KARAKTERISTIK KINCIR ANGIN MAGWIND 5 SUDU

KARAKTERISTIK KINCIR ANGIN MAGWIND 5 SUDU TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin Oleh : Prambudi Dangu Nugroho NIM : 085214029 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2012 i

THE FIVE BLADES MAGWIND WIND MILLS CHARACTERISTIC FINAL PROJECT Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering by Prambudi Dangu Nugroho Student Number : 085214029 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2012 ii

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam Tugas Akhir dengan judul : v

INTISARI Indonesia memiliki potensi angin yang cukup baik, karena sebagian pulau memiliki potensi angin yang bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin, tentunya dengan bantuan alat yang kita sebut dengan kincir angin. Salah satu kincir angin yang akan dibuat kincir angin MAGWIND. Kincir ini mempunyai kelebihan penempatanya dapat diletakan diatas atap rumah dan tidak membutuhkan kontruksi kincir angin yang besar. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui unjuk kerja kincir angin MAGWIND 5 sudu. Kincir angin yang diuji memiliki diameter 400 mm dan tinggi 500 mm. Pengujian dilakukan didalam terowongan angin yang ada di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Data yang diambil dalam pengujian kincir angin adalah kecepatan angin, kecepatan putar kincir dan beban pengereman. Hasil penelitian berupa daya output (Pout), koefisien daya (Cp), dan perbandingan kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin (Tip Speed Ratio/tsr). Daya yang dihasilkan oleh kincir angin MAGWIND dipengaruhi kecepatan angin, semakin besar kecepatan angin daya yang dihasilkan semakin besar. Pada kecepatan 8,23 m/s menghasilkan daya maksimal sebesar 2,7 watt, koefisien daya maksimum sebesar 7,5 % pada tsr 0,4 pada kecepatan angin 6,97 m/s. Kata Kunci : MAGWIND, Daya kincir, koefisien daya, Tip Speed Ratio.. vi

KATA PENGANTAR Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.SI., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3. Budi Sugiharto, S.T., M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 4. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik. 5. Intan Widanarko selaku Laboran Laboratorium Teknologi Mekanik Universitas Sanata Dharma. 6. Ign. Tri Widaryanto selaku Sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. 7. Agus Subali dan Warsini selaku orang tua penulis dan Wahyu Adityo selaku adik kandung, karena kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir 8. Dela Kustiani selaku teman dekat penulis yang selalu memberi semangat tiada hentinya. 9. Robertus Imam Wijaya selaku rekan sekelompok saya, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikkan alat dan pengambilan data. vii

10. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya. Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua. viii

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...... i TITLE PAGE........... ii HALAMAN PENGESAHAN........ iii DAFTAR DEWAN PENGUJI..... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... v INTISARI... vi KATA PENGANTAR........... vii DAFTAR ISI............... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xiii BAB I PENDAHULUAN..... 1 1.1. Latar Belakang. 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah....... 2 1.4. Tujuan Penelitian... 3 1.5. Manfaat Penelitian.... 3 BAB II DASAR TEORI........ 4 2.1. Konsep Dasar Angin............ 4 2.2. Kincir Angin......... 4 2.2.1. Kincir Angin Poros Horisontal..... 5 2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal...... 6 2.3. Kincir angin MAGWIND...... 8 2. 4. Putaran Pada Kincir....... 9 2.5. Energi Angin (Pin)... 10 ix

2.6. Torsi Kincir............... 12 2.7. Daya Yang Dihasilkan Angin (Pout) 13......... 2.8. Kecepatan Sudut Kincir... 13 2.9. Tip Speed Ratio (tsr)... 14 2.10. Koefisien Daya (efisiensi) Pada Kincir... 14 BAB III METODE PENELITIAN....... 16 3.1. Diagtam Alir Penelitian............ 16 3.2. Waktu Dan Tempat Penelitian... 17 3.3. Peralatan Dan Bahan Penelitian....... 17 3.4. Variabel Penelitian.............. 24 3.5. Langkah Percobaan... 24 3.6. Langkah Pengolahan Data... 26 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN... 27 4.1. Data Hasil Percobaan............ 27 4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan....... 28 4.2.1. Perhitungan Daya Angin (Pin)......... 29 4.2.2. Perhitungan Daya Kincir (Pout).......... 29 4.2.3. Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr)........ 30 4.2.4. Perhitungan Koefisien Daya Kincir (Cp)........ 30 4.3. Hasil Perhitungan........ 31 4.4. Grafik Hasil Perhitungan.......... 33 BAB V PENUTUP......... 36 5.1 Kesimpulan....... 36 5.2 Saran.......... x 36

