UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU DATAR DARI BAHAN TRIPLEK DENGAN SUDUT PATAHAN 10 LEBAR 10,5 CM DENGAN EMPAT VARIASI PERMUKAAN SUDU

Transkripsi

1 UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU DATAR DARI BAHAN TRIPLEK DENGAN SUDUT PATAHAN 10 LEBAR 10,5 CM DENGAN EMPAT VARIASI PERMUKAAN SUDU TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin Disusun Oleh : FRANCISCUS BAYU WIHARNO NIM : PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016 i

2 THE PERFORMANCE MODEL OF THREE FLAT BLADE WIND MILL PROPELLER FROM PLYWOOD MATERIAL WITH 10 ANGLE FAULT WIDTH 10,5 CM WITH FOUR VARIATION BLADE SURFACE FINAL PROJECT Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering By : FRANCISCUS BAYU WIHARNO NIM : MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM SCIENCE AND TECHNOLOGY OF FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016 ii

3

4

5 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

6 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

7 ABSTRAK Kebutuhan akan energi saat ini terus meningkat seiring dengan perkembangan zaman. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan paling berkembang saat ini. Penelitian ini bertujuan untuk membuat model kincir angin propeler dengan tiga sudu datar dari bahan triplek, mengetahui unjuk kerja dari setiap variasi kincir dan mengetahui koefisien daya (C p ) terbaik dari salah satu variasi kincir angin. Model kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeler poros horisontal dengan tiga sudu datar lebar 10,5 cm berdiameter 80 cm dengan sudut patahan 10 menggunakan bahan dasar triplek. Pengujian kincir dilakukan dengan menghubungkan poros kincir ke mekanisme pengereman yang berfungsi sebagai variasi beban pada putaran kincir. Besarnya beban kincir dapat dilihat pada neraca pegas. Putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Dari hasil penelitian ini, menunjukan bahwa kincir angin dengan variasi sudu tanpa lapisan menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,58 % pada tip speed ratio 2,59. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 7,84 % pada tip speed ratio 2,15. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57. Kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,95 % pada tip speed ratio 2,61. Dari keempat model kincir angin yang sudah diteliti, kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) terbaik yaitu sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57. Kata kunci: koefisien daya, tip sped ratio, daya kincir. vii

8 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat serta kasih- Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang mengambil judul Unjuk Kerja Model Kincir Angin Propeler Tiga Sudu Datar Dari Bahan Triplek Dengan Sudut Patahan 10 Lebar 10,5 cm Dengan Empat Variasi Permukaan Sudu. Tujuan penulisan skripsi ini untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T) bagi mahasiswa program S-1 di program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak demi kesempurnaan skripsi ini. Terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, sehingga pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh rasa hormat penulis menghaturkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan moril maupun materil baik langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan skripsi ini hingga selesai, terutama kepada yang saya hormati: 1. Sudi Mungkasi, S.Si, M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Ir. PK. Purwadi, S.T,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan Dosen Pembimbing TA. 4. Kedua Orang Tua saya yang tercinta, Bapak Hasan Umar dan Ibu Sri Hartati yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual. 5. Rekan-rekan mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. viii

9 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i TITLE PAGE... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii DAFTAR DEWAN PENGUJI... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... v LEMBAR PUBLIKASI... vi ABSTRAK... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xvi DAFTAR SIMBOL... xvii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 4 BAB II DASAR TEORI Landasan Teori Kincir Angin Poros Horisontal Kincir Angin Poros Vertikal Rumus-rumus Perhitungan Torsi Kincir Angin Daya Angin Daya Kincir Angin Tip Speed Ratio x

11 2.2.5 Koefisien DayaC p Hubungan antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio BAB III METODOLOGI PENELITIAN Metode Penelitian Peralatan Pengujian Prosedur Penelitian Variabel Penelitian Variabel yang diukur Parameter yang dihitung Pengujian dan Pengambilan Data Pengolahan Data dan Pembahasan Hasil Penelitian BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Data Hasil Penelitian Perhitungan Torsi Kincir Daya Kincir Daya Angin Tip Speed Ratio Koefisien Daya Kincir Data Hasil Perhitungan Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Grafik Untuk Variasi Sudu Tanpa Lapisan Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan Sudu Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan dan Belakang Sudu Grafik Untuk Variasi Lapisan Anyaman Bambu pada Bagian Depan dan Lapis Pelat Aluminium pada Bagian Belakang Sudu Grafik dari Hasil Perhitungan Empat Variasi Lapisan Sudu xi

