PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN Disusun Oleh : SRI YUWONO M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2012

2 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 5 Juni 2012 SRI YUWONO iii

3 MOTTO Kami tiada membebani seseorang melainkan menurut kesanggupannya, -*- al-mu minun : 62 -*- Bermimpilah, maka Tuhan akan memeluk mimpi-mimpi itu. -*- Arai Sang Pemimpi -*- Bukanlah seberapa besar mimpimu, tapi seberapa besar dirimu untuk mimpi itu. -*- Pak Balia Sang Pemimpi -*- Katakanlah: Sesungguhnya sholatku, ibadahku, hidupku dan matiku hanyalah untuk Allah, Rabb semesta alam. -*- al-an aam : 162 -*- iv

4 PERSEMBAHAN Karya ini kupersembahkan kepada : Ayahanda dan Ibunda Tercinta Kakak dan adikku Almamaterku UNS Pembaca v

5 PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN SRI YUWONO Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Turbin overshot dapat mengkonversi energi air sedangkan turbin savonius dapat mengkonversi energi angin. Penelitian ini dilakukan dengan menggabungkan turbin overshot dengan turbin savonius tipe L sehingga mampu mengkonversi energi air sekaligus energi angin. Turbin overshot dibuat dengan 12 bilah sedangkan tubin savonius tipe L dibuat dengan 3 bilah. Roda gigi (gear) kerucut dengan jumlah gigi 10 dan 16 digunakan untuk menghubungkan turbin savonius poros vertikal dengan turbin overshot poros horisontal. Variasi dilakukan pada rasio gear kerucut dengan jumlah gigi 16:10 dan 10:16 pada poros turbin savonius dengan poros turbin oveshot. Untuk meningkatkan jumlah putaran poros dinamo, gear kerucut dengan jumlah gigi 10 dipasang pada poros dinamo dari pada roda gigi kerucut dengan jumlah gigi 16. Penggabungan turbin overshot dengan turbin savonius tipe L mampu mengkonversi energi air dan angin secara bersamaan sehingga menghasilkan output tegangan yang lebih baik dari pada turbin overshot dan turbin savonius tidak digabung. Kata kunci : turbin overshot, turbin savonius, gear kerucut vi

6 ELECTRIC GENERATOR USING COMBINE WATER AND WIND TURBINES AS A RENEWABLE ENERGY SOURCE SRI YUWONO Physics Department, Faculty of Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT In this research, we combine overshot turbine and savonius turbine type L to convert both water power and wind power. Overshot turbine that converts water power is made of 12 blades and savonius turbine that converts wind power type L is consist of 3 blades. Bevel gear that consists of 10 and 16 gears was used to connect vertical axis savonius turbine with horizontal axis overshot turbine. We investigated a variation on the ratio of bevel gear in the savonius turbine s axis and the overshot turbine s axis as 16:10 and 10:16 respectively. To increase number of rotation of dynamo s axis, bevel gear that consists of 10 gears was used in the dynamo s axis instead of 16 gears. Our conclusion, the combination of overshot turbine and sovonius turbine produce better output power than overshot turbine or savonius turbine. Keywords : overshot turbine, savonius turbine, bevel gear vii

7 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr.Wb. Alhamdulillahirobbil alamiin, Puji syukur kepada Allah SWT atas limpahan nikmat dan karunia-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi dengan judul PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK PERPADUAN TENAGA AIR DAN TENAGA ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN. Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan skripsi ini mengalami berbagai kendala karena keterbatasan dan kemampuan penulis. Banyak pihak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. Dengan rasa tulus dan ikhlas penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Ari Handono R, M.Sc, Ph.D selaku Pembimbing I yang telah sabar memberikan dorongan, saran dan bimbingannya untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc. selaku pembimbing II atas kesabaran beliau dalam membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Segenap dosen pengajar yang selama ini memberikan banyak pengetahuan dan pengalaman. 4. Teman-teman seatap : Anto, Khoiruddin, Hendrik, dan Sidiq, yang senantiasa menemaniku dikala senang maupun susah. 5. Teman seperjuangan : Hakim, Jono, Gunawan, Caga, dan Nakif yang telah banyak membantu. 6. Teman-teman Fisika 2007 atas motivasi dan bantuannya. 7. Nekaters Fisika 2005 : Novan, Aris, Sartono, Haikal, Adie, Ridho, Haved, dll. yang telah berbagi cerita dan pengalamannya. 8. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik dalam pelaksanaan Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan Skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin. viii

8 Penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna perbaikan di masa datang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada. Amiin Yaa Robbal Alamin. Wassalamu alaikum Wr.Wb. Surakarta, 5 Juni 2012 Penulis ix

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN MOTTO... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v HALAMAN ABSTRAK... vi HALAMAN ABSTRACT... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR SIMBOL... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Energi Angin Tip Speed Ratio (TSR) Turbin Angin Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Turbin Darrieus Turbin Savonius Energi Air Turbin Air Turbin Air Overshot Turbin Air Undershot Turbin Air Breastshot Turbin Air Tub Perbandingan Roda Gigi (Gear Ratio) Dinamo BAB III METODOLOGI PENELITIAN Metode Penelitian Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Bahan Alat Kerja Alat Ukur Prosedur Penelitian Persiapan Alat dan Bahan x Halaman

10 Desain dan Pembuatan Turbin Perakitan Alat Pengujian Alat dan Pengambilan Data Pengolahan dan Analisa Data Kesimpulan dan Saran BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran Putaran Dinamo Tip Speed Ratio (TSR) Turbin Angin Pengukuran Output Tegangan dan Arus Listrik Dinamo BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN - LAMPIRAN xi

