BAB IV ANALISA DATA DAN PERHITUNGAN 4.1 Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan pada tanggal 11 Desember 2012 Januari 2013 di Laboratorium Proses Produksi dengan data sebagai berikut : 1. Kecepatan angin (v) = 3 m/s sampai 5 m/s 2. Temperatur ruangan (T) = 30 C 3. Diameter kincir (Dk) = 94 cm = 0.94 m 4. Jari-jari pulley (r) = 3 cm = 0.03 m 5. Beban pada ujung kontruksi = 1 kg 6. Jumlah blade = 10 blade 7. Diameter rotor = 3.6 cm = 0.036 m FAKULTAS TEKNIK 32
4.2 Kerapatan Udara Dalam pengujian yang dilakukan diketahui bahwa suhu lingkungan adalah 30 C. Berdasarkan table kerapatan dan kekentalan udara pada 1 atm (lampiran 9) maka kerapatan udara (ρ) adalah 1,151 kg/m3. 4.3 Energi Kincir Angin Energi yang dimiliki oleh angin dapat diperoleh dari persamaan : E = Fa u (sesuai persamaan 1) Contoh perhitungan untuk kecepatan 4 m/s dengan pembebanan 0.5 kg pada putaran 18.4 rpm: Fa = ρav (v u) Fa = 1.151 3.14 0.47 2 4 (4 0.905) Fa = 9.880 N Maka : E = Fa u E = 9.880 0.905 E = 8.946 W 4.3.1 dapat diperoleh dengan menggunakan system pengeremam dengan menggantungkan beban pada pulley yang berputar. Disini saya menguji 2 tipe kontruksi pada tulang kincir. 1. Kincir tanpa beban di ujung kontruksi 2. Kincir dengan beban di ujung kontruksi kincir yaitu pada velg dengan beben 1 kg. FAKULTAS TEKNIK 33
Persamaan : T = F * r ( sesuai persamaan 7) Contoh perhitungan torsi pada kecepatan angin 4 m/s, dan pembebanan 0.5 kg. Tanpa beban dan dengan beban. T = 0.5 *9.8* 0.03 T = 0.147 Nm 4.3.2 Daya Kincir Daya kincir merupakan output dari daya angin, daya kincir dapat diperoleh dengan persamaan; P = T * ω (sesuai persamaan 6) Contoh perhitungan pada kecepatan 4 m/s, putaran 18.4 rpm dan pembebanan pengereman 0.5 kg. ( tanpa pembebanan ujung). P = T * 2πn/60 P = 0.147 * (2*3,14*18.4/60) P = 0.283 W Contoh perhitungan pada kecepatan 4 m/s putaran 15.2 rpm dan pembebanan pengereman 0.5 kg ( dengan pembebanan ujung 1 kg). P = T * ω P = T * 2πn/60 P = 0.147 * (2*3.14*15.2/60) P = 0.233 W FAKULTAS TEKNIK 34
4.4 Kinerja Kincir Kinerja kincir merupakan perbandingan antara daya output dan input dari kincir angin, dapat di tulis dengan persamaan ; 1. Kinerja kincir tanpa pembebanan. Sehingga; η = * 100% (sesuai perasamaan 5) η =. 8.946 * 100% η =3.16% 2. Kinerja kincir dengan pembebanan 1 kg pada ujung kincir. Sehingga; η = * 100% η =. 7,765 * 100% η =3.00% 4.5 Ratio Kecepatan Ujung Jika didefinisikan bahwa tip speed ratio (λ) adalah perbandingan antara kecepatan linier rotor dengan kecepatan angin sebelum sudu atau ditulis secara matematik: λ=. (sesuai persamaan 4) Sehingga ratio kecepatan ujung pada kecepatan angin 4 m/s dan beban pengereman 0.5 kg. λ =. / FAKULTAS TEKNIK 35