12 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kincir Angin American Windmill Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch Four Arm Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius Gambar 2.4 Kincir Angin Darrieus Gambar 2.5 Grafik hubungan C p dengan tsr untuk berbagai tipe kincir angin Gambar 3.1 Hub yang digunakan dalam penelitian Gambar 3.2 Terowongan angin tempat pengujian kincir Gambar 3.3 Fan blower Gambar 3.4 Anemometer untuk mengukurkecepatanangin Gambar 3.5 Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir Gambar 3.6 Neraca pegas Gambar 3.7 Mekanisme pengereman Gambar 3.8 Desain sudu kincir yang diamati dalam penelitian Gambar 3.9 Bentuk sudu kincir yang diamati dalam penelitian Gambar 3.10 Skema alat-alat pengujian kincir angin Gambar 4.1 Hubungan putaran poros kincir dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.2 Hubungan antara daya output dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.3 Hubungan antara koefisien daya (C p ) dengan tip speed ratio (tsr) pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.4 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.5 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm xiii

14 Gambar 4.6 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.7 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.8 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.9 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.10 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.11 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.12 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.13 Hubungan koefisien daya (C p ) dan tip speed ratio (tsr) untuk empat variasi lapisan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Gambar L.1 Sudu kincir tanpa lapisan Gambar L.2 Sudu kincir variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu Gambar L.3 Kincir angin propeler tanpa lapisan xiv

15 Gambar L.4 Gambar L.5 Gambar L.6 Kincir angin propeler variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu Kincir angin propeler variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu Proses pembuatan sudu kincir xv

16 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.2. Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.5 Data pendukung perhitungan Tabel 4.6 Hasil perhitungan kincir angin variasi tanpa lapisan dengan sudut patahan 10ºdan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan tanpa lapisan dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.9 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm xvi

17 DAFTAR SIMBOL Simbol T F l E k m v P in ṁ Keterangan Torsi (N.m) Gaya pengimbang (N) Jarak lengan torsi ke poros (m) Energi kinetik (joule) Massa (kg) Kecepatan angin (m/s) Daya angin (watt) Massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s) ρ A Massa jenis udara (kg/m³) Luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m 2 ) P out Daya yang dihasilkan kincir angin (watt) ω n v t tsr r kincir Kecepatan sudut (rad/s) Putaran poros (rpm) Kecepatan ujung sudu Tip speed ratio Jari-jari kincir (m) C p Koefisien daya (%) xvii

18 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Seiring dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, kebutuhan akan energi juga semakin meningkat, sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Oleh karenanya pemanfaatan energi secara tepat guna akan menjadi suatu cara yang ampuh dalam perkembangan zaman tersebut. Gas alam diprediksi para ahli akan habis lebih kurang 100 tahun lagi, sedangkan cadangan batu bara akan habis lebih kurang 200 sampai 300 tahun yang akan datang. Kondisi ini sangat mengkhawatirkan terutama bagi kelangsungan kehidupan manusia (Nursuhud dan Pudjanarsa, 2008). Pemanfaatan energi pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, panas bumi, dan nuklir. Hal ini karena energi terbarukan cukup mudah didapat dan bisa didaur ulang bila dibandingkan dengan energi fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan paling berkembang sekarang. Amerika Serikat, Spanyol dan China merupakan negaranegara terdepan dalam pemanfaatan energi angin baik secara teknologi maupun ilmu pengetahuan. 1

19 2 Indonesia sebagai negara kepulauan yang dua per tiga wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang kedua di dunia yaitu ± ,42 km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga angin., demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5-8 m/s. (Tri, 2014) (Winda, 2014). Energi listrik dapat dihasilkan dengan bantuan sebuah alat. Alat yang digunakan untuk menunjang terjadinya energi terbarukan dari alam terutama angin adalah kincir angin. Energi angin yang memutar sudu-sudu kincir angin akan menggerakkan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik. Pada penelitian untuk bahan tugas akhir ini penulis mengambil topik tentang kincir angin poros horisontal tipe propeler dari bahan dasar kayu triplek. Penulis menggunakan pelat aluminium dan anyaman bambu sebagai variasi permukaan sudu. Bahan-bahan lokal sengaja dipilih karena cukup ekonomis dan mudah didapat. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas maka masalah-masalah yang ingin diteliti dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Indonesia memiliki wilayah yang potensial untuk memanfaatkan energi angin. 2. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk menggerakan sebuah kincir angin untuk pembangkit listrik.

20 3 3. Sebuah kincir angin dapat dibangun dari bahan baku lokal dan ekonomis. 4. Unjuk kerja dari kincir angin dipengaruhi oleh bentuk sudu yang dapat diperoleh dari penelitian. 1.3 Batasan Masalah Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan-batasan sebagai berikut : 1. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal dengan jumlah sudu tiga dan mengunakan bahan dasar kayu triplek, dengan sudut patahan sudu Ukuran kincir angin sudah ditetapkan yakni berdiameter 80 cm dan lebar sudu 10,5 cm. 3. Variasi yang diambil adalah lapisan permukaan sudu yaitu sudu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapis pelat aluminium di bagian belakang sudu. 4. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. 5. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.