11 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Daya Turbin Air. 31 Tabel Tabel Tabel Tabel 4.2. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 16: Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 10: Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 16: Table 4.5. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 10: Halaman xii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Data kecepatan angin rata-rata Indonesia.. 4 Gambar 2.2. Grafik hubungan antara TSR dengan daya turbin angin... 7 Gambar 2.3. Turbin angin sumbu mendatar... 8 Gambar 2.4. Turbin angin sumbu vertikal.. 9 Gambar 2.5. Tipe rotor savonius 10 Gambar 2.6. Rotor savonius 11 Gambar 2.7. Turbin air tipe overshot.. 12 Gambar 2.8. Turbin air tipe undershot 13 Gambar 2.9. Turbin air tipe breastshot Gambar Turbin air tipe tub.. 14 Gambar 3.1. Alat Ukur Gambar 3.2. Diagram alir penelitian.. 19 Gambar 3.3. Desain turbin air overshot.. 20 Gambar 3.4. Desain turbin savonius tipe L dengan tiga bilah.. 21 Gambar 3.5. Rangkaian alat gabungan turbin air dan turbin angin.. 22 Gambar 3.6. Turbin air tidak terhubung dengan turbin angin.. 23 Gambar 3.7. Pengujian turbin angin (poros turbin air tidak tersambung dengan poros dinamo) 23 Gambar 4.1. Grafik Hubungan Debit Air Terhadap Putaran Dinamo Hasil Pengujian Turbin Air.. 26 Gambar 4.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran Dinamo Hasil Pengujian Turbin Angin.. 26 Gambar 4.3. Grafik hubungan kecepatan angin dengan putaran dinamo hasil pengujian combined water and wind turbine 28 Gambar 4.4. Grafik hubungan debit air dengan putaran dinamo hasil pengujian combined water and wind turbine xiii Halaman

13 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan m Massa Kilogram v Kecepatan aliran angin Meter/Sekon E k Energi kinetik Joule ρ Kerapatan Kilogram/Meter 3 Q Debit Meter 3 /Sekon P k Daya aliran angin Watt A Luas penampang Meter 2 P T Daya Betz Watt Kecepatan sudut Radian/Sekon R Jari-jari turbin Meter E p Energi potensial Joule P p Daya air Watt h Beda tinggi Meter g Percepatan gravitasi Meter/Sekon 2 ε GGL induksi Volt P Daya listrik Watt V Tegangan listrik Volt I Arus listrik Ampere Φ Fluks magnet Weber N g Efisiensi generator Persen N b Efisiensi roda gigi Persen C p λ Z n Koefisien daya turbin Tip speed ratio Jumlah gigi gear Jumlah putaran roda gigi N Jumlah lilitan xiv

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Perhitungan. 37 Lampiran 2. Grafik hasil pengujian 46 Lampiran 3. Gambar alat 57 xv

15 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Indonesia memiliki potensi cadangan energi baru dan terbarukan yang sangat besar, namun pemanfaatannya masih belum maksimal. Berdasarkan data Kementerian ESDM tahun 2009, kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga air baru mencapai 5.711,29 MW atau sekitar 7,6 persen dari total potensi yang ada. Sementara untuk yang skala mini atau mikro mencapai MW atau sekitar 0,29 persen dari total potensi yang ada. Pemerintah terus mendorong upaya pemanfaatan tenaga air, khususnya skala mini atau mikro sebagai pembangkit tenaga listrik karena itu dapat memberikan manfaat nyata bagi masyarakat. Dalam mengembangkan pembangkit mikro hidro, ada dua pendekatan yang dilakukan saat ini, yaitu melalui pendanaan yang berasal dari pemerintah, secara komersial melalui berbagai macam pola investasi dan pengusahaan atau swadaya masyarakat. Salah satu cara untuk mengatasi ketergantungan dan semakin langkanya minyak bumi adalah dengan menggunakan sumber energi alternatif yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Salah satu sumber alternatif adalah dari energi terbarukan. Energi terbarukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angin, biogas, biomass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: Sumbernya relatif mudah didapat; dapat diperoleh secara melimpah dan tidak menimbulkan polusi serta tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar. Diantara energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi air dan angin. Air dan angin memiliki kesamaan yakni termasuk zat alir (fluida). Energi air dan angin dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik yakni energi tersebut dirubah terlebih dahulu menjadi energi mekanik oleh sebuah turbin yang kemudian menggerakkan rotor generator sehingga menghasilkan energi listrik. Selain itu, energi air juga dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan commit mesin to tekstil. user Sedangkan, energi angin dapat 1

16 2 dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan atau udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang tinggi dan kondisi topografi daratan yang bergunung-gunung dengan aliran sungai serta hembusan angin berpotensi untuk dikembangkan sebagai tenaga pembangkit listrik (Daryanto, 2007). Berkait dengan hal tersebut maka dengan memanfaatkan kedua sumber energi tersebut yakni air dan angin, diharapkan menjadi suatu terobosan baru sebagai solusi alternatif untuk memenuhi kebutuhan energi. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun maupun aliran air sungai. Terdapat empat jenis turbin air yakni turbin air overshot, undershot, breastshot, dan tub. Turbin air overshot paling banyak digunakan dibandingkan dengan jenis turbin air yang lain. Turbin air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda turbin berputar (Sudianto, 2009). Turbin angin yang sesuai untuk kecepatan angin rendah adalah turbin Savonius. Turbin ini memiliki torsi awal yang besar pada kecepatan angin rendah (Kamal dan Islam, 2008). Turbin Savonius termasuk turbin tipe sumbu tegak (vertical axis) yang rotornya dapat berputar untuk semua arah angin. Turbin Savonius mempunyai dua jenis rotor yakni rotor Savonius tipe U dan tipe L. Rotor Savonius L ini memiliki kelebihan dari Savonius U, yaitu pada Savonius L angin yang menumbuk rotor lebih banyak mengalir ke bilah rotor lainnya melalui celah di pusat turbin, sehingga memberikan energi tambahan pada bilah rotor ini (Soelaiman dkk, 2007). Penelitian ini berupaya menghadirkan solusi alternatif energi yang ramah lingkungan yakni dengan menggabungkan turbin air overshot yang memanfaatkan energi air dengan turbin savonius tipe L yang memanfaatkan energi angin sebagai tenaga pemutar generator. Turbin air overshot dengan poros horisontal dan turbin savonius tipe L dengan poros vertikal dihubungkan menggunakan roda gigi kerucut. Dengan demikian diharapkan commit diperoleh to user output tegangan yang lebih besar.

