rancang bangun kincir angin model savonius …/rancan… · iii pernyataan dengan ini saya...

53
i RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS TERMODIFIKASI SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN Disusun oleh : MENTARI LAILLA RACHMAWATI M0206053 SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2010

Upload: ngothuy

Post on 02-Feb-2018

251 views

Category:

Documents


9 download

TRANSCRIPT

Page 1: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

i

RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS

TERMODIFIKASI SEBAGAI SUMBER ENERGI

TERBARUKAN

Disusun oleh :

MENTARI LAILLA RACHMAWATI

M0206053

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Juni, 2010

Page 2: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini dibimbing oleh :

Dosen Pembimbing I

Ir. Ari Handono R, M.Sc, P.hD.

NIP. 19610223 198601 1 001

Dosen Pembimbing II

Drs. Iwan Yahya, M.Si.

NIP. 19670730 199302 1 001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Senin

Tanggal : 5 Juli 2010

Anggota Tim Penguji :

1. Drs. Hery Purwanto, M.Sc.

NIP. 19590518198703 1 002 (...................................)

2. Drs. Harjana, M.Si, Ph.D.

NIP. 19590725 198601 1 001 (...................................)

Disahkan oleh

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dekan Fakultas MIPA

Prof. Drs. Sutarno, M.Sc, Ph.D.

NIP. 19600809 198612 1 001

Ketua Jurusan Fisika

Drs. Harjana, M.Si, Ph.D.

NIP. 19590725 198601 1 001

Page 3: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “

RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS

TERMODIFIKASI SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN” belum

pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi,

dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan

oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan

dalam daftar pustaka.

Surakarta, 21 Juni 2010

MENTARI LAILLA RACHMAWATI

Page 4: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

iv

MOTTO

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan, kerjakanlah dengan sungguh-

sungguh urusan yang lain” (QS. Al Nasyrah: 6-7)

“Bercitacitalah selama masih sanggup bermimpi, karena itulah keindahan pikiran manusia. Lakukanlah sesuatu yang ingin anda

lakukan karena disitulah kekuatan kemauan. Yakinlah dirimu untuk menguji batas keyakinan karena disitulah keberaniaun untuk sukses”

(Anomin)

“Belajarlah untuk menciptakan rasa bahagia dengan apa yang engkau miliki hari ini sementara engkau terus berjuang meraih apa yang

engkau inginkan “ ( Jim Rohn)

Page 5: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

v

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan kepada :

Ayahanda dan Ibunda Tercinta

My Little Young Brother Bintang Ashari

Bintang Kehidupanku Eko Susilo Nugroho ^-^

Page 6: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

vi

RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS

TERMODIFIKASI SEBAGAI SUMBER ENERGI

TERBARUKAN

MENTARI LAILLA RACHMAWATI

Jurusan Fisika. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret

[email protected]

ABSTRAK

Artikel ini merupakan hasil penelitian kincir angin poros vertikal tipe

Savonius L termodifikasi. Dalam penelitian ini dirancang empat turbin yang

terdiri dari satu turbin standar dan tiga turbin termodifikasi. Turbin terdiri dari dua

sudu dengan masing-masing luas sudu dibuat sama yaitu 0,029 m². Kincir angin

ini didesain dengan jari-jari lengan 10 cm dengan tinggi 20 cm. Modifikasi sudu

Savonius L dilakukan dengan merekayasa sirip aerodinamis dan memvariasi

penempatan sirip aerodinamis pada sudu.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan memvariasikan tiga

kecepatan angin dari kipas, maka didapat kecepatan putar turbin adalah berturut-

turut sebesar 137 rpm, 157 rpm dan 175 rpm. Turbin 4 dengan posisi sirip terluar

menghasilkan kinerja terbaik. Pengaruh dari posisi sirip terhadap putaran turbin

dan tegangan yang dihasilkan pada sudu sangat signifikan.

Kata kunci : Kincir Angin, Savonius L, Kecepatan, Putaran dan Sirip

Aerodinamis.

Page 7: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

vii

WINDMILLS DESIGN AS A MODEL SAVONIUS MODIFIED

RENEWABLE ENERGY SOURCES

MENTARI LAILLA RACHMAWATI

Department of Physics. Faculty of Science. Sebelas Maret University

[email protected]

ABSTRACT

This article explains the result of research on windmill with vertical shaft

a type Savonius L modified. This research was designed by four turbine consisting

of one standard turbine and three modified turbine. The turbine consist of two

blades with the total area of blades is 0,029 m². The turbine is designed with the

arm of windmill is 10 cm and the height of the windmill is 20 cm. The

modification of blades on the Savonius L is conducted by designing the

aerodynamical blades and variaying the position of the fin on the blades.

The result shows that by varying three wind speed of the fan will cause

the turbine rotating is 137 rpm, 157 rpm and 175 rpm recpectively. The Turbine 4

with the outer most fin shows the best performance. The influence of the variation

position of the fin on the blades to turbine rotation and generated voltage is very

significant.

Keyword: Windmills, Savonius L, Velocity, Rotation, and An Aerodynamics Fin

Page 8: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

viii

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr.Wb.

Alhamdulillaahirobbil’alamiin, Segala puji dan syukur bagi Allah SWT

atas rahmat, hidayah-Nya dan karunia-Nya Laporan Tugas Akhir dengan judul

“Rancang Bangun Kincir Angin Model Savonius Termodifikasi Sebagai

Sumber Energi Terbarukan” ini dapat terselesaikan dengan baik sesuai waktu

yang diharapkan. Shalawat serta salam semoga tercurah pada Rasulullah

Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan pengikutnya, yang telah

menyampaikan dien-Nya kepada kita semua.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat akademis untuk

menyelesaikan jenjang perkuliahan program strata 1 (S1) di Jurusan Fisika

Universitas Sebelas Maret. Penulis menyadari bahwa dalam menyelesaikan skripsi

ini mengalami berbagai kendala karena keterbatasan dan kemampuan penulis.

Dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-

pihak yang turut membantu penulis dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir

ini. Dengan rasa tulus dan ikhlas penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Sutarno M.Sc,Ph.D selaku Dekan FMIPA Universitas Sebelas

Maret.

2. Bapak Drs. Harjana, M.Si,Ph.D selaku ketua jurusan Fisika FMIPA UNS.

3. Bapak Ari Handono Ramelan M.Sc,Ph.D selaku pembimbing I yang telah

sabar memberikan dorongan dan bimbingan, saran untuk menyelesaikan tugas

akhir ini.

4. Bapak Drs. Iwan Yahya, M.Si selaku pembimbing II yang telah sabar

memberikan bimbingan, pengetahuan dan saran selama ini.

5. Bapak Mohtar Yunianto, S.Si, M.Si selaku pembimbing akademik.

Page 9: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

ix

6. Segenap dosen pengajar yang selama ini memberikan banyak pengetahuan dan

pengalaman.

7. Bapak, Ibu dan Adikku tercinta atas do’a, kasih sayang, dukungan moral dan

material yang tiada henti.

8. Keluarga besarku di Solo atas perhatian dan dukungannya.

9. Prince Rain City-ku Eko Susilo Nugroho atas motivasi, cinta, semangat dan

do’a yang diberikan selama ini, tunggu aku ya!.

10. Kakak Agung Rudi, Mbak Marizka, Mbak Dyah, Mas Novan atas bantuan,

saran dan informasinya.

11. Pak David, Pak Eko, Pak Ari, Pak Yun, Pak Johan atas informasi dan bantuan

dan sarannya.

12. Sahabat-sahabatku : Intun, Bek-bek, As3, Anis Soldier, Mumu atas canda tawa

dan kebersamaan selama ini, semoga silaturahmi kita tetap terjalin, teman-

teman micron : Pak Fu, Tatag, Hastow, Toriq, Bundo, Weedh, Bang Mail, D1,

Nanang, Tante, Galuh, hogwarts community : Mentri Leti, Luna Lina, Prefek

Fajri, Nyonya Bellatrix semoga persaudaraan hogwarts tetap terjalin sampai

peron 9 ¾ terlewati junior, semua teman-teman Fisika UNS angkatan 2006

yang tidak bisa disebutkan satu persatu, terimakasih atas bantuan dan

dukungannya.

13. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik dalam pelaksanaan

Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan Skripsi ini yang tidak dapat

disebutkan satu persatu.

Semoga Allah SWT memberikan balasan yang lebih baik atas kebaikan

dan bantuan yang telah engkau berikan. Dalam penyusunan laporan penelitian ini,

penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan baik dalam isi

maupun cara penyajian materi. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan

saran guna perbaikan di masa datang. Semoga laporan penelitian ini dapat

memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada. Amiin Yaa

Robbal’Aalamin.

Wassalamualaikum Wr.Wb.

Page 10: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

x

Surakarta, Juni 2010

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .................................................................................. i

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN.. ................................................................. iii

MOTTO ..................................................................................................... iv

PERSEMBAHAN ...................................................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ............................................................................ vi

HALAMAN ABSTRACT ......................................................................... vii

KATA PENGANTAR ............................................................................... viii

DAFTAR ISI ............................................................................................. x

DAFTAR TABEL ...................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiii

DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. xv

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................... 1

1.1 Latar Belakang .................................................................... 1

1.2 Perumusan Masalah ............................................................ 2

1.3 Batasan Masalah .................................................................. 3

1.4 Tujuan Penelitian ................................................................. 3

1.5 Manfaat Penelitian ............................................................... 3

1.6 Sistematika Penulisan............................................................ 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .............................................................. 5

2.1 Energi Angin ......................................................................... 5

2.2 Gaya Hambat (Drag) dan Gaya Angkat (Lift) ...................... 9

2.3 Turbin Angin ......................................................................... 9

2.3.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ................................ 10

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ..................................... 11

2.3.2.1 Turbin Darrieus ............................................... 11

2.3.2.2 Turbin Savonius .............................................. 12

2.4 Torsi, Daya dan Kecepatan ................................................... 14

2.5 Dinamo ................................................................................... 15

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................. 17

Page 11: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

xi

3.1 Metode Penelitian................................................................. 17

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian .............................................. 17

3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan.......................................... 17

3.4 Prosedur Penelitian .............................................................. 19

3.4.2 Langkah-langkah Penelitian .......................................... 19

3.4.2.1 Persiapan Alat dan Bahan ........................................ 19

3.4.2.2 Pembuatan Kerangka dan Kincir Angin Savonius .. 20

3.4.2.3 Pembuatan Kerangka dan Dinamo ........................... 22

3.4.2.4 Perakitan Kincir dengan Rangkain Pendukung ....... 22

3.4.2.5 Pengujian dan Pengambilan Data............................. 23

3.4.2.6 Analisa dan Pengolahan Data................................... 24

3.4.2.7 Kesimpulan dan Saran............................................... 24

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 25

4.1 Konstruksi Instrumen ........................................................... 25

4.2 Pengukuran Kecepatan Angin ............................................... 26

4.3 Pengukuran Putaran Turbin dan Output Tegangan ............... 29

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................... 35

5.1 Kesimpulan ........................................................................... 35

5.2 Saran ...................................................................................... 35

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 36

LAMPIRAN ........................…………...................................................… 39

Page 12: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

xii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1 Data Kecepatan Angin ............................................................. 26

Tabel 4.2 Data Kecepatan Angin Terhadap Putaran Turbin .................... 29

Tabel 4.3 Data Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan... ................. 31

Tabel 4.4 Nilai Tip Speed Ratio Turbin ................................................... 33

Tabel 4.5. Daya Angin................................................................................ 34

Page 13: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Grafik Hubungan Grafik Hubungan Cp dan λ dengan Batas

Betz (Betz Limit) (Roisin, 2007)................................................ 6

Gambar 2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal (Olson dan Visser, 2008)..... 11