21 4 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Membuat model kincir angin propeler dengan tiga sudu datar yang terbuat dari bahan triplek dengan empat variasi lapisan sudu yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu. 2. Mengetahui unjuk kerja dari setiap variasi kincir angin yang diteliti. 3. Mendapatkan nilai C p terbaik dari salah satu variasi lapisan permukaan sudu model kincir angin yang diteliti. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat pembuatan kincir angin adalah sebagai berikut : 1. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin dan pemanfaatannya. 2. Menawarkan sebuah alternatif pemanfaatan sumber energi terbarukan dengan memakai kincir angin yang lebih ramah lingkungan. 3. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin dengan bahan triplek, aluminium dan anyaman bambu. 4. Memacu pengembangan energi angin dengan bahan yang sederhana dan murah.

22 5 BAB II DASAR TEORI 2.1 Landasan Teori Angin merupakan udara yang berhembus dari daerah yang bersuhu rendah ke daerah yang bersuhu tinggi akibat adanya perbedaan tekanan udara. Angin yang bertiup di permukaan bumi ini terjadi akibat adanya perbedaan penerimaan radiasi surya, sehingga mengakibatkan perbedaan suhu udara. Adanya perbedaaan suhu tersebut meyebabkan perbedaan tekanan, akhirnya menimbulkan gerakan udara. (Simbolon, 2012). Turbin angin atau kincir angin adalah alat yang digunakan untuk mengkonversi tenaga angin menjadi tenaga listrik. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar kincir angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu : kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal Kincir Angin Poros Horisontal Kincir angin poros horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara sedangkan kincir berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal, dapat dilihat pada Gambar 2.1 dan Gambar

23 6 Gambar 2.1 Kincir Angin American Windmill (Sumber : diakses 8 Maret 2016) Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch Four Arm (Sumber : kompetiblog2013.wordpress.com, diakses 8 Maret 2016)

24 7 Kelebihan kincir angin sumbu horisontal diantaranya adalah : a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat. b. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. c. Memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan dengan turbin angin dengan sumbu vertikal. Kincir angin sumbu horisontal juga memiliki kekurangan, yaitu : a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut sehingga membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang terampil. b. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator. c. Memerlukan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir kearah angin Kincir Angin Poros Vertikal Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Kincir ini mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan, dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.

25 8 Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius (Sumber : diakses 8 Maret 2016) Gambar 2.4 Kincir Angin Darrieus (Sumber : diakses 8 Maret 2016)

26 9 Kelebihan kincir angin sumbu vertikal di antaranya adalah : a. Menerima angin dari segala arah. b. Komponen-komponennya dapat dipasang dekat dengan permukaan tanah. c. Mudah dirawat dan diperbaiki menara lebih ringan. d. Secara teoritis menggunakan sedikit material. Kincir angin sumbu vertikal juga memiliki kekurangan, yaitu : a. Karena umum dipasang di dekat dengan permukaan tanah maka kualitas angin yang didapat kurang bagus. b. Gaya sentrifugal membuat sudu-sudu mengalami tegangan. c. Kurang mampu mengawali putaran sendiri. d. Keseluruhan rotor harus dilepas untuk penggantian bantalan. e. Performa dan keandalannya kurang bagus. 2.2 Rumus-rumus Perhitungan Rumus-rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan dan analisa dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : Torsi Kincir Angin Torsi adalah momen putar yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros yang berputar, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : T = F l (1)

27 10 Dengan, T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), F adalah gaya pada poros akibat puntiran (N), l adalah jarak lengan torsi ke poros (m) Daya Angin Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : E k = 0,5 m v 2 (2) dengan, E k adalah energi kinetik (joule), m adalah massa (kg), v adalah kecepatan angin (m/s). Daya adalah energi per satuan waktu, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut : P in = 0,5 ṁ v 2 (3) dengan, P in adalah daya angin (watt) ṁ adalah massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s) yang dalam hal ini : ṁ = ρ A v (4) dengan, ρ adalah massa jenis udara (kg/m 3 ), A adalah luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m 2 ). Dengan menggunakan persamaan (4), maka daya angin (P in ) dapat dirumuskan menjadi : P in = 0,5 (ρ A v)v 2 yang dapat di sederhanakan menjadi :

28 11 P in = 0,5 ρ A v 3 (5) Daya Kincir Angin Daya kincir angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor kincir angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya yang dihasilkan dapat di hitung dengan rumus : P out = T ω (6) dengan, P out adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt), T adalah torsi dinamis (Nm), ω adalah kecepatan sudut (rad/s), yang didapatkan dari ω = n rpm dengan, n adalah putaran poros (rpm) Tip Speed Ratio = n putaran menit 2 π n rad = 60 s n π = 30 rad/s (7) Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan linier ujung sudu kincir angin terhadap kecepatan angin. Kecepatan diujung sudu (v t ) dapat dirumuskan sebagai berikut : dengan, v t adalah kecepatan ujung sudu, v t = ω r ω adalah kecepatan sudut (rad/s), r adalah jari-jari kincir (m). Dengan demikian tip speed ratio dapat dirumuskan menjadi :