17 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut, perumusan masalah pada penelitian ini difokuskan pada desain dan pembuatan alat yang merupakan penggabungan turbin air overshot dengan turbin savonius tipe L untuk mengkonversi energi air dan angin secara bersamaan menjadi energi listrik untuk memperoleh hasil yang lebih baik dari pada kedua turbin tidak digabungkan Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mendesain alat yang merupakan penggabungan turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe L (combined water and wind turbine). 2. Menguji kinerja penggabungan turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe L (combined water and wind turbine) pada tegangan yang dihasilkan dinamo Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penelitian ini adalah memberikan manfaat pada perkembangan energi terbarukan. Dengan terciptanya alat pengkonversi yang mampu merubah energi air dan angin secara bersamaan menjadi energi listrik, maka diharapkan di masa depan dapat diterapkan di masyarakat secara luas sebagai salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.

18 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Energi Angin Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah atau dari daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi (Soelaiman dkk., 2007). Adapun data kecepatan rata-rata angin di Indonesia dapat dilihat pada gambar di bawah ini yang didapat dari NASA. Gambar 2.1. Data Kecepatan Angin Rata-rata Indonesia (Nehemia, 2009) Dari Gambar 2.1. dapat dilihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata terbesar adalah daerah Nusa Tenggara, 5,5-6,5 m/s. Sedangkan pulau-pulau besar di Indonesia, seperti Sumatera, Kalimantan, Jawa, Sulawesi dan Papua hanya memiliki kecepatan angin rata-rata antara 2,7 4,5 m/s. Kecepatan angin pada daerah-daerah di Indonesia memang relatif lebih kecil dari daerahdaerah konsumen energi angin seperti Finlandia, Belanda, dan Amerika Serikat (Nehemia, 2009). 4

19 5 Angin yang berhembus dengan massa m dan kecepatan v akan menghasilkan energi kinetik sebesar: E k = 1 2 mv2 (2.1) Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu dengan kerapatan, yaitu: m = ρq (2.2) dimana Q volume udara persatuan waktu (debit) yang bergerak dengan kecepatan v melewati daerah seluas A yakni: Q = Av (2.3) Maka energi kinetik angin yang berhembus persatuan waktu (daya) ialah sebagai berikut (Sargolzaei, 2007): dimana : P k = 1 2 (ρav)v2 = 1 2 ρav3 (2.4) P k adalah daya aliran angin (watt) ρ adalah densitas udara (kg/m 3 ) A adalah luas penampang aliran angin (m 2 ) v adalah kecepatan aliran angin (m/s) Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah: P T = ρav3 (2.5) Angka 16/27 (=59,3%) ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0,593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi menjadi daya mekanik. Dalam hal ini, meski dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung dengan tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang digunakan. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung sudu, efisiensi aerodinamik dari rotor (η), η rotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada harga maksimum 0,45 untuk sudu yang dirancang dengan sangat baik (Daryanto, 2007).

20 6 Daya yang mampu diekstraksi oleh turbin angin ditunjukkan sebagai berikut (Ajao and Adeniyi, 2009): P k = k 1 2 ρav3 (2.6) k = C p N g N b dimana : C p = koefisien daya turbin (batas Betz) N g = efisiensi generator N b = efisiensi roda gigi 2.2. Tip Speed Ratio (TSR) Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin. TSR dilambangkan dengan Alam and Iqbal, 2010). λ = ωr v (2.7) dengan tip speed ratio kecepatan sudut turbin (rad/s) = 2.π.rpm 60 R jari-jari turbin (m) v = kecepatan angin (m/s) Selain menggunakan persamaan di atas, TSR juga dapat diperoleh dari persamaan: λ = blade tip speed v Blade tip speed merupakan kecepatan ujung bilah atau rotor, dimana: (2.8) blade tip speed = rotational speed rpm.π.d 60 (2.9) dengan D adalah diameter turbin dalam satuan meter. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian bilah (blade) yang mengalami gaya angkat (lift) dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya hambat (drag) (Soelaiman dkk., 2007).

21 7 Nilai TSR berhubungan dengan daya yang mampu dibangkitkan oleh turbin angin. Sesuai batas Betz pada persamaan (2.5), daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin hanya 59,3%. Sedangkan daya yang dapat dibangkitkan dari putaran rotor turbin savonius dapat dihitung melalui pendekatan teori Betz seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Grafik Hubungan antara TSR dengan Daya Turbin Angin (Khan et.al., 2010) 2.3. Turbin Angin Desain turbin angin secara umum terbagi menjadi dua, yaitu turbin angin sumbu mendatar (Horizontal Axis Wind Turbine) dan sumbu vertikal (Vertical Axis Wind Turbine) Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) merupakan turbin yang poros utamanya berputar menyesuaikan arah angin. Agar rotor dapat berputar dengan baik, arah angin harus sejajar dengan poros turbin dan tegak lurus terhadap arah putaran rotor. Biasanya turbin jenis ini memiliki bilah berbentuk airfoil seperti bentuk sayap pada pesawat seperti commit terlihat to user pada Gambar 2.3. Pada turbin ini,

22 8 putaran rotor terjadi karena adanya gaya angkat (lift) pada bilah yang ditimbulkan oleh aliran angin. Turbin ini sesuai digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi, dan banyak digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar. Jumlah bilah pada HAWT bervariasi, mulai dari satu bilah, dua bilah, tiga bilah, dan banyak bilah (multi blade) yang penggunaannya disesuaikan dengan kebutuhan dan kondisi angin. Secara umum semakin banyak jumlah bilah, semakin tinggi putaran turbin. Gambar 2.3. Turbin Angin Sumbu Mendatar (Breeze, 2005) Setiap desain rotor mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan turbin jenis ini, yaitu memiliki efisiensi yang tinggi, dan cut-in wind speed rendah. Kekurangannya, yaitu turbin jenis ini memiliki desain yang lebih rumit karena rotor hanya dapat menangkap angin dari satu arah sehingga dibutuhkan pengarah angin selain itu penempatan dinamo atau generator berada di atas tower sehingga menambah beban tower Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus, dan H rotor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.