DAFTAR PUSTAKA....... 38 LAMPIRAN........... xi 39

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal...... 6 Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal...... 8 Gambar 2.3 Kincir Angin MAGWIND...... 8 Gambar 2.4 Penempatan kincir angin MAGWIND.... 9 Gambar 2.5 Arah Putaran Angin....... Gambar 2.6 Grafik HubunganAntara Koefisien Daya (Cp) Dengan Tip 10 Speed Ratio (tsr) Dari Beberapa jenis Kincir... 15 Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah-langkah Penelitian..... Gambar 3.2 Konstruksi Kincir Angin...... 17 Gambar 3.3 Konstruksi Kincir Angin (Lanjutan)..... 18 Gambar 3.4 Sudu Kincir Keseluruhan..... 18 Gambar 3.5 Pembatas Sudu..... 19 Gambar 3.6 Penyangga Kincir........ 19 Gambar 3.7 Sistem Pembebanan..... 20 Gambar 3.8 Terowongan Angin atau Wind Tunel..... 21 Gambar 3.9 Blower..... 21 Gambar 3.10 Tachometer..... 22 Gambar 3.11 Anemometer..... 23 Gambar 3.12 Neraca Pegas..... 23 Gambar 3.13 Tali pengait beban (Lanjutan)..... 25 Gambar 3.14 Penyangga anemometer..... 25 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putar..... 33 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya yang dihasilkan kincir dengan kecepatan putar..... Gambar 4.3 16 34 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr)..... xii 35

DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Data Percobaan kincir 5 sudu...... 27 Tabel 4.1. Data Percobaan kincir 5 sudu (Lanjutan)...... 28 Tabel 4.2. Data hasil perhitungan untuk posisi 1...... 31 Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk posisi 2...... 31 Tabel 4.4. Data hasil perhitungan untuk posisi 3...... 32 Tabel 4.5. Data hasil perhitungan untuk posisi 4...... 32 xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Negara Indonesia memiliki kekayaan alam yang berlimpah, energi bahan bakar yang ada di setiap wilayah. Kebutuhan energi di dunia dan di Indonesia pada khususnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan sistem penggunaan energi yang terus meningkat. Ketersediaan energi bahan bakar yang selama ini merupakan sumber utama, kini ketersediannya mulai terbatas dan terus mengalami penipisan, karena selalu dipakai secara terus menerus. Sedangkan proses alami dari energi fosil sendiri memerlukan waktu yang sangat lama, sehingga perlu energi pengganti untuk mengurangi ketergantungan akan energi bahan bakar. Salah satu energi yang dapat digunakan sebagai alternatif lain untuk mengurangi ketergantungan akan energi bahan bakar adalah energi angin. Indonesia merupakan negara kepulauan memiliki potensi besar dalam pemanfaatan energi angin. Pemanfaatan energi angin dapat menggunakan berbagai cara, salah satu cara pemanfaatan energi angin adalah dengan menggunakan kincir angin. Kincir angin akan mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang kemudian dapat dikonversikan menjadi energi listrik. Dalam fungsinya sebagai energi listrik, maka energi listrik dapat digunakan untuk menggerakan peralatan elektronik. Energi angin yang memutar turbin angin, 1

2 kemudian diteruskan untuk memutar rotor pada generator sehingga akan mengasilkan energi listrik. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang sedang berkembang saat ini. Dari data yang dikeluarkan oleh Pusat Meteorologi dan Geofisika, MAGWIND pada tahun 2000. Dari data tersebut kincir angin merupakan salah satu jenis kincir angin yang bisa digunakan diwilayah Indonesia, karena kincir angin ini memiliki karakteristik yang secara umum bekerja pada kecepatan angin yang rendah dan menghasilkan torsi yang tinggi. 1.2. Rumusan Masalah Pada penelitian ini akan dibuat kincir angin MAGWIND dengan 5 sudu yang sudunya terbuat dari lembaran alumunium dan alas terbuat dari triplek. Kincir angin ini akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi kecepatan angin. 1.3. Batasan Masalah Batasan masalah yang ada pada penelitian ini adalah : 1. Jumlah sudu kincir angin MAGWIND yang digunakan adalah 5 sudu. 2. Tinggi kincirangin MAGWIND 50 cm, dengan tinggi sudu 21 cm, dan diameter 40 cm. 3. Beban pengujian menggunakan rem. 4. Penelitian dilakukan pada terowongan angin yang ada di Laboratorim Konversi Energi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: 1. Membuat dan menguji kincir angin MAGWIND dengan 5 sudu. 2. Mengetahui Daya dan Efisiensi kincir angin MAGWIND dengan 5 sudu. 3. Mengetahui pengaruh dari kecepatan angin terhadap kerja kincir angin. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah : 1. Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin MAGWIND 2. Memberi manfaat bagi teknologi energi terbarukan khususnya energi angin yang ada di Indonesia. 3. Memberi solusi sebagai pembangkit tenaga listrik yang dapat diterapkan pada daerah pemukiman penduduk.