29 12 tsr = ω r kincir v dengan, ω adalah kecepatan sudut (rad/s), (8) r kincir adalah jari-jari kincir (m), v adalah kecepatan angin (m/s) Koefisiensi Daya (C p ) Koefisien daya (C p ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (P out ) dengan daya yang disediakan oleh angin (P in ), sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : dengan, C p adalah koefisien daya (%), C p = P out P in 100% (9) P out adalah daya yang dihasilkan oleh kincir (watt), P in adalah daya yang disediakan oleh angin (watt). 2.3 Hubungan antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Tip speed ratio mempengaruhi besarnya koefisien daya. Hubungan ini digambarkan sebagai berikut : 1. Koefisien daya bergantung pada ujung sudu. 2. Ditandai dengan kurva koefisien daya berbanding dengan perbandingan kurva tip speed ratio.

30 13 Grafik batas Betz (betz limit diperkenalkan oleh ilmuan Jerman, Albert Betz) berikut akan menunjukan hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari berbagai jenis kincir angin yang dapat dilihat pada Gambar 2.5. American Multiblade Gambar 2.5 Grafik hubungan C p dengan tsr untuk berbagai tipe kincir angin (Sumber : Johnson, 2006, diakses 8 Maret 2016)

31 14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metode Penelitian Dalam penelitian ini data yang diperlukan dapat diperoleh melalui beberapa metode yaitu : 1. Penelitian Kepustakaan (Library Research) Penelitian kepustakaan dilakukan dengan membaca literatur-literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya. 2. Pembuatan Alat Pembuatan model kincir angin propeler dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Kincir angin yang sudah jadi dipasang pada wind tunnel yang dilengkapi dengan blower dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir. 3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi) Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu model kincir angin propeler pada wind tunnel. 14

32 Peralatan Pengujian Peralatan yang digunakan untuk mendukung kinerja dari model kincir angin propeler ini antara lain adalah : 1. Hub Hub adalah komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Hub yang digunakan berbentuk prisma segi tiga dengan luas setiap sisinya adalah p x l = 10 cm x 8 cm. Hub ini memiliki tiga buah klem untuk menjepit sudu. Gambar hub yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Gambar Terowongan angin (wind tunnel) Terowongan angin (wind tunnel) adalah sebuah lorong angin dengan tinggi 1,2 m, lebar 1,2 m, dan panjang 2,4 m. Gambar 3.2 menunjukan bentuk dari terowongan angin. Terowongan angin ini berfungsi sebagai tempat angin bergerak dengan kecepatan tertentu dan juga sebagai tempat pengujian kincir angin. Terowongan angin ini dapat diatur kecepatan anginnya dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dengan fan blower sesuai keinginan, dengan cara menarik fan blower mengunakan troli.

33 16 Gambar 3.1 Hub yang digunakan dalam penelitian Gambar 3.2 Terowongan angin tempat pengujian kincir

34 17 3. Fan blower Fan blower berfungsi untuk menghisap udara yang akan disalurkan ke wind tunnel, dengan daya penggerak motor 5,5 kw. Gambar 3.3 akan menunjukan bentuk dari fan blower. Gambar 3.3 Fan blower 4. Anemometer Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, dan juga digunakan untuk mengukur suhu angin di sekitar lingkungan. Gambar 3.4 menunjukan bentuk dari anemometer. 5. Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (revolutions per minute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu

35 18 sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.5 menunjukan bentuk dari tachometer. Gambar 3.4 Anemometer untuk mengukur kecepatan angin Gambar 3.5 Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir

36 19 6. Neraca pegas Neraca pegas digunakan untuk mengetahui beban pengereman pada kincir pada saat kincir angin berputar. Neraca pegas ini diletakan pada bagian sistem pengereman dan dihubungkan dengan kopling dengan jarak yang telah disesuaikan. Gambar 3.6 menunjukan bentuk dari neraca pegas. Gambar 3.6 Neraca pegas 7. Mekanisme pengereman Mekanisme pengereman ini berfungsi sebagai beban pada perputaran kincir, yang dimana kincir diberi beban berupa karet pada sistem pengereman tersebut untuk mengetahui besarnya torsi dan kecepatan putaran kincir angin. Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari mekanisme pengereman.