23 9 Turbin Savonius memanfaatkan gaya hambat (drag) sedangkan Darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya angkat (lift) (Elmabrok, 2009). Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak dipengaruhi arah angin. Turbin angin jenis ini dapat menangkap angin dari segala arah (Soelaiman dkk, 2010). Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT. a.) Savonius Rotor b.) Darrieus Rotor c.) H Rotor Gambar 2.4. Turbin Angin Sumbu Vertikal (Breeze, 2005) VAWT awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil Turbin Darrieus Turbin Darrieus pertama diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun an. Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai sudu tegak yang berputar ke dalam dan ke luar dari arah angin.

24 Turbin Savonius Salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang dapat digunakan pada angin dengan kecepatan rendah adalah turbin angin Savonius. Turbin ini ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada tahun Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu setengah silinder. Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti desain rotor yang berbentuk huruf L (lihat Gambar 2.5.). (a) Tipe U (b) Tipe L Gambar 2.5. Tipe Rotor Savonius (Soelaiman dkk, 2007) Pada rotor Savonius, angin yang berhembus salah satu bilah rotor diharapkan lebih banyak mengalir ke bilah rotor lainnya melalui celah di sekitar poros sehingga menyediakan daya dorong tambahan pada bilah rotor ini, akibatnya rotor dapat berputar lebih cepat. Dari paten pengembangan rotor Savonius L oleh Sadaaki et.al. (2003) seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.6. terlihat bahwa pada bentuk rotor Savonius setengah lingkaran (Savonius U), aliran udara di kedua sisi bilah sama besar, sementara pada rancangan 14 kedua (Savonius L) aliran udara pada sisi bilah yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran (Soelaiman dkk, 2007).

25 11 (a) Rotor Savonius tipe U (b) Rotor Savonius tipe L Gambar 2.6. Rotor Savonius (Sadaaki et.al., 2003) 2.4. Energi Air Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanik maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan turbin air yang memanfaatkan adanya aliran air. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya beda tinggi (head) dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir (bendungan) air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu : E p = mgh (2.10) dengan: m adalah massa air (kg) h adalah beda tinggi (m) g adalah percepatan gravitasi (m/s 2 ) Daya merupakan energi potensial persatuan waktu, sehingga: P p = ρqgh (2.11) dengan: P p adalah daya potensial air (watt) Q adalah kapasitas aliran (m 3 /s) ρ adalah densitas air (kg/m 3 )

26 12 Daya air yang mampu diekstraksi oleh turbin air yakni (Farret and Simoes, 2006): P p = ηρqgh (2.12) dengan η adalah efisiensi turbin air sederhana yang bernilai 0,6 (Farret and Simoes, 2006) Turbin Air (Water Turbine) Turbin air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros turbin. Ada beberapa tipe turbin air yaitu : 1. Turbin Air Overshot 2. Turbin Air Undershot 3. Turbin Air Breastshot 4. Turbin Air Tub Turbin Air Overshot Turbin air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda Turbin berputar (lihat Gambar 2.7). Turbin air overshot adalah Turbin air yang paling banyak digunakan dibandingkan dengan jenis Turbin air yang lain. Gambar 2.7. Turbin Air Tipe Overshot (Sudianto, 2009)

27 Turbin Air Undershot Turbin air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari Turbin air (lihat Gambar 2.8). Turbin air tipe undershot tidak mempunyai tambahan keuntungan dari head. Tipe ini cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata. Gambar 2.8. Turbin Air Tipe Undershot (Sudianto, 2009) Turbin Air Breastshot Turbin air breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter Turbin, arah aliran air yang menggerakkan Turbin air disekitar sumbu poros dari Turbin air. Turbin air jenis ini memperbaiki kinerja dari Turbin air tipe undershot (lihat Gambar 2.9). Gambar 2.9. Turbin Air Tipe Breastshot (Sudianto, 2009)

28 Turbin Air Tub Turbin air tub merupakan turbin air yang turbinnya diletakkan secara horisontal dan sudu-sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat dibuat lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot. Karena arah gaya dari pancuran air menyamping maka energi yang diterima oleh turbin yaitu energi potensial dan kinetik (lihat Gambar 2.10). Gambar Turbin Air Tipe Tub (Sudianto, 2009) 2.6. Perbandingan Roda Gigi (Gear Ratio) Perakitan atau hubungan roda gigi di dalam transmisi, antara roda gigi pemutar dan roda gigi yang diputar dapat diperoleh berbagai kondisi seperti berikut ini : Perbandingan kecepatan putaran yang dapat berbeda atau sama Perbandingan momen yang dapat berbeda atau sama Arah putar yang berbeda atau sama Roda gigi kecil (A) bila berlangsung memutar roda gigi (B) yang lebih besar maka akan diperoleh : Putaran roda gigi B lebih lambat Momen roda gigi B lebih besar Arah putar roda gigi B berlawanan dengan roda gigi A