Gambar 2.3 Turbin Darrieus (Olson dan Visser, 2008)................................ 12

Gambar 2.4 Tipe Turbin Savonius................................................................ 12

Gambar 2.5 Tipe Rotor Savonius (Sadaaki, Isao and T. Jiro, 2003)............. 13

Gambar 3.1 Alat Penelitian........................................................................... 18

Gambar 3.2 Desain Turbin Standar.............................................................. 20

Gambar 3.3 Desain Turbin Termodifikasi.................................................... 21

Gambar 3.4 Turbin termodifikasi.................................................................. 21

Gambar 3.5 Rangkaian Pendukung................................................................ 22

Gambar 3.6 Rangkaian Alat.......................................................................... 22

Gambar 3.7 Peletakan Anemometer Pada Screen Window.......................... 23

Gambar 4.1 Modifikasi Sirip Aerodinamis Pada Sudu Turbin...................... 25

Gambar 4.2 Pola Kontur Distribusi Angin Menggunakan Surfer V.9........... 27

Gambar 4.3 Interpretasi Sebaran Angin yang Mengenai Turbin Pada Screen

Window ..................................................................................... 28

Gambar 4.4 Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Kecepatan Angin...... 30

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Output Tegangan dengan Putaran Turbin...... 32

Gambar 4.6 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan TSR...................... 34

Gambar B.1 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran

Turbin 1 ..................................................................................... 41

Gambar B.2 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran

Turbin 2..................................................................................... 41

Gambar B.3 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran

Turbin 3..................................................................................... 42

Page 14: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

xiv

Gambar B.4 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Putaran

Turbin 4..................................................................................... 42

Gambar B.5 Grafik Hubungan Tip Speed Ratio Terhadap Kecepatan Angin

Pada Turbin 1........................................................................... 43

Gambar B.6 Grafik Hubungan Tip Speed Ratio Terhadap Kecepatan Angin

Pada Turbin 2............................................................................ 43

Gambar B.7 Grafik Hubungan Tip Speed Ratio Terhadap Kecepatan Angin

Pada Turbin 3............................................................................ 44

Gambar B.8 Grafik Hubungan Tip Speed Ratio Terhadap Kecepatan Angin

Pada Turbin 4............................................................................ 44

Gambar B.9 Grafik Hubungan Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan

Pada Turbin 1........................................................................... 45

Gambar B.10 Grafik Hubungan Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan

Pada Turbin 2.......................................................................... 45

Gambar B.11 Grafik Hubungan Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan

Pada Turbin 3....................................................................... 46

Gambar B.12. Grafik Hubungan Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan

Pada Turbin 4......................................................................... 46

Page 15: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran A Perhitungan............................................................................... 39

Lampiran B Grafik Hasil Penelitian............................................................ . 41

Lampiran C Data Hasil Penelitian................................................................ 47

Page 16: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-1-

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Angin adalah salah satu bentuk energi tertua yang telah lama dikenal dan

digunakan manusia. Sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena

ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah

keadaan temperatur dan kecepatan angin berbeda. Energi angin yang sebenarnya

berlimpah di Indonesia ternyata belum sepenuhnya dimanfaatkan sebagai

alternatif penghasil listrik, bahkan selama ini masih dipandang sebagai proses

alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif

masyarakat.

Ketahanan energi dunia sekarang menunjukkan penurunan khususnya energi

fosil. Di masa depan kebutuhan energi semakin besar disebabkan laju

pertumbuhan jumlah penduduk. Jika tidak ditemukan alternatif energi baru maka

akan terjadi krisis energi. Beberapa tempat di Indonesia sudah mengalami krisis

energi yang parah, sehingga pemadaman listrik sering terjadi khususnya di luar

pulau jawa ( DESDM,2005).

Pada perkembangan energi di masa depan harus ramah lingkungan.

Beberapa alternatif energi ramah lingkungan adalah energi angin. Potensi angin

yang ada dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik sekala kecil, kurang dari

satu Kwh, dapat dimanfaatkan untuk penerangan dan menghidupkan peralatan

listrik. Dengan mendesain alat konversi energi angin ke listrik yang sederhana

(buatan tangan), murah, dan mudah untuk dibuat. Hal ini memungkinkan

masyarakat awam untuk merawat dan memperbaiki sendiri sehingga transfer

teknologi berjalan dengan cepat.

Di dalam sistem konversi energi angin terdapat dua tantangan besar yaitu

efisiensi konversi energi keseluruhan dan fluktuasi dalam kecepatan dan arah

angin. Keluaran daya potensial energi angin yang lebih rendah menentukan bahwa

1

Page 17: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-2-

suatu sistem konversi yang maju harus berukuran besar jika ditunjukan untuk

menghasilkan jumlah daya listrik yang besar (Chan shin, 2001).

Kincir Savonius merupakan tipe kincir angin sumbu vertikal yang banyak

digunakan sebagai sistem konversi energi angin ke listrik karena mampu

menghasilkan listrik ketika angin memutar turbin. Kincir angin Savonius tipe L

termasuk jenis kincir Savonius dengan desain sisi sudu yang lurus lebih besar

dibandingkan pada sisi sudu lengkung seperempat lingkaran. Kincir ini biasanya

terdiri dari dua tabung atau sudu berdinding logam yang saling berhadapan dan

mempunyai poros ditengahnya. Prinsip kerja kincir angin adalah berdasarkan

interaksi sudu dan rotor dengan hembusan angin. Tetapi perputaran kincir ini

seringkali terhambat oleh gaya hanbat (drag) yang besar akibat angin yang

menyapu dinding sudu yang lebar.

Beranjak dari kekurangan tersebut dan beberapa faktor di atas maka penulis

melakukan eksperimen lebih lanjut untuk mencoba merekayasa kincir angin

Savonius tipe L dengan kinerja lebih baik yakni peningkatan kecepatan putar

dengan penambahan sirip aerodinamika pada bidang kincir. Dengan memvariasi

rangka sirip aerodinamika pada rotor Savonius L diharapkan memperoleh nilai

gaya hanbat (drag) yang kecil sehingga diperoleh putaran maksimum. Dengan

demikian diharapkan output tegangan lebih besar pula.