λ =,.. λ = 0.017 Untuk data yang lebih lengkap dapat dilihat pada table hasil perhitungan (Lampiran 1) 4.6. Pembahasan Dengan selesainya melakukan pengujian dan pengolahan data pada kincir angin tipe Us Farm Windmill maka diperoleh data-data daya ideal angin, torsi, daya kincir, ratio kecepatan ujung serta efisiensi dari kincir. Daya ideal angin yang diperoleh berbeda - beda, hal ini disebabkan kecepatan angin yang berbeda - beda pula. Di mulai dari kecepatan angin 3 m/s sampai 5 m/s, semakin cepat kecepatan angin, maka daya ideal angin semakin besar. Ketika kincir berputar dan apabila di gantungkan beban maka akan terjadi pengereman berupa gesekan antara pully dan tali nylon sehingga terjadi momen puntir pada poros yang biasa di kenal dengan, sehingga torsi dapat disimpulkan sebagai; T = F * r ( sesuai persamaan 7) FAKULTAS TEKNIK 36
m Gambar 4.1. Mekanisme pembebanan kincir Hubungan antara torsi dan pembebanan yaitu berbanding lurus artinya semakin besar beban yang di berikan (di gantung) pada poros maka torsi yang terjadi juga semakin besar dan sebalinya semakin kecil pembebanan yang di berikan pada kincir maka torsinya juga semakin kecil. untuk beban awal kincir bergerak dari diam berbeda saat kincir kalau sudah bergerak.. Seperti yang di perlihatkan tabel dan gambar berikut.: Tabel 4.1 pada kecepatan angin 4 m/s ( Tanpa pembebanan ujung). Kecepatan Angin (m/s) 4 VariasiPembebanan (kg) PutaranKincir (Rpm) (Nm) 0 32.2 0 0.3 24.5 0,088 0.5 18.4 0,147 0.7 12.0 0,205 0.9 6.7 0,264 0.8 0 0,235 FAKULTAS TEKNIK 37
Tabel 4.2. pada kecepatan angin 4 m/s ( Dengan pembebanan 1 kg pada ujung). KecepatanAngin (m/s) VariasiPembebana n (kg) PutaranKincir (Rpm) (Nm) 4 0 27.6 0 0.3 20.3 0,088 0.5 15.2 0,147 0.7 9.3 0,205 0.8 4.7 0,235 0.75 0 0,220 Dari perbandingan tabel di atas maka dapat di lihat bahwa penambahan beban pada ujung kontruksi kincir sebesar 1 kg mempengaruhi pada rpm dan torsi yang dihasilkan pada kincir dengan kecepatan angin dan pembebanan pada pengereman yang sama. 0.3 0.25 vs Rpm 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 20 25 30Rpm 35 Grafik 4.1. dihasilkan kincir sebagai fungsi putaran pada kecepatan angina 4 m/s ( tanpa pembebanan ujung). FAKULTAS TEKNIK 38
0.25 0.2 vs Rpm 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 20 25 Rpm 30 Gambar 4.2. dihasilkan kincir sebagai fungsi putaran pada kecepatan angin 4 m/s (dengan pembebanan 1 kg pada ujung ). 0.3 tanpa beban ujung Vs dengan beban ujung 0.25 0.2 tanpa beban ujung dengan beban ujung 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 20 25 30 Rpm 35 Grafik 4.3. Perbandingan torsi tanpa beban ujung dan dengan beban ujung pada kecepatan 4 m/s. FAKULTAS TEKNIK 39
