. Kepresisian dalam pemasangan kincir angin perlu diperhatikan untuk

mendapatkan hasil yang akurat.


51

4. Untuk penelitian selanjutanya khusus untuk kincir angin poros vertikal

lebih memperhatikan bearing yang ada pada dudukan poros kincir

karena adanya keausan pada bearing tersebut.


DAFTAR PUSTAKA

Catherine, The cooling after 1940 shows Co2 does not cause warming, ;www.newscientist.com 2007

Cengel , Yunus A., Boles, Michael A. Thermodynamics An EngineeringApproach , Fifth Edition, ; New York 2006

Endro Pramulat Sito 2011. Unjuk kerja Model Kincir Angin Savonius Dua TingkatDengan Sirip-Sirip Pengarah Pada Lingkar Terluar Kincir MahasiswaProgram Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains DanTeknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Skripsi, tidakditerbitkan. Yogyakarta: FST USD.

Gail Tverberg. World energy consumption since 1820 in charts.;ourfiniteworld.com 2012

Johnson, G.L. Wind Energy system, ; Manhattan 2006

Sugeng Budi Prasetya 2007. Unjuk Kerja Model Kincir Angin Savonius DuaTingkat Dua Sudu Dengan Dua Variasi Porsi Busur Lingkaran Pada SuduMahasiswa Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin FakultasSains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Skripsitidak diterbitkan. Yogyakarta: FST USD.

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

www.kincirangin.info/plta-gbr.php

http://drmrenfrew.wordpress.com.


55

LAMPIRAN

Tabel Sifat Udara


56

Gambar kincir angin WePOWER 6 sudu


Gambar Batas Sudu


Gambar Poros kincir


Gambar sudu kincir dari pipa PVC diameter 8 inci


Gambar penempatan sudu


UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN WEPOWER DENGAN …1].pdfTujuan penelitian ini adalah untuk...

Documents

Transcript of UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN WEPOWER DENGAN …1].pdfTujuan penelitian ini adalah untuk...