1.2. Perumusan Masalah

Kinerja turbin Savonius tipe L berkaitan dengan putaran rotor (rpm) yang

tinggi maka torsi yang bekerja juga bernilai tinggi. Putaran turbin (rpm) ini juga

berkaitan dengan output tegangan yang dihasilkan. Torsi dari suatu turbin angin

berkaitan dengan gaya hambat (drag). Besarnya gaya hambat ini dapat diturunkan

dengan memperbaiki desain sudu pada turbin Savonius tipe L dengan

memperbaiki sifat aerodinamis pada sudu. Sifat aerodinamis ini dapat diperoleh

dengan merekayasa sirip aerodinamis pada sudu turbin dengan memvariasi

penempatan dari sirip aerodinamis tersebut.

Page 18: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-3-

1.3. Batasan Masalah

Permasalahan pada penelitian ini dibatasi pada:

1. Model kincir Savonius tipe L dua sudu dengan sirip aerodinamis.

2. Perancangann kincir dihubungkan dengan dinamo.

3. Analisa dilakukan pada kondisi operasional.

4. Sumber fluida adalah angin yang berasal dari kipas Denpo.

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Merekayasa kincir angin dengan model Savonius L termodifikasi.

2. Mengetahui karakteristik kincir angin model Savonius termodifikasi.

3. Mengetahui kinerja kincir Savonius termodifikasi pada tegangan yang

dihasilkan.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Menghasilkan kincir angin model Savonius tipe L termodifikasi yang

dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi dengan biaya rendah.

2. Memberikan manfaat untuk perkembangan teknologi energi terbarukan,

khususnya mengenai energi angin dan kincir angin model Savonius L.

1.6. Sistematika Penulisan

Laporan skripsi ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:

BAB I Pendahuluan.

BAB II Tinjauan Pustaka

BAB III Metode Penelitian

BAB IV Hasil Penelitian dan Pembahasan

BAB V Kesimpulan dan saran

Pada Bab I dijelaskan mengenai latar belakang penelitian, perumusan

masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika

penulisan skripsi. Bab II tentang dasar teori. Bab ini berisi teori dasar dari

penelitian yang dilakukan. Bab III berisi metode penelitian yang meliputi waktu,

Page 19: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-4-

tempat dan pelaksanaan penelitian, alat dan bahan yang diperlukan, serta langkah-

langkah dalam penelitian. Bab IV berisi tentang hasil penelitian dan

analisa/pembahasan yang dibahas dengan acuan dasar teori yang berkaitan dengan

penelitian. Bab V berisi simpulan dari pembahasan di bab sebelumnya dan saran-

saran untuk pengembangan dan penyempurnaan lebih lanjut mengenai desain

turbin Savonius.

Page 20: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-5-

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara

antara tempat yang memiliki tekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah

atau dari daerah dengan suhu atau temperatur rendah ke wilayah bersuhu tinggi.

Perbedaan tekanan udara dipengaruhi oleh sinar matahari. Angin memiliki energi

kinetik karena udara memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v (

Rosidin, 2007).

Daya yang dihasilkan pada poros suatu turbin merupakan transformasi

energi kinetik yang terdapat pada aliran angin. Aliran angin yang bergerak dengan

kecepatan tertentu diserap oleh susunan sudu dari turbin angin. Secara matematis,

udara dengan massa m dan bergerak dengan kecepatan v, memiliki energi kinetik

sebesar:

2

2

1mvE (Nm) (2.1)

Dengan demikian dapat dihitung daya aliran angin dalam satuan watt yaitu:

32

2

1))((

2

1AvvAvPw (2.2)

Dalam hal ini: Pw daya angin (watt)

densitas udara ( 1,184 kg/m³)

A = luas penampang turbin (m2)

v = kecepatan udara (m/s)

5

Page 21: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-6-

Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas

sapuan rotor A adalah:

3

2

1

27

16AvPT

(2.3)

Angka 16/27 (=59.3%) ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari

ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi

maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu horisontal. Pada

kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung sudu, efisiensi

aerodinamik dari rotor(η), η rotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada

harga maksimum 0.45 untuk sudu yang dirancang dengan sangat baik ( Daryanto,

2007).

Besar daya yang diperoleh dari persamaan (2.2) merupakan daya murni

maksimum yang dihasilkan oleh aliran angin. Sedangkan daya yang dapat

dibangkitkan dari putaran rotor turbin savonius dapat dihitung melalui pendekatan

teori Betz. Percobaan Betz dapat dilihat pada Gambar (2.1) berikut:

Gambar 2.1. Grafik Hubungan Cp dan λ dengan Batas Betz (Betz Limit) (Roisin,

2007)

Page 22: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-7-

Baling-baling yang menggunakan gaya hambat (drag), seperti Savonius

dan American multi blade mempunyai ratio kecepatan yang rendah dan

koefisien power dari baling-baling yang menggunakan gaya angkat (lift) yaitu

Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Darrieus mempunyai ratio

kecepatan yang lebih tinggi.

Berdasarkan teori Betz yang divisualisasikan dalam bentuk grafik pada

Gambar (2.1), menjelaskan ketidakmungkinan suatu desain turbin angin yang

memiliki koefisien daya (Cp) diatas angka 59%. Hal ini dapat diartikan bahwa

desain turbin angin terbaik tipe apapun tidak akan menghasilkan efisiensi rotor

diatas 59%. Karena suatu turbin angin tidak akan mampu menyerap seluruh energi

kinetik yang berada dalam aliran angin.

Nilai Cp untuk satu tipe turbin angin tidak selalu sama karena nilai Cp

merupakan fungsi dari tip speed ratio (λ). Untuk mengetahui nilai Cp maksimal

yang mampu dihasilkan oleh sebuah turbin angin, maka perlu diketahui nilai tip

speed ratio yang dihasilkan.