37 20 Gambar 3.7 Mekanisme pengereman 3.3 Prosedur Penelitian Langkah-langkah dalam pembuatan kincir angin untuk penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Menyiapkan bahan-bahan pembuatan kincir angin Bahan-bahan yang diperlukan dalam pembuatan kincir angin ini adalah : a. Papan triplek (plywood) Papan triplek atau plywood digunakan sebagai bahan utama dalam pembuatan sudu kincir. Papan triplek yang digunakan memiliki ketebalan 8 mm. b. Pelat aluminium Pelat aluminium digunakan untuk melapisi permukaan sudu kincir. Pelat yang digunakan memiliki ketebalan 0,3 mm.

38 21 c. Anyaman bambu Anyaman bambu digunakan sebagai bahan lapisan permukaan sudu kincir. d. Kawat Kawat digunakan untuk mengikat kedua segmen sudu kincir. e. Serbuk kayu halus Serbuk kayu halus digunakan untuk mingisi celah yang kosong diantara kedua segmen sudu kincir. f. Bahan perekat Bahan perekat yang digunakan adalah lem G dan lem fox. 2. Menyiapkan alat-alat pembuatan kincir angin Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan kincir angin meliputi : a. Mesin bor b. Mata bor 10 mm c. Mesin gerinda d. Alat tekuk pelat e. Gergaji kayu f. Gunting seng g. Tang h. Palu i. Amplas j. Mal atau cetakan sudu dengan sudut 10

39 22 3. Pembuatan kincir Berikut ini adalah proses pembuatan kincir angin : 1. Menyiapkan papan triplek sebagai bahan dasar pembuatan kincir. 2. Menggambar pola pada papan triplek sesuai ukuran yang diinginkan. 3. Memotong pola sesuai dengan pola yang dibuat sebelumnya dengan menggunakan gergaji kayu. 4. Pola yang sudah dipotong yaitu kedua segmen sudu, di beri lubang dengan diameter 10 mm pada tepi bagian dalam sudu sebagai tempat untuk mengikat kedua segmen sudu dengan kawat. 5. Setelah diikat dengan kawat sudu kincir di letakkan pada mal atau cetakan agar sudu membentuk sudut 10, lalu sudu diikat pada mal sehingga hasilnya lebih presisi. 6. Setelah diikat dengan kawat celah antara dua segmen sudu ditaburi serbuk kayu halus lalu diratakan. 7. Setelah diratakan serbuk kayu tadi ditetesi lem G dan tunggu hingga mengering. 8. Sudu dengan variasi pertama pun jadi, yaitu sudu kincir angin triplek tanpa lapisan. Desain sudu kincir digambarkan pada Gambar 3.8 dan Gambar 3.9.

40 23 8 mm 350 mm 30 mm 105 mm 45 mm 300 mm 10 Gambar 3.8 Desain sudu kincir yang diamati dalam penelitian Gambar 3.9 Bentuk sudu kincir yang diamati dalam penelitian

41 24 9. Langkah selanjutnya membuat variasi lapisan sudu kincir lainnya. Pembuatan kincir mengikuti langkah sebelumnya namun yang membedakan di bagian akhir proses pembuatan. Sudu kincir diberi lem fox untuk merekatkan kincir dengan bahan lapisan yaitu pelat aluminium di bagian depan sudu, untuk variasi kedua dilapisi pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, untuk variasi ketiga dilapisi anyaman bambu dibagian depan dan dilapisi pelat aluminium dibagian belakang sudu. 10. Setelah lem mengering dan lapisan merekat dengan sempurna, langkah selanjutnya yaitu menghaluskan tepi sudu kincir menggunakan mesin gerinda. 11. Sudu dengan empat veriasi lapisan pun sudah jadi. 3.4 Variabel Penelitian Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian adalah sebagai berikut : 1. Variasi kecepatan angin dalam penelitian ini adalah: 8-9 m/s. 2. Variasi lapisan permukaan sudu kincir yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium hanya pada bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dan lapisan anyaman bambu pada bagian depan sudu dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu.

42 Variabel yang diukur Variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut : 1. Kecepatan angin (v) 2. Gaya pengimbang (F) 3. Putaran poros kincir (n) 3.6 Parameter yang dihitung Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian menggunakan parameter sebagai berikut : 1. Daya kincir (P out ) 2. Daya angin (P in ) 3. Koefisien daya (Cp) 4. Tip Speed Ratio (tsr) 3.7 Pengujian dan Pengambilan Data Langkah pertama pengujian adalah memasang kincir angin variasi pertama di dalam terowongan angin dengan cara menghubungkan poros penghubung kincir dengan mekanisme pengereman yang terletak di bagian depan terowongan angin. Setelah semua terpasang, fan blower dihidupkan untuk menghembuskan angin pada terowongan angin. Proses pengambilan data mulai dilakukan ketika putaran kincir sudah stabil. Parameter yang divariasikan adalah beban yang diberikan pada mekanisme pengereman. Gaya tangensial akibat aksi pengereman diatur besarnya dengan