BAB II DASAR TEORI 2.1. Konsep Dasar Angin Angin adalah udara bergerak yang dipengaruhi oleh udara disekitarnya. Ketika matahari bersinar, udara akan memanas dan bergerak naik. Udara panas yang naik digantikan oleh udara dingin. Kemudian matahari memanaskan juga udara yang dingin sehingga menjadi panas dan bergerak naik juga. Gerakan udara yang bergerak bergantian disebut aliran udara. Aliran udara inilah yang disebut sebagai angin. Negara Indonesia memiliki beberapa daerah yang memiliki potensi angin yang baik, sebagai pembangkit listrik tenaga angin dengan bantuan alat kincir angin. 2.2. Kincir Angin Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin pertama kali digunakan di kawasan Eropa, di negara Belanda kincir angin sering juga dipergunakan sebagai salah satu sarana pembantu dalam bidang pertanian dan industri. Istilah yang dipakai untuk menamai kincir pada waktu itu adalah Windmill. Kincir angin memang memegang peranan penting berbagai bidang di negara tersebut. 4

5 Berdasarkan posisi poros kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. 2.2.1. Kincir Angin Poros Horizontal Kincir Angin Poros Horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360⁰ terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Pada kincir angin poros horizontal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah : 1. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. 2. Material yang digunakan lebih sedikit. 3. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. 4. Memiliki faktor keamanan yang baik karena posisi sudu yang berada diatas menara tidak membahayakan keselamatan lingkungan di sekitarnya Kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal adalah : 1. Biaya pemasangan yang sangat mahal. 2. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir. 3. Dapat mempengaruhi radar di bandara. 4. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikan dengan arah angin.

6 Beberapa jenis kincir angin poros horizontal yang ditunjukan pada Gambar 2.1 a. Kincir angin American WindMill. b. Kincir angin Dutch four arm a.kincir angin American WindMill. b. Kincir angin Dutch four arm. Gambar 2.1. Kincir Angin Poros Horizontal (Sumberwww.fineartamerica.com, ) 2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) adalah jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin. Dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah mata angin. Pada kincir angin poros vertikal memiliki kelebihan, diantaranya adalah : 1. Tidak mengubah posisi jika arah angin berubah. 2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah.

7 3. Dapat bekerja pada putaran rendah. 4. Tidak membutuhkan kontruksi menara yang besar. 5. Biaya pemasangan lebih murah. Kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros vertikal adalah : 1. Penempatan yang berada diketinggian yang rendah maka tingkat keamanannya rendah karena membahayakan keselamatan lingkungan di sekitarnya. 2. Karena memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi yang besar untuk mulai berputar. 3. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan merupakan beban tambahan. 4. Lebih banyak membutuhkan material. 5. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi listrik yang dihasilkan kecil. Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang ditunjukan pada Gambar 2.2. berikut : a. Kincir angin Darreus. b. Kincir angin Savonius.

8 a. Kincir angin Darreus b. Kincir angin Savonius Gambar 2.2. Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber ::http://wikipedia.org/kincir_angin.) 2.3 Kincir angin MAGWIND Kincir angin MAGWIND diambil dari nama penemunya Maglev atau sering disebut dengan Maglev Axis Turbin Angin Vertikal ( MVAWT ). Merupakan salah satu jenis kincir angin poros vertikal yang pada umumnya mempunyai 3 sudu, 4 sudu, ataupun banyak sudu. Kincir jenis ini memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. Gambar 2.3. Kincir Angin MAGWIND

9 Kincir angin ini mempunyai beberapa kelebihan diantaranya: Kelebihan kincir angin MAGWIND : Tidak memerlukan struktur menara yang besar Biasanya memiliki tsr (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung blade dengan laju angin yang sebenarnya ) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang Mampu menerima angin dari segala arah. Biasanya dipasang diatap rumah, sehingga kecepatan angin lebih besar dibanding kecepatan disisi lain. Penempatan kincir seperti ditunjukan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Penempatan kincir angin MAGWIND 2.4. Putaran Pada Kincir Angin sebagai penggerak rotor pada kincir angin yang bertujuan untuk menghasilkan tenaga. Hal ini terlihat dengan adanya gaya yang diberikan angin kepada kincir. Yaitu obyek yang bergerak searah dengan angin, akan