29 15 Begitu pula sebaliknya, jika roda gigi pemutar adalah roda gigi yang lebih besar maka akan diperoleh : Putaran roda gigi yang diputar lebih cepat Momen roda gigi yang diputar lebih kecil Arah putaran roda gigi yang diputar berlawanan arah dengan pemutar Putaran roda gigi yang diputar yang lebih lambat atau lebih cepat dengan momen menjadi lebih kecil atau lebih besar, tergantung dari jumlah gigi pada roda gigi yang pemutar dan roda gigi yang diputar (Sularso dan Kiyokatsu, 1997). Reduksi roda gigi dilakukan untuk mereduksi atau mengurangi putaran poros dari motor dengan menggunakan transmisi roda gigi. Berikut adalah persamaan dalam mereduksi putaran berdasarkan jumlah roda gigi : n 4 n 1 = N 1 N 3 x N 3 N 4 atau n a n b = N b N a Atau : n a n b = Z b Z a atau Z b = n a.z a n b (2.13) dengan : N a = Z a : Jumlah gigi roda gigi penggerak N b = Z b : Jumlah gigi roda gigi yang digerakan n a : Putaran roda gigi penggerak (rpm) : Putaran roda gigi yang digerakan (rpm) n b 2.7. Dinamo Dinamo adalah suatu alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerja dinamo dapat dipelajari menggunakan teori medan elektromagnetik. Dinamo terdiri dari bagian yang bergerak (rotor) dan bagian yang diam (stator). Pada poros dinamo sebagai rotor dipasang material ferromagnetik permanen. Disekeliling poros terdapat stator yang merupakan kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros mulai berputar maka terjadi perubahan medan magnet (B) yang menembus permukaaan kumparan kawat (flux), sehingga menurut Faraday akan menghasilkan GGL induksi, sesuai dengan persamaan:

30 16 ε = N dφ dt (2.14) Karena fluks magnetik Φ = B.A. cos θ, dimana θ = ω.t, maka GGL induksi pada Persamaan menjadi: ε = N db.a.cos (ω.t) dt (2.15) Sehinngga GGL induksi pada dinamo sesuai dengan persamaan: ε = N. B. A. ω sin ωt (2.16) Dalam hai ini: ε = GGL induksi (volt) N = jumlah lilitan dφ dt = perubahan fluks tiap satuan waktu (wb/s) ω = kecepatan sudut kumparan saat berputar (rad/s) Dinamo menghasilkan tegangan V dan arus listrik I sehingga dapat dihitung besarnya daya listrik P yang dihasilkan dinamo dengan menggunakan persamaan berikut (Sudianto, 2009): P = V. I (2.17)

31 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental. Kegiatan yang dilakukan meliputi pembuatan turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe L yang terintegrasi dengan dinamo. Pengambilan data dilakukan dengan mengukur putaran dinamo dan output tegangan yang dihasilkan dinamo untuk setiap variasi debit air dan kecepatan angin Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan mulai dari bulan Maret 2011 sampai dengan Mei 2012 di Laboratorium Bengkel Jurusan Fisika Fakultas MIPA dan Sub Laboratorium Fisika UPT Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta Alat dan Bahan Bahan 1. Dinamo Oriental Motor M C4 2. Plat alumunium (tebal = 0,2 cm) 3. As (diameter = 1 cm) 4. Rangka siku besi 5. Pillow block + laker 6. Roda gigi kerucut (jumlah gigi 10 dan16) 7. Pipa paralon 8. Knee (sambungan paralon) 9. Baut + mur, sekrup 10. Papan kayu 120 cm x 60 cm x 2 cm 11. Pompa air 12. Kran air (3/4 inchi) 13. Kabel 14. Blower 17

32 Dimmer 16. Bak air Alat Kerja 1. Obeng plus+minus 2. Palu 3. Bor tangan listrik 4. Amplas 5. Grinda tangan listrik 6. Penggaris siku 7. Penggaris 8. Pensil + spidol 9. Gergaji besi 10. Pisau cuter 11. Tang Alat Ukur 1. Tachometer digital untuk mengukur besar putaran dinamo 2. Anemometer Digital Testo 400 versi 1.2 untuk mengukur kecepatan angin blower 3. Multimeter digital untuk mengukur output arus dan tegangan dinamo a.) Tachometer b.) Anemometer c.) Multimeter Gambar commit 3.1. to Alat user Ukur

33 Prosedur Penelitian Persiapan alat dan bahan Desain dan pembuatan turbin Perakitan alat Pengujian alat dan pengambilan data Pengolahan dan analisa data Kesimpulan dan saran Gambar 3.2. Diagram Alir Penelitian Persiapan Alat dan Bahan Persiapan meliputi alat-alat yang akan digunakan seperti obeng, gergaji, bor serta penggaris, dan bahan dasar turbin yakni alumunium dengan tebal 0,2 cm, bahan dasar meja peraga yakni papan kayu serta rangka siku besi, dan bahan pendukung lainnya Desain dan Pembuatan Turbin Pada penelitian ini dibuat turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe L. Keduanya dibuat dari bahan alumunium yang merupakan material yang bersifat tahan korosi, ringan dan mudah dibentuk. Pada langkah ini terlebih dahulu dimulai dengan mendesain turbin kemudian dilanjutkan proses pembuatan turbin sesuai desain yang telah dibuat.

34 20 Turbin air overshot dengan bentuk sudu lengkung dengan ukuran penampang dimana lebar sudu 15 cm dan panjang sudu 30 cm. Sedangkan untuk kelengkungan sudu dapat dihitung dari Persamaan 3.1 (Sudianto, 2009) : Y = 0,326 x r (inchi) (3.1) Dengan: r = jari-jari turbin = 0,15 m = 5,90 inchi (1 inchi = 2,54 cm) maka Y = 0,326 x 5,90 inchi = 1,92 inchi = 4,88 cm Jumlah sudu lengkung yang digunakan adalah 12 buah dengan posisi letaknya 30 o terhadap sumbu poros turbin. Desain turbin air overshot ditunjukkan pada Gambar 3.3. Gambar 3.3. Desain Turbin Air Overshot

35 21 Turbin savonius tipe L merupakan kombinasi dari profil datar dan lengkungan. Pada penelitian ini turbin savonius dibuat dengan tiga bilah karena lebih setimbang dan kelengkungan bilah lebih halus untuk dapat menangkap energi angin secara efektif (Vanderhey et.al., 2008). Turbin savonius ini memiliki ukuran tinggi 20 cm, jari-jari 14,6 cm dan panjang busur 10,3 cm. Seperti terlihat pada Gambar 3.4. a.) Tampak atas b.)tampak depan Gambar 3.4. Desain Turbin Savonius Tipe L dengan Tiga Bilah Perakitan Alat Turbin air overshot dan turbin savonius tipe L dirangkai dengan as, pillow block, roda gigi (gear), dinamo serta blower sebagai sumber angin dan pompa air sebagai sumber air disusun pada meja peraga seperti terlihat pada Gambar 3.5. Poros dinamo tidak dapat terhubung langsung dengan poros horisontal oleh karenanya digunakan gear lurus untuk menghubungkan poros dinamo dengan poros horisontal yang selanjutnya poros ini disebut poros dinamo. Pada poros horisontal terdapat kopel (sambungan) poros yang berfungsi untuk memutus atau menyambung poros turbin air dengan poros dinamo. Poros turbin angin dihubungkan dengan poros dinamo menggunakan gear kerucut.