43 26 menggunakan neraca pegas. Pada neraca pegas dipasang tali yang dihubungkan dengan sistem pembebanan, dengan demikian beban torsi yang diberikan pada poros kincir dapat diukur besarnya. Putaran poros kincir diukur dengan menggunakan tachomter sedangkan kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer yang dipasang sekitar 1 meter di depan rotor kincir. Dalam satu siklus pengujian selalu diawali dari tanpa beban atau tanpa pengereman. Beban pengereman menggunakan karet yang ditambahkan secara berkala sampai kincir berhenti berputar. Untuk satu model variasi lapisan kincir dilakukan tiga kali pengembalian data. Proses pengujian dan pengambilan data kincir angin dilakukan sebanyak empat kali karena jumlah variasi lapisan sudu ada empat variasi lapisan, yaitu sudu tanpa lapisan, dilapisi pelat aluminium hanya di bagian depan sudu, dilapisi pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dilapisi anyaman bambu dibagian depan dan pelat aluminium di bagian belakang sudu. Skema susunan alat-alat pengujian dan pengambilan data dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.10.

44 27 Gambar 3.10 Skema alat-alat pengujian kincir angin 3.8 Pengolahan Data dan Pembahasan Hasil Penelitian Pengolahan data dilakukan dengan mengolah data yang diperoleh lalu dirata-rata dengan menggunakan program Microsoft Excel. Data yang dicari yaitu: 1. Data dari beban neraca pegas dapat digunakan untuk mencari beban torsi dengan menggunakan persamaan (1). 2. Dari data kecepatan angin dan luasan kincir angin didapatkan daya angin (P in ) dengan menggunakan persamaan (5). 3. Data putaran poros dan torsi dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir angin (P out ) dengan menggunakan persamaan (6). 4. Perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir (ω) dengan kecepatan angin maka dapat diperoleh tip speed ratio (tsr) dengan menggunakan persamaan (8).

45 28 5. Dengan membandingkan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (P out ) dengan daya yang disediakan oleh angin (P in ) maka koefisien daya (C p ) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (9). 6. Diagram hubungan antara beban torsi dan rpm. 7. Diagram hubungan antara beban torsi dan P out. 8. Diagram hubungan antara C p dan tsr.

46 29 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Penelitian Data hasil pengujian kincir angin meliputi putaran poros kincir (rpm), gaya pengimbang (N) dan kecepatan angin (m/s), dengan variasi lapisan sudu yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dan lapis anyaman bambu di bagian depan dan lapis pelat aluminium di bagian belakang sudu. Data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2, Tabel 4.3 dan Tabel 4.4. Tabel 4.1 Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) ,29 3 0,59 4 0,88 5 1,18 6 1,37 7 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,71 29

47 30 Tabel 4.1 Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) 8 1, , , , ,67 Tabel 4.2 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) ,29 3 0,49 4 0,78 5 1,08 6 1,28 7 1,47 8 1,67 9 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,97

48 31 Tabel 4.2 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) 10 2, , , ,76 Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) ,29 3 0,78 4 0,98 5 1,18 6 1,37 7 1,57 8 1,77 9 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,73

49 32 Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) 10 2, , , , , , , , , , , ,65 Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) ,29 3 0,49 4 0,78 5 1,98 6 1,28 7 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,45

50 33 Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No Gaya pengimbang F (N) Siklus Putaran kincir n (rpm) Kecepatan angin v (m/s) 8 1,67 9 1, , , , , , , Perhitungan Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang di ambil dari Tabel 4.1 variasi sudu tanpa lapisan pada pembebanan kedua dan siklus percobaan pertama, dengan data pendukung yang dapat dilihat pada Tabel 4.5. Diameter kincir (D) 0,8 m Panjang lengan torsi (l) 0,2 m Densitas udara (ρ) 1,18 kg/m 3 Swept area (A) 0,503 m 2 Jari-jari kincir (r kincir ) 0,4 m Tabel 4.5 Data pendukung perhitungan Torsi Kincir Dari data yang diperoleh, besaran gaya pengimbang dalam satuan Newton (F) adalah 0,29 N dan jarak lengan torsi ke poros (l) sebesar 0,2 m. Nilai torsi yang dihasilkan kincir dapat dicari dengan menggunakan persamaan (1).