Jika didefinisikan bahwa tip speed ratio (λ) adalah perbandingan antara

kecepatan linier rotor dengan kecepatan angin sebelum sudu atau ditulis secara

matematik, yaitu :

v

R (2.4)

Dalam hal ini: tip speed ratio

kecepatan sudut turbin (rad/s) 60

2 rpm

R jari-jari turbin (m)

v kecepatan angin (m/s)

TSR juga dapat diperoleh dari persamaan:

v

speedtipblade (2.5)

Page 23: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-8-

Blade tip speed merupakan kecepatan ujung blade atau rotor, yang didefinisikan

menurut persamaan:

60

)( Dxxrpmspeedrotationalspeedtipblade

(2.6)

Dalam hal ini D adalah diameter turbin.

Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya

angkat (liftt) dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami

gaya hambat (drag) (Rosidin, 2007).

Kinerja dari turbin angin disimbolkan oleh koefisien daya (Cp).

Koefisien ini menunjukkan energi yang dihasilkan oleh turbin angin sebagai

bagian dari total energi angin yang melalui luasan area turbin angin tersebut.

Koefisien ini biasanya dituliskan bersama tip speed ratio λ dalam bilangan reynold.

Koefisien daya (Cp) yang dapat ditulis menurut persamaan:

3

2

1Av

PC T

p

(2.7)

Dengan diketahuinya nilai λ dapat ditarik garis lurus vertikal pada grafik

Gambar (2.1) untuk mengetahui berapa nilai Cp maksimum. Pada savonius dengan

tinggi rotor H serta radius R, dikenai aliran angin berkecepatan v, diketahui

memiliki daya teoritis sebagai berikut:

3RHvCP pSAV (2.8)

Dari hasil hubungan Cp vs λ dapat dilihat bahwa penambahan efisiensi

akan sampai di suatu titik dimana nilai efisiensinya akan turun. Kejadian ini

dikarenakan turbin sudah mengalami perubahan kecepatan maksimum, sehingga

penambahan kecepatan turbin tidak sebanding dengan kecepatan angin.

Page 24: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-9-

2.2 Gaya Hambat (Drag) dan Gaya Angkat (Lift)

Semua benda dalam aliran fluida akan mengalami gaya-gaya karena

interaksi antara benda tersebut dengan aliran. Gaya-gaya tersebut dapat

dikategorikan sebagai gaya-gaya hambat (drag) dan gaya angkat (lift). Gaya

hambat udara (drag) merupakan gaya yang disebabkan oleh molekul-molekul dan

partikel-partikel di udara yang sejajar dengan aliran fluida. Gaya ini timbul oleh

perbedaan kecepatan antara benda padat dengan fliuda. Gaya ini dialami oleh

benda yang bergerak di udara. Pada benda yang diam gaya hambat udara nol.

Ketika benda mulai bergerak, gaya hambat udara ini mulai muncul yang arahnya

berlawanan dengan arah gerak, bersifat menghambat gerakan (itu sebabnya gaya

ini disebut gaya hambat udara). Semakin cepat benda bergerak semakin besar

gaya hambat udara ini. Gaya ini bekerja pada permukaan rotor.

Sedangkan gaya angkat (lift) ialah gaya yang dihasilkan oleh airfoil (

contohnya seperti pada sayap pesawat terbang) atau turbin sumbu horisontal saat

melintasi udara. Gaya yang timbul ini mampu mengangkat dengan arah yang

tegak lurus aliran angin. Resultan gaya angkat (lift) akan membantu perputaran

turbin sedangkan gaya hambat (drag) akan melawan perputaran dari turbin itu.

Perbedaan tekanan antara bagian atas dan bawah airfoil memberikan gaya angkat

pada turbin. Semakin melengkung (semakin aerodinamis) sayap atau airfoil maka

semakin besar gaya angkatnya. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profil

rotor.

2.3. Turbin Angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan

tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi

kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan

lain-lain. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda serta

negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan istilah windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi

kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan

Page 25: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-10-

menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun

sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi

pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD, PLTU, dan lain-lain), turbin

masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat

manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam

tak dapat diperbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi) sebagai bahan

dasar untuk membangkitkan listrik.

Turbin angin merupakan sebuah alat yang digunakan dalam sistem

konversi energi angin (SKEA). Turbin ini berfungsi merubah energi kinetik angin

menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Putaran poros tersebut kemudian

digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo

atau generator untuk menghasilkan listrik. Salah satu komponen utama dari turbin

angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi mengkonversi gerak linier arus angin

menjadi gerak putar poros.

Berdasarkan bentuk rotor, turbin angin dapat dibagi menjadi dua kategori

utama, yaitu turbin angin sumbu mendatar atau Horizontal Axis Wind Turbine

(HAWT) dan turbin angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine

(VAWT). Sedangkan klasifikasi turbin angin berdasarkan koefisien daya dan

speed ratio yaitu seperti pada Gambar (2.1).

2.3.1. Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin jenis ini ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan

sekarang. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah

baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau

membelakangi arah angin. Sebagian besar turbin angin jenis ini yang dibuat

sekarang mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin

bilah dengan baling-baling kurang atau lebih daripada yang disebut diatas. Contoh

turbin angin sumbu horizontal ditunjukkan pada Gambar (2.2) .

Page 26: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-11-

Gambar 2.2. Turbin Angin Sumbu Horizontal (Olson dan Visser, 2008)

Biasanya turbin jenis ini memiliki sudu berbentuk airfoil seperti bentuk

sayap pada pesawat. Pada turbin ini, putaran rotor terjadi karena adanya gaya

angkat (lift) pada sudu yang ditimbulkan oleh aliran angin. Pada tipe HAWT

memanfaatkan efek gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Oleh karena itu

kecepatan linier sudu dapat lebih besar daripada kecepatan angin. Turbin ini cocok

digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi, dan banyak digunakan sebagai

pembangkit listrik skala besar.