10 menghasilkan gaya yang disebut gaya seret atau drag. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.5. berikut : ARAH PUTARAN DOWN WIND UP WIND ARAH ANGIN Gambar 2.5. Arah putaran angin n d Cara kerja pada kincir angin MAGWIND yaitu dengan mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanis dalam bentuk gaya dorong drag force. Salah satu sudu (downwind) mengambil energi angin dan sebagian sudu lagi (upwind) melawan angin. Besarnya torsi pada rotor dan kecepatan rotor (rpm) tergantung pada selisih drag force sudu upwind dan sudu downwind. Terkait dengan sumber daya angin, kincir angin dengan sudu banyak seperti MAGWIND lebih cocok diterapkan diwilayah dengan potensi energi angin rendah karena rated wind speed dapat tercapai pada putaran rendah dan kecepatan angin tidak terlalu tinggi. sedangkan kincir angin dengan sudu sedikit tidak akan beroperasi secara efisien pada daerah yang memiliki kecepatan angin rendah. 2.5. Energi Angin (Pin) Energi angin adalah energi yang dimiliki oleh angin karena kecepatannya,

11 yang merupakan suatu bentuk energi kinetik. Sehingga dapat ditulis persamaan 1: Energi kinetik (EK) = 0,5. m. v2 dengan : EK : Energi kinetik, (Joule) v : Kecepatan angin, (m/s) m... (1) : Massa, (Kg) Dari Persamaan 1, dapat ditentukan daya yang merupakan energi persatuan waktu (J/s), sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi : = 0,5. dengan.... (2) : Pin : Daya yang tersedia pada angin, (watt) v : Kecepatan angin, (m/s) m : Massa udara yang mengalir per satuan waktu, (Kg/s) Massa udara (ρ ) yang mengalir per satuan waktu adalah m = ρ. A. v... (3) dengan ρ : : Massa jenis udara, (Kg/m3)

12 A : Luasan penampang kincir, (m2) Persamaan 2 disubtitusikan ke persamaan 3, maka diperoleh daya yang terdapat pada angin : Pin = 0,5. ρ. A. v3... (4) Dalam penggunaannya dapat disederhanakan dengan mengansumsikan massa jenis udara (ρ ) = 1,2 Kg/m3, maka diperoleh persamaan daya pada angin : Pin = 0,6. A. v3... (5) 2.6. Torsi Kincir Gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar. Dengan mengkalikan keduannya maka akan menghasilkan torsi (T). Untuk perhitungan Torsi dapat dituliskan dengan persamaan berikut : T = F.ℓ dengan F ℓ... (6) : : Gaya pembebanan, (N) : Panjang lengan torsi, (m)

13 2.7. Daya Yang Dihasilkan Kincir (Pout) Daya yang dihasilkan kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dituliskan dengan persamaan berikut : Pout = T. ω... (7) dengan : Pout : Daya yang dihasilkan, (watt) ω : Kecepatan sudut, (rad/sec) T : Torsi, (N.m) 2.8. Kecepatan Sudut Kincir Kecepatan sudut dapat dikatakan juga sebagai perubahan sudut persatuan waktu dalam gerak melingkar, untuk mengkonversikanya perlu diingat bahwa 1 rpm = 2π /60 rad/sec. Kecepatan sudut dapat dituliskan dengan persamaan berikut: =. dengan : n... (8) : Kecepatan putar kincir, (rpm)

14 2.9. Tip Speed Ratio (tsr) Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin, tsr dapat dituliskan dengan persamaan berikut : = dengan....... (9) : r :Jari-jari kincir, (m) v : Kecepatan angin, (m/s) n : Kecepatan putar kincir, (rpm) 2.10. Koefisien Daya (Efisiensi) Pada Kincir Daya angin yang ideal untuk dapat dimanfaatkan kincir angin adalah 59% dari daya yang disediakan angin. Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 2.6

15. Ideal Propeller Savonius American multiblade High Speed Propeller Darrieus Dutch Gambar 2.6. Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) Dengan Tip Speed Ratio (tsr) Dari Beberapa Jenis Kincir. Koefisien daya (Power Coefficient/Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang tersedia (Pin) dengan daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout). Sehingga Cp dapat dirumuskan : = dengan Pout Pin.100%... (10) : : Daya yang dihasilkan kincir, (watt) : Daya yang tersedia, (watt)

BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian Langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir pada Gambar 3.1. Mulai Perancangan Kincir Angin MAGWIND Pembuatan Kincir Angin Poros Vertikal dengan Jumlah Sudu 5 Pengambilan Data n, v, dan F Variasi posisi wind tunnel dengan blower Pengolahan Data P in, P out, CP, dan TSR Pembahasan dan Pembuatan Laporan Selesai Gambar 3.1. Diagram Alir Langkah langkah Penelitian 16

17 3.2. Waktu Dan Tempat Penelitian Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester genap tahun ajaran 2011/2012 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3.3. Peralatan Dan Bahan Penelitian Model kincir angin MAGWIND beserta bagian-bagiannya ditunjukan pada Gambar 3.2. dan Gambar 3.3. Sudu kincir Pembatas sudu Penyangga kincir Gambar 3.2. Konstruksi Kincir Angin

18 Sistem pembebanan Gambar 3.3 Konstruksi Kincir Angin (Lanjutan) Kincir angin plat datar pada konstruksi diatas memiliki beberapa bagian penting, yaitu : 1. Sudu Sudu kincir untuk kincir angin plat datar terbuat dari plat aluminium dengan tebal 2 mm yang digunakan untuk menangkap angin yang melintasi kincir. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.4. 50 cm 21 cm 40 cm Gambar 3.4 Sudu Kincir Keseluruhan.