51 34 T = F r = 0,29 0,2 = 0,06 Nm Jadi, nilai torsi yang dihasilkan kincir adalah sebesar 0,06 Nm Daya Angin Daya angin (P in ) yang dihasilkan pada kincir dengan kecepatan angin 8,74 m/s, dapat dicari dengan menggunakan persamaan (5). P in = 0,5 ρav 3 = 0,5 1,18 0,503 (8,74) 3 = 197,99 watt Jadi, daya angin yang dihasilkan adalah sebesar 197,99 watt Daya Kincir Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (P out ) dapat dicari dengan menggunakan persamaan (6), namun sebelumnya harus diketahui terlebih dahulu kecepatan sudut (ω), sehinggga perlu dicari terlebih dahulu menggunakan persamaan (7). ω = = n π 30 rad/s 721 π 30 rad/s = 75,5 rad/s

52 35 P out = T ω = 0,06 75,5 = 4,44 watt Jadi, nilai kecepatan sudut yang dihasilkan kincir adalah sebesar 75,5 rad/s, dan nilai dari daya kincir adalah sebesar 4,44 watt Tip Speed Ratio Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan di ujung kincir terhadap kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan persamaan (8). tsr = ω r kincir v = 75,5 0,4 8,74 = 3,46 Jadi, nilai tip speed ratio yang diperoleh adalah sebesar 3, Koefisien Daya Kincir Koefisien daya kincir (C p ) dapat dicari dengan menggunakan persamaan (9). C p = P out P in 100% = 4,44 197,99 100% = 2,24% Jadi, nilai koefisien daya kincir yang diperoleh adalah sebesar 2,24%.

53 Data Hasil Perhitungan Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dan dirata-rata dengan menggunakan program Microsoft Excell. Hasil perhitungan masing-masing variasi lapisan sudu kincir dapat dilihat pada Tabel 4.6 sampai dengan Tabel 4.9. Tabel 4.6 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Kec. Angin (v) Gaya pengimbang (F) Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec. Sudut ω Daya angin P in Daya kincir P out tsr C p (%) m/s N Rpm Nm rad/s watt watt 1 8, , ,95 196,19 0 3, ,66 0,29 726,67 0,06 76,10 192,38 4,48 3,52 2,33 3 8,52 0,59 700,00 0,12 73,30 183,20 8,63 3,44 4,71 4 8,42 0,88 659,00 0,18 69,01 177,03 12,19 3,28 6,88 5 8,37 1,18 609,33 0,24 63,81 173,90 15,02 3,05 8,64 6 8,48 1,37 573,33 0,27 60,04 180,63 16,49 2,83 9,13 7 8,71 1,67 538,33 0,33 56,37 196,19 18,80 2,59 9,58 8 8,82 1,96 412,67 0,39 43,21 203,48 16,96 1,96 8,33 Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Kec. Gaya Putaran Kec. Daya Daya Torsi No Angin pengimbang kincir Sudut angin kincir C p (T) tsr (v) (F) (n) ω (%) P in P out m/s N Rpm Nm rad/s watt watt 1 8, , ,60 177,03 0 3, ,76 0,29 764,00 0,06 80,01 199,58 4,71 3,65 2,36 3 8,74 0,49 748,33 0,10 78,37 197,99 7,69 3,59 3,88 4 8,79 0,78 664,00 0,16 69,53 201,41 10,91 3,16 5,42 5 8,98 1,08 627,33 0,22 65,69 214,52 14,18 2,93 6,61 6 8,67 1,28 546,00 0,26 57,18 193,50 14,58 2,64 7,54

54 37 Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No Kec. Angin (v) Gaya pengimbang (F) Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec. Sudut ω Daya angin P in Daya kincir P out tsr C p (%) m/s N Rpm Nm rad/s watt watt 7 8,86 1,47 525,00 0,29 54,98 206,03 16,18 2,48 7,85 8 8,78 1,67 450,00 0,33 47,12 200,50 15,72 2,15 7,84 9 9,00 1,86 377,00 0,37 39,48 216,44 14,72 1,75 6, ,86 2,06 332,33 0,41 34,80 206,49 14,34 1,57 6,94 Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Kec. Angin (v) Gaya pengimbang (F) Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec. Sudut ω Daya angin P in Daya kincir P out tsr C p (%) m/s N rpm Nm rad/s watt watt 1 8, , ,31 181,91 0 4, ,35 0,29 901,33 0,06 94,39 172,45 5,56 4,52 3,22 3 8,61 0,78 828,00 0,16 86,71 189,29 13,61 4,03 7,19 4 8,71 0,98 797,33 0,20 83,50 195,96 16,38 3,83 8,36 5 8,68 1,18 757,00 0,24 79,27 193,72 18,66 3,65 9,63 6 8,44 1,37 720,67 0,27 75,47 178,51 20,73 3,58 11,61 7 8,49 1,57 694,33 0,31 72,71 181,70 22,83 3,42 12,56 8 8,75 1,77 646,67 0,35 67,72 198,90 23,92 3,09 12,02 9 8,72 1,96 607,00 0,39 63,56 196,64 24,94 2,92 12, ,84 2,16 560,67 0,43 58,71 204,87 25,34 2,66 12, ,67 2,35 531,33 0,47 55,64 193,05 26,20 2,57 13, ,73 2,45 493,00 0,49 51,63 197,54 25,32 2,36 12,82