2.3.2. Turbin Angin Sumbu Vertikal

Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus,

dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya hambat (drag) sedangkan

Darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya angkat (lift).

2.3.2.1. Turbin Darrieus

Turbin Darrieus pertama diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun

1920-an. Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai sudu tegak yang berputar

ke dalam dan ke luar dari arah angin. Contoh turbin Darrieus ditunjukkan pada

Gambar (2.3).

Page 27: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-12-

Gambar 2.3. Turbin Darrieus (Olson dan Visser, 2008)

2.3.2.2. Turbin Savonius

Turbin ini ditemukan pertama kalinya di Finlandia oleh sarjana

Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922 dan berbentuk S apabila

dilihat dari atas. Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan

dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi

yang besar. Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu

setengah silinder (lihat Gambar 2.4.a).

Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan

bentuk rotor, tipe turbin angin Savonius di bawah ini, terlihat dari bagian atas

yaitu:

(a) Tipe U

(b) Tipe S

(c) Tipe L

Gambar 2.4 Tipe Turbin Savonius

a. Savonius tipe U sangat kuat karena terpusat di tengah atau pusat batang, tetapi

kurang efisien dibandingkan dengan dua tipe Savonius lainnya.

b.Desain savonius tipe S ini juga sangat sederhana dan juga dapat dirancang

dengan mudah dari drum. Desain Savonius ini sedikit lebih efisien daripada tipe

Savonius di atas karena beberapa aliran udara dibelokkan oleh kedua sudu lalu

keluar pada salah satu sisinya.

Page 28: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-13-

c. Savonius tipe L ini adalah desian yang paling efisien dari kincir angin

Savonius. Savonius tipe L ini tidak hanya memiliki keunggulan dari udara yang

dibelokkan menjadi dua kali tetapi juga sebagian vanes bertindak seperti sebuah

airfoil ketika berada di tepi, membuat efek angkat kecil sehingga meningkatkan

efisiensi.

Pada bentuk rotor Savonius setengah lingkaran (Savonius S), aliran udara

di kedua sisi sudu sama besar, sementara pada rancangan kedua (Savonius L)

aliran udara pada sisi sudu yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi sudu

lengkung seperempat lingkaran seperti pada Gambar (2.5).

(i) Savonius S

(ii) Savonius L

Gambar 2.5 Tipe Rotor Savonius (Sadaaki, Isao and T. Jiro, 2003)

Keunggulan VAWT (Vertikal Axis Wind Turbine) tipe drag terhadap

HAWT ( Horizontal Axis Wind Turbine) yaitu, bentuk sudu yang sederhana,

rendah noise, kerja pada aliran turbulensi lebih baik, memiliki torsi tinggi

sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo dapat ditempatkan

di bagian bawah turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak harus diubah

posisinya jika arah angin berubah, memiliki kecepatan awal angin yang lebih

rendah daripada HAWT. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah

sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran

yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan turbin angin sumbu

horisontal. Turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala

kecil.

Page 29: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-14-

2.4. Torsi, Daya dan Kecepatan

Gaya tangensial pada sudu ditimbulkan oleh adaanya komponen daya

angkat pada bidang putar, dikurangi dengan kemampuan daya seret (hambat)

yang berlawanan arah. Gaya tangensial pada rotor ini mempunyai jarak (lengan)

tertentu pada sumbu putar (poros) dan hasil kali kedua besaran ini disebut dengan

torsi (τ ). Sehingga torsi dapat ditulis pada persamaan (2.9) di bawah ini:

Fxr (2.9)

Besarnya torsi total yang bekerja pada suatu benda tegar maka dapat

digunakan untuk menentukan besar percepatan sudutnya dapat dihubungkan

dengan persamaaan (2.10) :

I (2.10)

Jika kemudian rotor ini berputar dengan kecepatan tertentu pula ( ω ), maka

berdasarkan hubungan antara torsi dengan kecepatan sudut, daya turbin ( P ) yang

timbul dapat dihitung menurut persamaan (2.11) :

P (2.11)

Dalam hal ini :

τ = Torsi (Nm)

ω = Kecepatan angular (rad/s)

P = Daya (watt)

Jika sudut dalam radian, satuan kecepatan sudut adalah radian per sekon

(rad/s). Satuan lain yang digunakan adalah putaran (revolusi) per menit (rev/menit

atau rpm). Konversi yang menghubungkan rpm dengan rad/s dapat ditunjukkan

pada persamaan (2.12) (Young dan Freedman, 2000). Karena 1 putaran = 2 rad,

maka:

1 rev/s = 2 rad/s, dan rev/menit 1 = 1 rpm = 60

2rad/s (2.12)

Page 30: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-15-

Rotor turbin angin merupakan kunci utama dalam perancangan turbin

angin tipe propeler Savonius L termodifikasi. Dalam turbin angin dikenal

beberapa macam kecepatan sebagai dasar analisa daya yang hendak dihasilkan,

yaitu:

a. Vcut-in : kecepatan angin dimana turbin mulai bekerja untuk

menghasilkan daya.

Vcut in = 0,7 x Vrata-rata (2.13)

b. Vstart : kecepatan angin minimum yang mampu menggerakan

rotor.

c. Vcut-out : Kecepatan angin maksimum dimana kondisi ini sangat

membahayakan kekuatan rotor.

d. Vrate : Kecepatan angin yang mampu menghasilkan daya dengan

efisiensi maksimum.

Vrate = 1,5 x Vrata-rata (2.14)

e. V furling : Kecepatan bebas dimana turbin angin tidak menghasilkan

daya lagi.

Vfurling = 3 x Vrata-rata (2.15)

f. Vmean : kecepatan angin rata-rata disuatu daerah.