19 2. Pembatas sudu Berfungsi sebagai dudukan sudu dan pengikat sudu untuk membentuk sudu menjadi lengkungan. Terbuat dari triplek berdiameter 50 cm dengan tebal 0,7 cm. seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5 40 cm Gambar 3.5. Pembatas sudu 3. Penyangga Kincir Penyangga kincir terbuat dari balok kayu dengan ukuran 3 cm x 3 cm x 100 cm. Bagian ini berfungsi untuk menopang system pembebanan beserta kincir. Proses pembuatan dengan cara dipaku untuk menguatkan sambungan antar balok kayu, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6 Gambar 3.6.Penyangga Kincir

20 4. Sistem Pembebanan Sistem pembebanan yang dipakai adalah sistem pengereman pada sepeda tromol. Sistem ini menggunakan kampas rem yang berbentuk lingkaran dan terpasang didalam rumah tromolnya. Sistem ini dapat disetting dengan menggunakan sepasang baut yang berfungsi untuk mengatur kerapatan kampas rem dengan poros tromol. Sedangkan untuk pembebanan digunakan baut dengan panjang 2,5 cm untuk memvariasikan beban, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.7. Baut pembebanan Baut Adjuster Gambar 3.7. Sistem pembebanan Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang, diantaranya : 1. Terowongan Angin Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong berukuran 1,2 m 1,2 m 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana angin bergerak dengan kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat pengujian kincir

21 angin, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8. Di dalam lorong udara tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan. Gambar 3.8. Terowongan Angin atau Wind Tunnel 2. Blower Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kw, sebagai transmisinya menggunakan sabuk dan puli, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9. Gambar 3.9. Blower

22 3. Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, reflektor ini berupa alumunium foil atau benda warna yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10. Gambar 3.10. Tachometer 4. Anemometer Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Anemometer diletakkan didepan terowongan angin. Alat ini terdiri dari dua komponen utama, yaitu sensor elektrik yang diletakkan di depan terowongan angin dan modul digital yang

23 menerjemahkan data dari sensor kemudian ditampilkan pada layar digital, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11. Gambar 3.11. Anemometer 5. Neraca Pegas Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan panjang lengan yang telah ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12. Gambar 3.12. Neraca Pegas

24 3.4. Variabel Penelitian Variabel penelitian yang digunakan adalah : 1. Variasi pembebanan yaitu dari posisi kincir diam sampai kincir berputar maksimal. 2. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan 4 variasi. Variabel yang diambil adalah : 1. Kecepatan Angin, (m/s) 2. Gaya Pengimbang, (N) 3. Putaran Kincir, (n) 3.5. Langkah Percobaan Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama-sama. Hal pertama yang dilakukan adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Selanjutnya untuk pengambilan data memerlukan proses sebagai berikut : 1. Memasang neraca pegas serta pengaitnya pada tempat yang sudah ditentukan. 2. Memasang tali pengait pada neraca pegas yang dihubungkan dengan sistem pembebanan, seperti pada Gambar 3.13.

25 Gambar 3.13. Tali pengait beban 3. Memasang anemometer pada bagian depan terowongan angin, seperti pada Gambar 3.14. Gambar 3.14. Penyangga anemometer 4. Menempatkan tachometer pada tempatnya. 5. Blower siap untuk dihidupkan. 6. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan mengatur posisi antara blower dengan terowongan angin. Pengaturan dilakukan dengan cara menggeser blower sehingga jarak celah antara blower dengan terowongan angin dapat disesuaikan.

26 7. Setelah mendapat kecepatan angin yang konstan pengambilan data dapat dimulai dari pembacaan kecepatan putar kincir, besar torsi, dan kecepatan angin. 8. Ulangi langkah 4 hingga 7 sampai variasi posisi ke empat. 3.6. Langkah Pengolahan Data Dari data yang telah didapat, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut : 1. Dari data kecepatan angin (v) dan dengan diketahui luasan frontal kincir (A), maka daya angin (Pin) dapat dicari dengan Persamaan 2. 2. Data beban pegas (F) dapat digunakan untuk mencari torsi (T) dengan Persamaan 7. 3. Data putaran poros (n) dan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan Persamaan 6. 4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan kecepatan angin, maka tip speed ratio (tsr) dapat dicari dengan Persamaan 8. 5. Dari data daya kincir (Pout) dan daya angin (Pin) maka koefisien daya dapat diketahui dengan Persamaan 9.