Pembebanan pada ujung yang di berikan pada kincir angin tipe Us farm windmill 10 blade akan mengurangi putaran poros kincir, hal ini terjadi disebabkan adanya penambahan beban ujung kontruksi yang menyebabkan gaya dorong angin ke blade semakin berat sehimgga mempengaruhi keceptan dan percepatan sudut kincir tersebut. Momen inersia yang dihasilkan kincir tanpa beban ujung lebih kecil daripada beban ujung. Jika di tulis persamaan, misal pada angin 4 m/s seperti grafik diatas dapat di tulis perhitungan : Q = I. α ( sesuai persamaan 8) Inersia untuk tanpa beban ujung < Inersia dengan beban ujung Percepatan sudut tanpa beban ujung > Percepatan sudut dengan tambah beban = Keterangan: I = momen inersia (m 4 ) = d = diameter kincir (m) = α = percepatan sudut (rad/s 2 ) ω = kecepatan sudut (m/s) t = waktu (s) n = putaran (Rpm) FAKULTAS TEKNIK 40
Pada beban misal 1,1 kg pada kincir tanpa beban ujung dan dengan beban ujung torsi yang dihasilkan sama tapi rpm dengan beban ujung lebih kecil. Pada saat torsi maksimum, torsi yang dihasilkan kincir angin tanpa beban ujung lebih besar daripada dengan beban ujung. Hal ini dikarenakan rpm yang dihasilkan tanpa beban ujung lebih besar daripada dengan beban ujung, meski nilai inersia kincir tanpa beban ujung lebih kecil daripada dengan beban ujung. Nilai rpm inilah yang berpengaruh terhadap percepatan sudut. Setiap kenaikan kecepatan angin ( 3 m/s sampai 5 m/s) maka torsi maksimum yang terjadi semakin besar. Hal ini dapat kita lihat pada gambar grafik berikut. Tabel. 4.3. maksimum pada beberapa kecepatan angin (tanpa beban ujung) KecepatanAngin (m/s) VariasiPembebanan (Kg) PutaranKincir (Rpm) maksimum (Nm) 3 0.8 4.7 0.235 4 0.9 6.7 0.264 5 1.3 5.9 0.382 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 vs Rpm 0 10 20 30 40 Rpm 3 m/s 4 m/s 5 m/s Grafik 4.4. sebagai fungsi putaran pada berbagai kecepatan angin (tanpa beban ujung) FAKULTAS TEKNIK 41
Dari tabel dan gambar di atas dapat di jelaskan bahwa, kecepatan angin berbanding lurus dengan maksimum yang terjadi terhadap putaran poros, semakin cepat kecepatan angin maka torsi maksimum yang terjadi juga semakin besar dan terjadi di atas putaran poros kecepatan angin sebelumnya, demikian pula sebaliknya. Suatu kincir dapat menghasilkan daya karena kincir tersebut dapat menurunkan kecepatan angin. Kincir yang diam tidak menghasilkan daya sama sekali demikian pula bila kincir tersebut berputar sangat cepat, udara di blok secara sempurna. Diantara kedua harga tersebut terdapat putaran maksimum dimana terjadi daya maksimum dari sebuah kincir, sehingga apabila di buat dalam bentuk grafik maka akan membentuk garis setengah para bola. Daya 0.3 0.25 Daya Vs Rpm 0.2 0.15 0.1 4 m/s 0.05 0 0 10 20 30 Rpm 40 Grafik 4.5. Daya dihasilkan kincir sebagai fungsi putaran pada kecepatan angin 4 m/s (tanpa pembebanan ujung). FAKULTAS TEKNIK 42
Tabel. 4.4. Daya maksimum pada beberapa kecepatan angin (tanpa beban ujung) KecepatanAngin (m/s) Variasi Pembebanan (kg) Putaran Kincir (Rpm) Daya masimum (w) 3 0.3 20.3 0.187 4 0.5 18.4 0.283 5 0.7 21.2 0.456 Daya 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Daya Vs Rpm 0 10 20 30 Rpm 40 3 m/s 4 m/s 5 m/s Grafik 4.6. Daya sebagai fungsi putaran pada berbagai kecepatan angin ( tanpa pembebanan ujung). Untuk setiap kenaikan kecepatan angin (3 m/s sampai 5 m/s),daya, putaran dan kecepatan angin berbanding lurus, semakin cepat kecepatan angin maka daya maksimum semakin besar dan terjai diatas putaran daya maksimum sebelumnya. Hubungan daya maksimum, torsi maksimum dan putaran adalah maksimum terjadi dibawah putaran daya maksimum. Untuk lebih lengkap perbandingan daya kincir tanpa pembebanan ujung kontruksi dan dengan pembebanan ujung kontruksi ada pada (Lampiran). FAKULTAS TEKNIK 43
4.7 Penerapan Pada rangkaian pengujian saya yang diatas maka saya menerapkan kincir angin tipe Us Farm Windmill 10 blade pada suatu alat yaitu prototipe kincir pompa air tenaga angin. Saya membuat prototipe tersebut bersama dua teman saya Rio dan Bandrio. Spesifikasi Prototiope pompa air tenaga angin. 1. Tinggi Tiang Penyangga = 2.2 m 2. Diameter kincir = 0.94 m 3. Mata Gear atas dan bawah = 22 mata 4. Pipa wadah air = 0.5 inch 5. Panjang pipa wadah air = 0.15 m 6. Jumlah pipa wadah air = 15 buah 7. Kapasitas pipa wadah air = 125 ml Kapaitas air yang di keluarkan dari prototipe pompa air tenaga angin tipe Us Farm Windmill 10 blade menghasilkan 700 ml per menit dengan kecepatan angin alam rata-rata 3-5 m/s. FAKULTAS TEKNIK 44
Gambar 4.2. Pengujian akhir kapasitas keluaran air pada prototipe pompa air tenaga angin Sumber : Foto scan FAKULTAS TEKNIK 45
4.8 Analisis perbandingan kincir angin 10 blade dengan kincir angin 20 blade Tabel. 4.5. Tabel perbandingan torsi 10 blade dengan 20 blade pada berbagai kecepatan angin. KecepatanAngin VariasiPembebanan PutaranKincir maksimum (m/s) (Kg) (Rpm) (Nm) 3 0.8 4.7 0.235 4 0.9 6.7 0.264 5 1.3 5.9 0.382 KecepatanAngin (m/s) Variasi Pembebanan (kg) Putaran Kincir (Rpm) Daya maksimum (w) 3 0.9 16.5 0.457 4 0.9 21.8 0.604 5 1.1 22.5 0.762 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Grafik perbandingan torsi kincir 10 blade dengan 20 blade pada kecepatan angin 5 m/s 0 20 40 60 Kincir 10 blade Kincir 20 blade Rpm Grafik 4.7. Perbandingan torsi 10 blade dan 20 blade pada kecepatan angin 5 m/s. Dari tabel dan grafik diatas dapat disimpulkan bahwa semakin banyak jumlah blade maka torsi yang dihasilkan semakin besar pula. FAKULTAS TEKNIK 46
Tabel. 4.6. Tabel perbandingan daya 10 blade dengan 20 blade pada berbagai kecepatan angin. KecepatanAngin (m/s) Variasi Pembebanan (kg) Putaran Kincir (Rpm) Daya masimum (w) 3 0.3 20.3 0.187 4 0.5 18.4 0.283 5 0.7 21.2 0.456 KecepatanAngin (m/s) Variasi Pembebanan (kg) Putaran Kincir (Rpm) Daya maksimum (w) 3 0.9 16.5 0.457 4 0.9 21.8 0.604 5 1.1 22.5 0.762 Daya 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Perbandingan 10 blade denagn 20 blade pada kecepatan 5 m/s 0 10 20 30 40 50 60 Rpm Kincir 10 blade Kincir 20 blade Grafik 4.8. Perbandingan daya 10 blade dan 20 blade pada kecepatan angin 5 m/s. Dari tabel dan grafik diatas maka deproleh bahwa semakin banyak jumlah blade semakin besar daya yang dihasilkan. FAKULTAS TEKNIK 47