2.5. Dinamo

Dinamo adalah suatu komponen yamg dapat mengubah energi gerak

menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari menggunakan teori medan

elektromagnetik. Poros pada dinamo dipasang dengan material ferromagnetik

permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang berbentuk kumparan-

kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros mulai berputar maka terjadi

perubahan fluks pada strator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks akan

dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Dinamo mempunyai dua bagian

utama yaitu stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak).

Page 31: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-16-

Jika kumparan di putar di dalam medan magnet (B), maka jumlah fluks

magnetik dalam kumparan akan berubah, sehingga menurut Faraday akan

menghasilkan GGL induksi, sesuai dengan persamaan:

dt

dN

(2.16)

Karena fluks magnetik Φ = B.A. cos θ , dimana θ = ω.t, maka GGL

induksi pada generator menjadi:

).(.dt

dBAN

dt

dN

(2.17)

Sehinngga GGL induksi pada dinamo sesuai dengan persamaan:

)sin(... tABN (2.18)

Dalam hai ini:

ε = GGL induksi (volt)

N = jumlah lilitan

dt

d= perubahan fluks tiap satuan waktu

ω = kecepatan sudut kumparan saat berputar (rad/s)

Page 32: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-17-

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

3.1.1. Pembuatan Turbin Angin Savonius

Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental.

Kegiatan dalam penelitian meliputi pembuatan turbin dan integrasinya dengan

dinamo. Kemudian turbin yang telah dibuat, diuji dengan melakukan pengukuran

rpm menggunakan strobometer dan anemometer untuk mengukur kecepatan angin

yang berhembus. Sedangkan output tegangan diukur dengan voltmeter dan lampu

sebagai indikator.

3.1.2. Pengambilan Data

Pengambilan data didasarkan pada eksperimen menggunakan satu turbin

standar dan tiga turbin termodifikasi untuk kemudian dibandingkan hasilnya. Data

yang dicatat antara lain jumlah putaran per menit pada variasi kecepatan angin

dan besar tegangan pada variasi kecepatan turbin berputar yang dipengaruhi pula

oleh kecepatan angin.

3.2 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan mulai dari April 2010 sampai dengan Juni 2010 di

Laboratoruim Bengkel Jurusan Fisika Fakultas MIPA dan Sub Laboratorium

Fisika UPT Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.3 Alat dan Bahan

a. Strobometer digital model 87600-00

b. Anemometer digital testo 400 versi 1.2

c. Kipas Angin Denpoo model DBF-1122

d. Multimeter digital

17

Page 33: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-18-

e. Rol kabel

f. Penggaris

g. Busur derajat

h. Aluminium lembaran 0,3 mm

i. Bearing tamiya

j. Ruji sepeda

k. Lem alteco

l. Kayu

m. Gear tamiya

n. Dinamo

o. Led

p. Peralatan pertukangan

Gambar (3.1) dibawah ini adalah gambar peralatan penelitian.

(a) Kipas

(b) Strobometer

(c) Anemometer

(d) Multimeter

digital

(e) Rol kabel

(f) Indikator kipas

anemometer

Gambar 3.1 Alat Penelitian

Page 34: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-19-

3.4 Prosedur Penelitian

3.4.1. Diagram Alir Penelitian

3.4.2. Langkah- Langkah Penelitian

Keterangan dari diagram alir penelitian adalah sebagai berikut:

3.4.2.1.Persiapan Alat dan Bahan

Persiapan meliputi persiapan bahan dasar yang akan di gunakan dalam

pembuatan prototipe, alat-alat yang akan digunakan maupun persiapan akses

laboratorium yang akan di gunakan untuk pengujian.

Persiapan alat dan bahan

Membuat kincir angin model Savonius

Pengujian Alat dan pengambilan data

Pembuatan Kerangka dan dinamo

Kesimpulan dan saran

Perakitan kincir dengan rangkaian pendukung

Analisa dan pengolahan data

Page 35: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-20-

3.4.2.2.Pembuatan Kerangka dan Kincir Angin Savonius

Turbin Savonius standar tidak memiliki sisi sirip aerodinamis sedangkan

turbin yang dimodifikasi memiliki sisi aerodinamis dengan ukuran sirip konstan

untuk semua turbin termodifikasi. Turbin Savonius pada penelitian ini berbahan

dasar aluminium dengan tebal 0,3 mm. Material aluminium ini bersifat tahan

korosi, ringan dan mudah dibentuk. Turbin pada penelitian ini memiliki ukuran

panjang 20 cm dan lebar 14,5 cm dengan diameter turbin 20 cm dan sudut 45◦.

Poros turbin berasal dari ruji sepeda dengan panjang 28 cm.

Sirip aerodinamis memiliki lebar 2 cm dan tinggi 3 cm dengan 3 posisi

yang berbeda yang diletakan pada sisi lengan yang lurus pada sudu turbin.

Gambar (3.2) menunjukkan desain turbin standar sedangkan Gambar (3.3)

menunjukkan desain turbin Savonius yang termodifikasi

Gambar 3.2. Desain Turbin Standar

6 cm

5 cm

45º

20 cm

10 cm

Page 36: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-21-

Gambar 3.3. Desain Turbin Termodifikasi

Aluminium dipotong dengan gunting dan dibentuk sesuai desain.

Bagian-bagian turbin direkatkan perekat komersial (isolatip dan lem alteco).