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Data Hasil Percobaan Data hasil percobaan ditampilkan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1. Data percobaan kincir 5 sudu. No. Posisi 1 2 3 4 5 6 1 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2 v (m/s) 8,31 8,26 8,21 8,39 8,21 n (rpm) 337,5 325,7 324,3 313,9 320,1 F (N) 0 0,1 0,1 0,2 0,2 8,11 8,21 8,18 8,23 8,22 8,31 8,18 8,04 7,95 7,84 8,05 7,81 7,81 7,82 7,84 7,81 7,85 7,85 7,97 313,9 301,6 299,6 243,3 212,1 172,5 0 304,9 302,3 294,8 292,6 295,6 291,7 287,9 282,9 215,9 210,9 138,4 0 0,3 0,3 0,3 0,8 1 1,3 1,7 0 0,05 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 0,4 0,8 0,9 1,3 1,5 27

28 Tabel 4.1. Data percobaan kincir 5 sudu. (lanjutan) No. Posisi 2 5 26 27 28 29 3 0 3 31 32 33 34 35 3 6 37 38 39 40 4 1 42 43 44 45 46 4 v (m/s) 7,08 7,15 7,04 6,94 6,91 7,04 6,98 6,92 6,94 6,91 6,85 6,7 6,81 6,77 6,83 6,88 6,86 6,65 6,89 6,76 6,83 6,85 n (rpm) 286,4 285,7 283,3 276,1 268,2 261,2 258,7 241,4 211,3 179,1 0 270,4 268,3 266,3 263,3 297,3 257,2 256,1 248,2 179,9 166,8 0 F (N) 0 0,05 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 0,8 0,9 1,3 0 0,05 0,05 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,7 0,8 1,2 4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan Contoh perhitungan untuk kincir angin bersudu 5 pada Tabel 4.1. pada baris pertama dengan kondisi kincir bergerak dan jarak antara blower dengan terowongan pada posisi 1 (rapat). Perhitungan yang dilakukan untuk mengetahui besarnya daya angin (Pin), daya kincir (Pout), Tip Speed Ratio (tsr) dan koefisien daya kincir (Cp).

29 4.2.1. Perhitungan Daya Angin (Pin) Besar daya yang tersedia pada angin pada kincir angin dengan luasan frontal A= m2 dan kecepatan angin 8,26 m/s, maka daya angin dapat dicari dengan menggunakan persamaan 5 : Pin = 0,6. A. v3 = 0,6. m2. (8,26 m/s)3 = 48,01 watt Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 48,01 watt Perhitungan Daya Kincir (Pout) 4.2.2. Untuk mendapatkan daya yang dihasilkan oleh kincir, dapat menggunakan persamaan 6, namun untuk mendapatkan daya kincir sebelumnya harus mengetahui kecepatan sudut dan torsi kincir, maka untuk itu perlu dicari terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan 8 dan 7: = 2 60. 325,7 = 34,08 rad/sec Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 34,08 rad/sec Untuk mencari besar torsi yang terjadi pada kincir, menggunakkan persamaan 7. Sehingga torsi yang didapat adalah : T=F.ℓ = 0,1 N. 0,11 m = 0,01 N.m Sehingga torsi yang didapatkan adalah 0,01 N.m maka dapat

30 Dengan kecepatan sudut 34,08 rad/sec dan torsi 0,01 N.m, maka daya yang dihasilkan oleh kincir adalah : Pout = T. ω = 0,01 N.m. 34,08 rad/sec = 0,34 watt Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 0,34 watt. 4.2.3. Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) Dengan memgetahui kecepatan putar kincir 325,7 rpm dan kecepatan angin 8,26 m/s, maka tsr dapat dicari dengan menggunakan persamaan 9 : =...... = = 1,10.,., / Sehingga tsr yang didapatkan adalah 1,10 4.2.4. Perhitungan Koefisien Daya Kincir (Cp) Dengan mengetahui daya yang dihasilkan oleh angin 48,01 watt dan daya yang dihasilkan oleh kincir 0,34 watt, maka koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan persamaan 10 : = =,. 100 %, = 0,70 %. 100 % Maka Cp yang dihasilkanadalah 0,70 %