55 38 Tabel 4.9 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm No Kec. Angin (v) Gaya pengimbang (F) Putaran kincir (n) Torsi (T) Kec. Sudut ω Daya angin P in Daya kincir P out tsr C p (%) m/s N rpm Nm rad/s watt watt 1 8, , ,69 189,73 0 3, ,56 0,29 749,33 0,06 78,47 186,23 4,62 3,67 2,48 3 8,84 0,49 725,00 0,10 75,92 204,64 7,45 3,44 3,64 4 8,44 0,78 691,00 0,16 72,36 178,09 11,36 3,43 6,38 5 8,61 0,98 661,33 0,20 69,25 189,29 13,59 3,22 7,18 6 8,51 1,28 589,00 0,26 61,68 182,99 15,73 2,90 8,60 7 8,59 1,47 560,00 0,29 58,64 187,97 17,26 2,73 9,18 8 8,59 1,67 534,67 0,33 55,99 187,75 18,67 2,61 9,95 9 8,79 1,86 448,00 0,37 46,91 201,64 17,49 2,13 8, Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Data-data hasil perhitungan diolah kembali dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (Nm) dengan putaran poros kincir (rpm), hubungan daya yang dihasilkan kincir (P out ) dengan putaran poros kincir (rpm) dan hubungan koefisien daya kincir (C p ) dengan tip speed ratio (tsr). Grafikgrafik untuk setiap variasi lapisan sudu kincir angin akan dijelaskan sebagai berikut :

56 Grafik Untuk Variasi Sudu Tanpa Lapisan 800 Putaran poros, n (rpm) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Torsi, T (Nm) Gambar 4.1 Hubungan putaran poros kincir dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm 20 Daya output, P out (watt) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Torsi, T (Nm) Gambar 4.2 Hubungan antara daya output dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm

57 40 12 Koefiisien daya, C p (%) C p = -6,945λ ,87λ - 33, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Tip speed ratio, tsr Gambar 4.3 Hubungan antara koefisien daya (C p ) dengan tip speed ratio (tsr) pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Pada Gambar 4.1 menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putaran kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 0,39 Nm dengan putaran kincir sebesar 412,67 rpm pada kecepatan angin 8,82 m/s. Pada Gambar 4.2, dapat dilihat bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka semakin besar juga daya kincir atau daya output (P out ) yang didapat sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,33 Nm yaitu sebesar 18,80 watt. Pada Gambar 4.3, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian nilai C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p sebesar 9,58 % pada tip speed ratio 2,59.

58 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan Sudu 1000 Putaran poros, n (rpm) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Torsi, T (Nm) Gambar 4.4 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm 20 Daya output, P out (watt) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Torsi, T (Nm) Gambar 4.5 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm

59 42 10 Koefisien daya, C p (%) C p = -2,620λ ,8λ - 5, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Tip speed ratio, tsr Gambar 4.6 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Pada Gambar 4.4, menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 0,41 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 332,33 pada kecepatan angin 8,86 m/s. Pada Gambar 4.5, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal yang dicapai adalah sebesar 16,18 watt dengan nilai torsi sebesar 0,29 Nm. Pada Gambar 4.6, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p 7,85 % pada tip speed ratio 2,48.

60 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan dan Belakang Sudu 1200 Kecepatan poros, n (rpm) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Torsi, T (Nm) Gambar 4.7 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm 30 Daya output, P out (watt) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Torsi, T (Nm) Gambar 4.8 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm

61 44 14 Koefisien daya, C p (%) C p = -2,792λ ,76λ - 6, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Tip speed ratio, tsr Gambar 4.9 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Pada Gambar 4.7, semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 0,49 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 493 rpm pada kecepatan angin 8,73 m/s. Pada Gambar 4.8, menunjukan bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,47 Nm yaitu sebesar 26,20 watt. Pada Gambar 4.9, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57.

62 Grafik Untuk Variasi Lapisan Anyaman Bambu pada Bagian Depan dan Lapis Pelat Aluminium pada Bagian Belakang Sudu 800 Putaran poros, n (rpm) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Torsi, T (Nm) Gambar 4.10 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm 20 Daya output, P out (watt) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Torsi, T (Nm) Gambar 4.11 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm

63 46 12 Koefisien daya, C p (%) C p = -5,615λ ,44λ - 26,41 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Tip speed ratio, tsr Gambar 4.12 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10 dan lebar sudu 10,5 cm Pada Gambar 4.10, menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 0,37 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 448 rpm pada kecepatan angin 8,79 m/s. Pada Gambar 4.11, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,33 Nm yaitu sebesar 18,67 watt. Pada Gambar 4.12, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p 9,95 % pada tip speed ratio 2,61.