36 22 turbin angin dinamo Poros turbin angin blower turbin air Roda gigi kerucut kopel Poros dinamo Pompa air Bak air Gambar 3.5. Rangkaian Alat Gabungan Turbin Air dan Turbin Angin Sepasang gear kerucut yang digunakan memiliki jumlah gigi 10 (Z 1 ) dan 16 (Z 2 ). Efisiensi transmisi gear kerucut tersebut sebesar 91,88 % yang diperoleh dari persamaan 3.2 (Khurmi and Gupta, 2005). η = 1 1 n Z 1 +Z 2 Z 1.Z 2 (3.2) Pengujian Alat dan Pengambilan Data Pengujian alat berfungsi untuk mengetahui seberapa jauh kerja dari alat yang telah dibuat. Terlebih dahulu dilakukan pengukuran debit air dan kecepatan angin. Sumber air berasal dari pompa air. Debit air keluaran pompa air diukur dengan gelas beker yakni banyaknya air yang ditampung tiap satuan waktu. Kemudian debit air diatur pada debit 0,58 L/s, 0,63 L/s, 0,67 L/s. Sedangkan sumber angin berasal dari blower. Kecepatan angin diukur dengan anemometer. Kecepatan angin dari blower diatur pada kecepatan 4,5 m/s, 5,5 m/s, 6,5 m/s, 7,5 m/s, 8,5 m/s.

37 23 Pengambilan data terdiri dari pengukuran putaran poros dinamo, dan tegangan serta arus listrik yang dihasilkan dinamo dalam setiap variasi debit air maupun kecepatan angin. Setiap pengambilan data dilakukan tiga kali pengukuran. Pengambilan data ini terdiri dari tiga bagian, yakni: Pertama, pengambilan data untuk turbin air tanpa terhubung dengan turbin angin (lihat gambar 3.6). Hal ini dilakukan pengambilan data output tegangan dan arus listrik dinamo serta putaran poros dinamo dilakukan dengan variasi debit air. poros turbin angin dengan poros dinamo tidak tersambung kopel tersambung Gambar 3.6. Turbin Air Tidak Terhubung dengan Turbin Angin kopel tidak tersambung poros turbin angin tersambung dengan poros dinamo Gambar 3.7. Pengujian Turbin Angin (Poros Turbin Air tidak Tersambung dengan Poros Dinamo)

38 24 Kedua, pengambilan data untuk turbin angin tanpa terhubung dengan turbin air (lihat Gambar 3.7). Pengambilan data output tegangan maupun arus listrik dinamo serta putaran poros dinamo dan poros turbin angin dilakukan dengan variasi kecepatan angin. Ketiga, pengambilan data penggabungan turbin air dengan turbin angin (combine water and wind turbine). Pengambilan data output tegangan maupun dinamo serta putaran poros dinamo dan poros turbin angin dilakukan dengan variasi debit air dan kecepatan angin. Pengambilan untuk pengujian turbin angin dan pengujian combine water and wind turbine dilakukan dengan variasi perbandingan jumlah gigi gear kerucut pada poros turbin angin dengan jumlah gigi gear kerucut pada poros dinamo yakni 16:10 dan 10: Pengolahan dan Analisa Data Data yang telah diperoleh selanjutnya dilakukan pengolahan data dan dianalisa. Dari data tersebut dapat diinterpretasikan ke dalam grafik dan dianalisa serta membandingkan dengan teori yang dijadikan acuan Kesimpulan dan Saran Selanjutnya menyimpulkan hasil penelitian berdasarkan analisis yang telah dilakukan dan memberikan saran untuk perbaikan penelitian selanjutnya.

39 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini telah berhasil menggabungkan turbin air overshot dan turbin angin savonius tipe L untuk memperoleh hasil yang lebih baik dari pada hanya turbin air saja ataupun hanya turbin angin saja. Dengan mengkonversi dua sumber energi yakni energi air dan energi angin secara bersamaan menjadi energi mekanik. Maka, turbin air dan turbin angin secara bersama-sama memutar dinamo sehingga dihasilkan tegangan listrik yang lebih besar. Turbin air dengan poros horisontal dihubungkan dengan turbin angin poros vertikal menggunakan roda gigi (gear) kerucut. Gear kerucut berfungsi sebagai transmisi daya turbin air dengan turbin angin Pengukuran Putaran Dinamo Pada pengujian turbin air, turbin angin maupun gabungan turbin air dan angin (combined water and wind turbine) dilakukan pengukuran putaran dinamo, putaran turbin angin dan tegangan serta arus listrik yang dihasilkan dinamo. Rangkaian pengujian turbin air yakni turbin air overshot disambung dengan dinamo. Dilihat dari perubahan putaran poros turbin air yang dihasilkan oleh turbin air overshot yang tidak disambung dan yang disambung dengan dinamo maka dengan penambahan dinamo, turbin air hanya mampu mengkonversi energi air sekitar 68%. Hasil pengujian turbin air overshot seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 bahwa dengan bertambahnya debit air maka bertambah pula besarnya kecepatan putar turbin. Ketika debit air bertambah maka semakin banyak air yang jatuh ke dalam bagian sudu-sudu sisi bagian atas sehingga gaya berat air semakin besar dan mengakibatkan peningkatan kecepatan putar turbin. Turbin air dan dinamo terletak dalam satu poros horisontal sehingga besarnya putaran turbin air sama dengan besarnya putaran dinamo. 25