31 4.3. Hasil Perhitungan Dari percobaan yang telah dilakukan dengan mengatur kelonggaran blower dan terowongan, maka data yang didapatkan ditampilkan pada Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.5. Tabel 4.2. Data hasil perhitungan antara blower dan wind tunnel untuk posisi 1 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 v (m/s) 8,31 8,26 8,21 8,39 8,21 8,11 8,21 8,18 8,23 8,22 8,31 8,18 n (rpm) 337,5 325,7 324,3 313,9 320,1 313,9 301,6 299,6 243,3 212,1 172,5 F (N) 0,10 0,10 0,20 0,20 0,30 0,30 0,30 0,80 1,10 1,30 1,70 A T (N.m) ω (rad/sec) P in (watt) P out (watt) TSR CP (%) 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,09 0,11 0,14 0,19 35,32 34,08 33,94 32,85 33,50 32,85 31,56 31,35 25,46 22,19 18,05 48,89 48,01 47,14 50,31 47,14 45,44 47,14 46,63 47,49 47,32 48,89 46,63 0,37 0,37 0,72 0,73 1,08 1,04 1,03 2,24 2,44 2,58 0,85 0,82 0,82 0,78 0,81 0,81 0,76 0,76 0,61 0,54 0,43 0,78 0,79 1,43 1,56 2,38 2,20 2,21 4,71 5,16 5,28 TSR CP (%) Tabel 4.3. Data hasil perhitungan antara blower dan wind tunnel untuk posisi 2 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 v (m/s) 8,04 7,95 7,84 8,05 7,81 7,81 7,82 7,84 7,81 7,85 7,85 7,97 n (rpm) 304,9 302,3 294,8 292,6 295,6 291,7 287,9 282,9 215,9 210,9 138,4 F (N) 0,05 0,10 0,20 0,20 0,20 0,30 0,40 0,80 0,90 1,30 1,50 A T (N.m) ω (rad/sec) P in (watt) P out (watt) 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,04 0,09 0,10 0,14 0,17 31,91 31,64 30,85 30,62 30,93 30,53 30,13 29,61 22,59 22,07 14,48 44,28 42,80 41,05 44,44 40,58 40,58 40,74 41,05 40,58 41,21 41,21 43,13 0,17 0,33 0,67 0,68 0,67 0,99 1,30 1,98 2,18 2,07 0,79 0,79 0,78 0,76 0,79 0,78 0,77 0,75 0,57 0,56 0,36 0,40 0,82 1,51 1,67 1,65 2,44 3,17 4,89 5,30 5,02

32 Tabel 4.4. Data hasil perhitungan antara blower dan wind tunnel untuk posisi 3 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 v (m/s) 7,08 7,15 7,04 6,94 6,91 7,04 6,98 6,92 6,94 6,91 6,85 n (rpm) 286,4 285,7 283,3 276,1 268,2 261,2 258,7 241,4 211,3 179,1 F (N) 0,05 0,10 0,10 0,20 0,20 0,20 0,30 0,80 0,90 1,30 A T (N.m) ω (rad/sec) P in (watt) P out (watt) TSR CP (%) 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,09 0,10 0,14 29,97 29,90 29,65 28,89 28,07 27,33 27,07 25,26 22,11 18,74 30,23 31,14 29,72 28,47 28,11 29,72 28,97 28,23 28,47 28,11 27,38 0,16 0,32 0,31 0,61 0,60 0,59 0,83 1,94 1,85 0,84 0,83 0,84 0,83 0,81 0,77 0,77 0,73 0,63 0,54 0,52 1,09 1,11 2,19 2,02 2,05 2,95 6,83 6,60 Tabel 4.5. Data hasil perhitungan antara blower dan wind tunnel untuk posisi 4 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 v (m/s) 6,07 6,81 6,77 6,83 6,88 6,86 6,65 6,89 6,76 6,83 6,85 n (rpm) 270,4 268,3 266,3 263,3 297,3 257,2 256,1 248,2 179,9 166,8 F (N) 0,05 0,05 0,10 0,10 0,20 0,20 0,30 0,70 0,80 1,20 A T (N.m) ω (rad/sec) P in (watt) P out (watt) TSR CP (%) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,08 0,09 0,13 28,30 28,08 27,87 27,55 31,11 26,92 26,80 25,97 18,82 17,45 25,62 26,90 26,43 27,14 27,74 27,50 25,05 27,86 26,31 27,14 27,38 0,15 0,15 0,30 0,34 0,59 0,58 0,85 1,44 1,53 0,84 0,82 0,82 0,80 0,90 0,78 0,80 0,75 0,55 0,51 0,57 0,57 1,11 1,23 2,15 2,35 3,07 5,50 5,65

33 4.4. Grafik Hasil Perhitungan Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali kedalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm), daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan kecepatan putar kincir (rpm) dan koefisien daya kincir (Cp) dengan Tip Speed Ratio (tsr). Grafik disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada Gambar 4.1 sampai dengan 4.3. 0.2 0.15 kecepatan angin 8,23m/s 0.1 kecepatan angin 7,88m/s kecepatan angin 6,97m/s 0.05 kecepatan angin 6,80m/s 0-0.05 0 100 200 300 400 kecepatan putar kincir (rpm) Gambar 4.1. Grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putar Seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.1., semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan pada kecepatan putar kincir yang sama. Pada kecepatan angin 8,23 m/s torsi statis yang dihasilkan adalah 0,19 N.m dan kecepatan putar kincir maksimalnya adalah 337,5 rpm. Data yang tampak pada Gambar 4.1., mengelompok kesisi kanan sedang sisi kiri tertlihat renggang dikarenakan pengaturan pengereman dilakukan dengan pemutaran baut yang sama.

