BAB III METODOLOGI PENGUKURAN Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi energi yang dapat merubah energi kinetic dari gerakan angin menjadi energi listrik. Energi ini dibangkitkan oleh generator yang berhubungan dengan poros sudu kincir angina. Daya yang dapat dibangkitkan oleh kincir ini secara teoritis adalah [7] : P gen = ( 0,15/0,1 ) A r. V r 2 ( 3.1 ) Dengan : A r = luas sapuan rotor V r = kecepatan angin rata-rata Jika efesiensi kincir angin η dan kecepatan tertentu V diperhitungkan, maka daya yang dihasilkan kincir angina menjadi: P = ½. η. ρ. A r. V 3 ( 3.2 ) Dengan mengetahui besarnya daya keluaran kincir angin tersebut, maka akan diketahui apakah daya ini sesuai dengan besarnya daya yang diperlukan untuk perancangan kincir angin. 30
3.1. Prinsip Kerja Kincir angin yang dibuat ini adalah kincir angin poros vertikal dengan empat buah sudu variable. Sudut datang pada sudu berubah secara siklus kerena adanya perubahan posisi sudu terhadap arah angin. Arah putaran rotor adalah kearah sisi masukan sudu dan sudu hanya dapat bergerak didaerah antara silinder dan tepi pelat saja. Gaya yang terjadi pada sudu-sudu kincir angin ini kombinasi dari gaya-gaya aerodinamis, gaya dorong dan gaya tekan angin, sehingga menghasilkan momen torsi yang besar. Dan untuk menambah daya dorong angin yang menerpa sudu, ditambahkan pocket dibagian depan sudu, yang berfungsi untuk menjebak angin dan untuk menghindari terjadinya kibaran sudu, ditambahkan pegas tarik yang berfungsi untuk menarik sudu ke posisi awal. 3.2. Ciri Khusus Ciri khusus dari kincir angin ini adalah, pengaturan posisi sudu yang menyebabkan timbulnya gaya-gaya yang berguna untuk menambah kecepatan rotor. Yaitu gaya tekan angin akibat sudu sebagai airfoil dan gaya dorong akibat sudu sebagai nosel. 3.3. Kincir Angin Untuk membuat perhitungan kincir angin, diperlukan data awal perancangan. Karena kincir angin ini dapat dibuat sendiri dan tidak harus 31
memenuhi kriteria besar energi angin tertentu, maka bentuk rancangan dibuat seperti dibawah ini : Profil sudu Bahan sudu Tinggi sudu Lebar Cord sudu Tebal sudu maksimum Diameter rotor Diameter selubung Diameter poros sudu Dimeter poros utama : Khusus : Plat alumunium : 680 mm : 350 mm : 1 mm : 580 mm : 200 mm : 6 mm : 16 mm Rangka tower : Besi siku 40 x 40 Pully Generator : Alumunium ø 127 mm : Generator Alternator Mobil Kecepatan angin rata-rata : 2,8 m/s Penggunaan : Pembangkit Tenaga Listrik 32
Gambar: 3.1 Foto hasil perancangan kincir angin yang telah dibuat di lab Proses Produksi 3.4. Dasar Teori Kincir Angin Perhitungan prestasi aerodinamik kincir angin tersebut dikembangkan melalui dua metoda pendekatan yang tidak bergantungan yang lainnya, yaitu teori momentum dan teori elemen sudu ( blade element theory ). Dasar teori momentum adalah penentuan gaya-gaya bekerja terhadap rotor untuk menghasilkan gerakan fluida. Teori momentum tersebut sangat berguna dalam perkiraan effisiensi ideal dan kecepatan aliran, tetapi teori tidak dapat memberikan informasi yang berhubungan dengan bentuk sudu yang diperlukan untuk menghasilkan gerakan fluida. 33
Pendekatan teori elemen sudu berlainan dengan teori momentum dalam hal gaya-gaya yang dihasilkan oleh sudu-sudu merupakan hasil gerakan fluida. Hal ini tersebut disebabkan dalam pengembangan awalnya oleh kekurangan dalam pengertian atau pengetahuan tentang aerodinamika elemen dan inerferensi mutual sudu. Berdasarkan kepada analisa dalam literature, besarnya induksi aksial tersebut terletak antara 0 sampai 0,5. Umumnya pada stasion tip atau ujung sudu, pada rasio kecepatan tip lebih besar dari rasio kecepatan tip optimum, faktor induksi nampak lebih besar dari pada 0,5. Sudu yang dipakai pada umumnya mengikuti salah satu bentuk standar NACA, dimana terdapat dua sisi lengkung (cembung ) yang sama untuk memperluas aliran udara fluida yang dilewatinya pada kincir angin dengan sudu vertical ini, sudu dirancang dengan bentuk khusus.yaitu hanya dengan satu sisi lengkung (cembung ) pada permukaan yang dilewati udara. Sedangkan sisi sebaliknya membentuk cekungan. Sisi cembung sudu diletakkan menghadap sisi luar rotor, dimana bagian tersebut akan dilewati oleh udara yang bergerak, dan menimbulkan gaya-gaya aerodinamis. Sedangkan sisi cekung diletakkan menghadap ke dalam rotor atau berhadapan dengan slubung. Untuk memperhalus pembentukan nosel yang menimbulkan daya dorong pada rotor. Sudu direncanakan dengan dimensi sebagai berikut : Tinggi sudu 680 mm, lebar sudu 350 mm, tebal sudu maksimum 1 mm. Rancangan sudu yang ideal adalah permukaan bagian bawah sudu membentuk datar 34