40 26 70 putaran dinamo (rpm) debit air (L/s) Gambar 4.1. Grafik Hubungan Debit Air Terhadap Putaran Dinamo Hasil Pengujian Turbin Air putaran dinamo (rpm) kecepatan angin (m/s) rasio t. angin: dinamo = 16:10 10:16 Gambar 4.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran Dinamo Hasil Pengujian Turbin Angin Rangkaian pengujian turbin angin yakni turbin angin savonius tipe L disambung dengan dinamo dan terdapat gear kerucut untuk menghubungkan poros vertikal turbin savonius dengan poros horisontal dinamo. Dilihat dari perubahan putaran poros turbin angin yang dihasilkan oleh turbin savonius yang tidak disambung dan yang disambung dengan dinamo maka dengan penambahan dinamo dan gear kerucut untuk rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin

41 27 dengan poros dinamo 16:10, turbin angin hanya mampu mengkonversi energi angin sekitar 20%. Sedangkan untuk rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo 10:16, penambahan dinamo dan gear kerucut menyebabkan turbin angin hanya mampu mengkonversi energi angin sekitar 62%. Pada pengujian turbin angin digunakan gear kerucut dengan rasio jumlah gigi 10:16 untuk menghubungkan poros vertikal turbin dengan poros horizontal dinamo. Sehingga besarnya putaran turbin angin tidak sama dengan besarnya putaran dinamo. Gambar 4.2 menunjukkan bahwa grafik hasil pengujian turbin angin secara umum memiliki respon kecepatan putar turbin angin savonius meningkat terhadap kecepatan angin. Turbin angin dengan rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo 10:16 menunjukkan semakin besar kecepatan angin yang menabrak sudu turbin maka semakin besar pula putaran turbin. Ketika kecepatan angin bertambah maka gaya dorong angin terhadap sudu turbin akan semakin besar sehingga kemampuan putar turbin meningkat dan menyebabkan peningkatkan putaran turbin. Tetapi tidak demikian untuk turbin angin dengan rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo 16:10 karena turbin angin baru mampu berputar pada kecepatan angin maksimal yang diujikan.

42 28 85 putaran dinamo (rpm) rasio t.angin:dinamo = 16:10 Q=0,58 L/s Q=0,63 L/s rasio Q=0,67 t.angin:dinamo L/s = 10:16 Q=0,58 L/s 55 Gambar 4.3. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Putaran Dinamo Hasil Pengujian Combined Water And Wind Turbine Combined water and wind turbine mampu mengkonversi energi air maupun energi angin menjadi energi mekanik. Seperti yang terlihat pada Gambar 4.3. dan Gambar 4.4. bahwa secara umum menunjukkan bertambahnya energi air dan angin maka putaran dinamo juga bertambah cepat. Adanya dua sumber energi sekaligus yakni air dan angin maka energi yang dikonversi oleh combined water and wind turbine semakin besar sehingga mampu menghasilkan putaran dinamo yang lebih besar dari pada turbin air dengan turbin angin tidak digabung. Tetapi, ketika combine water and wind turbine hanya mendapat salah satu sumber energi yakni energi air atau energi angin saja maka untuk turbin yang tidak memperoleh energi tersebut akan menjadi beban dalam memutar dinamo bagi turbin yang mendapat energi kecepatan angin (m/s)

43 29 putaran dinamo (rpm) debit air (L/s) rasio t.angin:dinamo = 16:10 4,5 m/s 5,5 m/s 6,5 m/s 7,5 rasio m/s 8,5 t.angin:dinamo = m/s 10:16 4,5 m/s 5,5 m/s Gambar 4.4. Grafik Hubungan Debit Air dengan Putaran Dinamo Hasil Pengujian Combined Water And Wind Turbine Pada penelitian ini digunakan pasangan gear kerucut dengan jumlah gigi 10 dan jumlah gigi 16. Gear kerucut dengan jumlah gigi 10 memiliki diameter yang lebih kecil dari pada gear kerucut dengan jumlah gigi 16. Tetapi, gear kerucut dengan jumlah gigi 10 mempunyai putaran yang lebih banyak dari pada gear kerucut dengan jumlah gigi 16 seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.13 yakni gear kecil berputar lebih cepat dan momen putarnya lebih kecil dari pada gear yang lebih besar yang putarannya lebih lambat tetapi momen putarnya lebih besar (Sularso dan Kiyokatsu, 1997). Hasil penelitian menunjukkan bahwa combined water and wind turbine dengan rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin dengan poros dinamo 16:10 yang memperoleh energi air dan angin sekaligus menunjukkan hasil yang lebih baik. Hal ini karena poros turbin angin dengan jumlah gigi 16 mempunyai momen putar yang besar. Momen putar pada jumlah gigi 16 lebih besar sehingga memberikan tenaga putar tambahan pada jumlah gigi 10 pada poros dinamo maka diperoleh putaran dinamo yang lebih banyak.