34 3 2.5 2 kecepatan angin 8,23m/s kecepatan angin 7,88m/s 1.5 kecepatan angin 6,97m/s kecepatan angin 6,80m/s 1 0.5 0 0 100 200 300 400 kecepatan putar kincir (rpm) Gambar 4.2. Grafik hubungan antara daya yang dihasilkan kincir dengan kecepatan putar Seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.2., semakin besar kecepatan putar semakin besar daya yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian daya mengecil. Dari perbandingan kecepatan angin semakin kecil kecepatan angin semakin kecil pula daya yang dihasilkan. Daya maksimal dicapai sebesar 2,7 watt pada kecepatan putar 170 rpm.

35 8 7 6 kecepatan angin 8,23m/s 5 kecepatan angin 7,88m/s 4 kecepatan angin 6,97m/s 3 kecepatan angin 6,80m/s 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 tsr Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3., semakin besar tsr maka semakin besar koefisien daya yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian mengecil. Koefisien daya maksimal dicapai sebesar 7,5 % pada tsr 0,4. Saat kecepatan angin 6,97 m/s. Meskipun semakin cepat kecepatan angin menghasilkan daya yang lebih besar seperti pada Gambar 4.2. namun koefisien daya yang dihasilkan tidak bertambah besar. Kecepatan angin 6,97 m/s merupakan kecepatan angin yang menghasilkan koefisien daya kincir angin MAGWIND dengan jumlah sudu 5 paling optimum. Hal tersebut dimungkinkan kecepatan angin bertambah besar semakin besar pula angin yang lewat sudu tanpa memberikan dayanya.

36

37

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpula n Dari pengujian model kincir angin MAGWIND yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Telah berhasil dibuat model kincir angin MAGWIND dengan jumlah sudu 5. Daya maksimal dicapai sebesar 2,7 watt pada kecepatan angin 8,23 m/s. 2. Daya maksimal dicapai sebesar 2,7 watt pada kecepatan angin 8,23 m/s. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan untuk kincir angin MAGWIND adalah 7,5 % dengan nilai tsr adalah 0,4 pada kecepatan angin 6,97 m/s. 3. Kincir angin MAGWIND memiliki koefisien daya optimum pada kecepatan angin 6,97 m/s. Kecepatan angin diatas atau dibawah 6,97 m/s menghasilkan koefisien daya yang lebih rendah. 5.2 Saran Adapun saran untuk pihak yang akan mengembangkan penelitian pada bidang ini adalah : 36

37 1. Untuk mendapatkan daya maksimal pada kincir dibutuhkan kecepatan angin yang besar dengan keadaan yang stabil. 2. Sebaiknya dilakukan pengambilan data lebih banyak, agar mendapatkan hasil yang lebih baik dengan cara pengaturan pengereman dengan pemutaran baut yang lebih sedikit per pengambilan data. 3. Untuk lebih meningkatkan kinerja kincir angin perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut dengan memvariasikan jumlah sudu dan kelengkungan sudu.

DAFTAR PUSTAKA Anwar, M. S, 2008, Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Angin Pada Stasiun Pengisian Accu Mobil Listrik, Tugas Akhir, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Institute Teknologi Sepuluh November Surabaya, Surabaya. Betz, A, 1966, Introduction to the Theory of Flow Machines, (D. G.Randall, Trans.) Oxford: Pergamon Press. Burton, T., Sharpe, D, 2001, Wind Energi Handbook, England. Daryanto, T, 2012, Energi Terbarukan, http://www.kompas.com diakses: Tanggal 22 April 2012. Daryanto,Y, 2007, Kajian Potensi angin UntukPembangkit Listrik Tenaga Bayu,Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2007. Pengelolaan Energi Nasional. Johnson, G.L, 2006, Wind Energy System, Manhattan, diakses : Tanggal 12 Agustus 2011. Mulyani, 2008, Kajian Potensi Angin Indonesia. Central Library Institute Technology Bandung. Okbrianto, C, 2009, Yogyakarta.Unjuk Kerja Kincir Angin Savonius Dua Tingkat, Tugas Akhir, jurusan Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.. Sastrowijoyo, F, 2008, Permasalahan Yang Sering Terjadi Pada Sistem Wind Turbine di Indonesia, : http://konversi.wordpress.com. diakses : Tanggal 22 Februari 2012. Sutrisna, F. K, 2011, Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Alamat web : http://indone5ia.wordpress.com, diakses : Tanggal 10 April 2012. 38

LAMPIRAN Proses pengambilan data 39