dan membentuk sudut maksimum 15 terhadap garis datang angin. Tetapi pada prakteknya, dengan menggunakan sudu variable ini masing-masing sudu memiliki sudut berlainan terhadap arah datangnya angin. Pada sudu berubah posisi karena gaya dorong angin, bagian bawah sudu dan dinding selubung membentuk nosel. Agar laju udara yang melewati dinding sudu bagian bawah dibuat melengkung (cekung ) mengikuti lengkungan selubung. Beda antara bentuk ideal dan bentuk praktis dari bentuk sudu yang direncanakan, dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar: 3.2 Perbedaan bentuk sudu ideal dengan sudu yang di rencanakan 35
3.5. Pengaturan Sudu Saat rotor berputar yang cukup tinggi, sudu akan mengalami siklus membuka dan menutup secara cepat. Siklus perubahan posisi tersebut menimbulkan kibaran pada sudu. Sebelum sudu mencapai pada posisi menutup penuh, ia sudah bergerak ke posisi membuka kembali. Hal ini menyebabkan gaya-gaya yang menimbulkan gaya putar rotor, tidak berfungsi secara efesien. Untuk itu diperlukan pengaturan sudu agar tiap satu putaran rotor, terjadi satu siklus membuka dan menutup pada sudu. Rotor kincir angin ini akan menjebak angin paling banyak pada posisi sudu manutup. Untuk mempertahankan posisi ini dalam keadaan diam, sudu dilengkapi dengan pegas tarik. Saat rotor berputar sudu akan memperoleh gaya sentrifugal yang mendorongnya keluar. Dimana pada saat sudu berubah posisi kearah membuka terjadi dinding nosel yang memberikan daya dorong tambahan. Setelah satu putaran rotor, sudu akan kembali ke posisi semula. Dimana permukaan atas, sudu kembali mendapat daya dorong angin. Untuk menghindari gerakan menutup yang seketika cepat, akibat adanya gaya dorong angin dan gaya tarik pegas, sudu dilengkapi pula dengan damper hidrolis. Seperti saat sudu melakukan gerakan membuka. Saat sudu berubah posisi ke arah menutup terjadi pula dinding nosel yang memberikan daya dorong tambahan. 36
3.6. Prosedur Penelitian Hasil penelitian yang diperoleh dalam pengukuran adalah dalam bentuk ilmu, dimana prosedur yang harus dilakukan dalam penelitian adalah melakukan pengujian terhadap kajian teoritis yang dituangkan dalam bentuk hipotesis kemudian dicocokkan dengan data empiris ( hasil pengukuran ). Keberlakuan teori tersebut hanya dengan kata lain diterima atau tidak diterimanya hipotesis tergantung pada taraf keberartian yang digunakan. prosedur perancangan ini seperti pada diagram Gambar 3.3 3.7. Asumsi yang digunakan dalam perancangan ini ialah : 1. Tidak terdapat perubahan karakteristik kincir bila terjadi perubahan ρ,v,r,t sejauh konstruksi prototype kincir memiliki keserupaan geometri. 2. Perubahan kekentalan fluida diabaikan. 3.8. Variabel Yang Diamati Berdasarkan model perancangan hasil kincir yang telah dibuat adanya gaya-gaya yang bekerja pada kincir tersebut antara lain gaya yang bekerja pada sudu, poros kincir, gaya hambatan ( drag ) gaya sentrifugal torsi dan daya pada poros. Untuk menguji kebenaran model matematis, mengingat keterbatasan pengambilan data maka yang diambil hanya nilai variabelnya saja. 37
3.9. Alat yang digunakan Alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah anemometer, tachometer dan, kincir angin yang sudah dibuat. 3.10 Sumber Angin Sumber angin ini berasal dari alami dan buatan. Pada sumber angin alami berasal dari alam sekitar yaitu bisa berasal dari angin laut dan angin darat. Untuk itu maka diperlukan tempat yang cocok guna untuk memutarkan kincir angin sehingga dapat sebuah sumber daya listrik. Pada sumber angin buatan berasal dari wind tunnel di labotarium fenomena yaitu bisa berasal impeller wind tunnel yang digerakan dari motor listrik sehingga di dapatkan sebuah angin yang cukup kuat dengan kecepatan yang bisa diatur. Untuk itu angin itu dapat memutarkan kincir angin sehingga dapat sebuah sumber daya listrik. 38
Gambar 3.4 Wind Tunnel 3.10 Alternator Alternator ialah dynamo yang menghasikan arus boalk-balik. Alternator digerakan oleh pulli dan pulli dihubungkan oleh rotor dari kincir angin. Kumparandiputarkan dengan putaran sudut tetap, sehingga terjadi perubahan fluks magnetic pada kumparan. Perubahan ini meminbulakan listrik. 39
Gambar 3.5 Alternator 3.11 Multitester Multimeter alat ini digunakan untuk memperlihatkan besarnya arus dan tegangan listrik dihasilkan dari alternator. sehingga daya listrik yang dihasilkan akan diketahui besarnya 40
Gambar 3.6 Multitester 3.12 Anemometer Anemometer adalah alat untuk menghitung besarnya kecepatan angin. Anemometer ini dipergunakan di depan kincir angin sehingga bisa diketahui besar kecepatan yang datang kincir angin. 41
Gambar 3.7 Anemometer 3.14 Tachometer Tachometer berguna untuk menghitung besaran putaran yang dihasilkan dengan rotor dari kincir angin. Tachometer akan memberikan gambaran putaran per menit. 42
Gambar. 3.8 Tachometer Start Data : Kecepatan angin Putaran rotor Tegangan listrik Arus listrik Proses : Daya yang ditimbukan kincir Daya yang ditimbulkan Alternator Effesiensinya no Effesiensi kurang dari 100 % yes Di dapat daya listrik dengan tenaga penggerak angin End Gambar: 3.9.Flowchart pengujian kincir angin poros vertikal 43