44 Tip Speed Ratio (TSR) Turbin Angin Dari hubungan kecepatan putar turbin dengan kecepatan angin dapat diketahui nilai Tip Speed Ratio (TSR). Nilai TSR pada penelitian ini dapat dihitung secara matematis melalui Persamaan 2.7. Hasil perhitungan nilai TSR dapat dilihat pada tabel Lampiran 1.A. TSR merupakan suatu perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian sudu yang mengalami gaya angkat (liftt) dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian sudu yang mengalami gaya hambat (drag) (Soelaiman dkk., 2007). Pada turbin savonius putaran turbin dipengaruhi oleh gaya hambat. Gaya hambat mengakibatkan gaya gesek antara turbin dengan hembusan angin sehingga turbin berputar. Semakin cepat benda bergerak semakin besar gaya hambat udara ini. Hasil pada tabel Lampiran 1.A secara umum menunjukkan bahwa turbin savonius yang telah dibuat memiliki nilai TSR tidak lebih dari 1. Hal ini karena turbin savonius hanya memanfaatkan gaya hambat sehingga kecepatan putar tidak mungkin lebih besar dari kecepatan angin. Turbin ini memiliki efisiensi yang rendah dibandingkan jenis turbin yang lain seperti yang ditunjukkan Gambar Pengukuran Output Tegangan dan Arus Listrik Dinamo Hasil pengujian turbin air, turbin angin maupun combined water and wind turbine menunjukkan bahwa tegangan yang dihasilkan dinamo meningkat terhadap putaran dinamo. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2, 4, 6, 16, 18, 20, 22. pada Lampiran 2. yang menunjukkan grafik hubungan antara putaran dinamo terhadap tegangan listrik yang dihasilkan dinamo. Secara umum grafik tersebut menunjukkan bahwa semakin besar putaran dinamo maka tegangan yang dihasilkan dinamo semakin besar pula. Hal ini sesuai dengan Persamaan bahwa bertambahnya kecepatan putar dinamo akan meningkatkan laju perubahan fluks magnetik di dalam dinamo. Peningkatan perubahan fluks magnetik akan meningkatkan tegangan yang dihasilkan dinamo.

45 31 Air memiliki energi potensial yakni energi yang tersedia dari suatu reservoir (bendungan) air. Sedangkan angin memiliki energi kinetik karena udara memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v. Dengan demikian dapat dihitung daya air dan daya angin serta daya listrik yang dihasilkan dinamo melalui Persamaan (2.11), Persamaan (2.4) dan Persamaan (2.17). Dari Tabel 4.1 s/d 4.5 menunjukkan bahwa semakin besar debit air maupun kecepatan angin maka semakin besar pula daya yang dihasilkan. Table 4.1. Daya Turbin Air Debit air 0,58 L/s 0,63 L/s 0,67 L/s Daya air (watt) 4,30 ± 0,06 4,65 ± 0,07 4,90 ± 0,14 Daya listrik (miliwatt) 78,56 ± 0,27 84,25 ± 0,41 88,19 ± 0,43 Table 4.2. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 16:10 Kec. angin 4,5 m/s 5,5 m/s 6,5 m/s 7,5 m/s 8,5 m/s Daya angin (watt) Daya listrik (miliwatt) 1,60 ± 2,91 ± 0,07 0, ,90 ± 0,12 4,81 ± 0,18 20,80 ± 0,23 7,39 ± 0,22 39,03 ± 0,30 10,76 ± 0,32 52,04 ±0,31 Table 4.3. Daya Turbin Angin pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 10:16 Kec. angin 8,5 m/s 9,5 m/s 10,3 m/s 11,5 m/s Daya angin (watt) Daya listrik (miliwatt) 10,76 ± 0,32 15,02 ± 0,32 19,14 ± 0,51 26,65 ± 0,67 21,18 ± 0,72 44,23 ± 0,11 72,88 ± 0,17 96,82 ± 0,19

46 32 Table 4.4. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 16:10 air Daya Daya listrik (mili watt) 4,90 ± 0,14 watt 4,65 ± 0,07 watt 4,30 ± 0,06 watt Daya Angin 1,60 ± 0,07 watt 93,66 ± 0,19 90,05 ± 0,10 87,74 ± 0,58 2,91 ± 0,15 watt 96,06 ± 0,30 94,32 ± 0,28 92,25 ± 0,20 4,81 ± 0,18 watt 98,87 ± 0,24 97,75 ± 0,21 95,69 ± 0,34 7,39 ± 0,22 watt 104,99 ± 0,21 102,35 ± 0,19 99,88 ± 0,29 10,76 ± 0,32 watt 108,98 ± 0,15 106,83 ± 0,21 103,69 ± 0,36 Table 4.5. Daya Combined Water and Wind Turbine pada Rasio Jumlah Gigi Gear Poros Turbin Angin : Poros Dinamo 10:16 Daya air Daya listrik (mili watt) 4,90 ± 0,14 watt 4,65 ± 0,07 watt 4,30 ± 0,06 watt Daya Angin 1,60 ± 0,07 watt 69,33 ± 0,24 66,66 ± 0,24 64,30 ± 0,36 2,91 ± 0,15 watt 73,76 ± 0,30 70,52 ± 0,14 67,11 ± 0,21 4,81 ± 0,18 watt 78,81 ± 0,29 76,54 ± 0,14 73,72 ± 0,20 7,39 ± 0,22 watt 87,21 ± 0,19 83,98 ± 0,29 81,07 ± 0,19 10,76 ± 0,32 watt 97,15 ± 0,25 94,70 ± 0,22 92,22 ± 0,21 Daya yang dikandung dalam reservoir air yang jatuh bergantung pada besarnya beda tinggi (head) dan debit air. Sehingga perubahan kecil terhadap debit air tidak mengakibatkan perubahan yang signifikan terhadap ketersediaan daya. Sedangkan daya yang dikandung dalam aliran udara yang bergerak per unit luas normal terhadap aliran adalah sebanding dengan pangkat tiga dari kecepatan angin. Perubahan yang kecil terhadap kecepatan angin mengakibatkan perubahan yang besar terhadap ketersediaan daya.

47 BAB V PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Kecepatan angin minimum yang dibutuhkan untuk memutar gabungan turbin air dan turbin angin pada rasio jumlah gigi gear kerucut poros turbin angin : poros dinamo 16:10 adalah 10,3 m/s, sedangkan pada rasio 10:16 adalah 9,3 m/s. 2. Gear kerucut dengan jumlah gigi 10 lebih baik dipasang pada poros dinamo dari pada gear kerucut dengan jumlah gigi 16 karena dapat meningkatkan jumlah putaran poros dinamo Saran Saran untuk penelitian selanjutnya adalah perbaikan rancang bangun turbin dengan memodifikasi berupa kontruksi turbin satu poros. 33