Setelah itu turbin diberi poros besi. Gambar (3.3) adalah turbin angin standar dan

tiga turbin yang dimodifikasi:

Gambar 3.4. Berurutan dari Kiri ke Kanan: Turbin 1 Standar, Turbin 2

Modifikasi, Turbin 3 Modifikasi, Turbin 4 Modifikasi

5 cm

45º 2 cm

Sirip Aerodinamis

Page 37: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-22-

3.4.2.3. Pembuatan Kerangka dan Dinamo

Rangkaian penegak merupakan rangka tempat berputarnya turbin dan

tempat tegaknya turbin yang setelah selesai dibuat sehingga turbin dapat berputar

ketika dikenai angin. Rangkaian penegak ini terdiri dari kayu yang dibentuk

persegi berukuran 30 x 30 cm, landasan dan untuk tempat berputarnya poros besi

turbin diberi bearing tamiya dengan diameter 0,8 mm sebanyak dua buah yang

diletakan pada atas dan bawah rangka pemutar. Sedangkan dinamo dirangkai

dengan lampu led dan sebagainya. Berikut ini adalah gambar alat:

(a) Bingkai penegak

(b) Dinamo

Gambar 3.5. Rangkaian Pendukung

3.4.2.4.Perakitan Kincir dengan Rangkaian Pendukung

Kincir Savonius di rangkai dengan bingkai penegak, gear, dinamo, led dan

sebagainya. Gambar (3.5) adalah gambar rangkaian alat:

Gambar 3.6. Rangkaian Alat

Page 38: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-23-

3.4.2.5.Pengujian Alat dan Pengambilan Data

Pengujian turbin Savonius yang telah dibuat diantaranya meliputi

pengujian kecepatan sumber angin yang berasal dari kipas angin Denpoo dengan

menggunakan anemometer. Setelah itu kecepatan putar turbin diukur dengan

menggunakan strobometer. Alat uji yang digunakan baik anemometer,

strobometer, multimeter dan sumber angin yang berasal dari kipas harus

dipastikan dalam keadaan baik sesuai dengan fungsinya. Maka sebelum dilakukan

pengambilan data, dilakukan set up alat sehingga pengambilan data berjalan

sesuai yang diharapkan.

Pengambilan data terdiri dari pengukuran kecepatan angin dengan

anemometer dengan screen window yang diletakan tepat didepan turbin. Screen

window berfungsi untuk mengetahui pola sebaran distribusi angin yang mengarah

ke turbin dari sumber.

Gambar 3.7. Peletakan Anemometer Pada Screen Window (contoh pada matriks 7)

Screen window berukuram 30 x 30 cm dan terbagi dalam matriks 4 x 4.

Anemometer diletakan pada tengah tengah setiap matriks. Pada penelitian ini,

pengambilan data menggunaka tiga variasi kecepatan angin yang berasal dari

sumber. Setelah kecepatan angin ditentukan, kemudian diukur banyaknya rotasi

permenit pada putaran turbin menggunakan strobometer digital. Gear tamiya

dipasang pada poros besi turbin yang dihubungkan dengan gear pada dinamo.

Saat ada sumber angin maka turbin akan berputar sehingga gear pada poros turbin

Page 39: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-24-

akan ikut berputar dan membuat gear dinamo berputar sehingga dapat diperoleh

output tegangan ac dari dinamo dengan menggunakan multimeter. Data yang di

peroleh selanjutnya di analisa.

3.4.2.6.Analisa dan Pengolahan Data

Setelah memperoleh data, dilakukan pengolahan data dan dilakukan

analisa data. Apabila terdapat data yang kurang bagus dapat dilakukan

pengambilan data kembali. Interpretasi data ini dilakukan dengan mengolah dan

menganalisa data yang didapat serta membandingan data antara turbin angin, juga

membandingkan dengan teori yang dijadikan acuan.

3.4.2.7. Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan adalah menyimpulkan hasil penelitian berdasarkan

analisis yang telah dilakukan dan memberikan saran untuk perbaikan penelitian

selanjutnya.

Page 40: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-25-

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Konstruksi Turbin

Dalam penelitian ini telah berhasil dibuat turbin angin Savonius tipe L

standar dan tiga buah turbin Savonius L yang dimodifikasi. Modifikasi turbin

Savonius ini dengan menambahkan sirip aerodiamis pada bagian sudu.

Penambahan sirip aerodinamis pada turbin Savonius L ini diharapkan dapat

mengatasi permasalahan gaya hambat (drag) yang besar akibat desain sudu turbin

Savonius L ini yang terlalu lebar. Sehingga dengan penambahan sirip diharapkan

dapat memperkecil gaya hambat (drag) dan turbin dapat berputar lebih cepat.

Modifiksi seperti pada Gambar (4.1) berikut.

Gambar 4.1. Modifikasi Sirip Aerodinamis Pada Sudu Turbin

(b) Turbin 2 (a) Turbin 1

(c) Turbin 3 (d) Turbin 4

25

Page 41: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-26-

4.2. Pengukuran Kecepatan Angin

Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan angin. Pada saat

tertiup angin, baling-baling yang terdapat pada anemometer akan bergerak sesuai

arah angin. Pengujian menggunakan kipas (fan) menyebabkan aliran angin hanya

satu arah, padahal pada kenyataannya rancangan turbin dapat menerima angin

dari segala arah, maka pola sebaran distribusi angin yang mengarah ke turbin di

catat pada bidang screen window yang diletakan tepat didepan turbin seperti pada

Gambar (3.6). Pada penelitian ini menggunakan tiga variasi kecepatan angin yang

berasal dari kipas. Tiga variasi kecepatan angin dari sumber didefinisikan dengan

kecepatan 1, kecepatan 2 dan kecepatan 3 seperti pada Tabel (4.1).

Tabel 4.1 Data Kecepatan Angin.

Kooordinat x

(cm)

Koordinat y

(cm)

Kecepatan 1

(m/s)

Kecepatan 2

(m/s)

Kecepatan 3

(m/s)

3,50 3,50 0,7 0,7 0,7

3,50 11,00 2,8 3,0 3,7

3,50 18,50 4,8 5,7 6,0

3,50 26,00 3,6 4,4 4,7

11,00 3,50 3,1 3,4 4,0

11,00 11,00 4,5 5,5 5,9

11,00 18,50 4,0 4,6 5,2

11,00 26,00 2,4 2,8 3,2

18,50 3,50 2,3 3,0 3,3

18,50 11,00 3,7 4,2 4,8

18,50 18,50 2,2 2,4 2,8

18,50 26,00 1,5 1,8 2,0

26,00 3,50 0,6 0,6 0,6

26,00 11,00 3,1 3,7 4,4

26,00 18,50 3,0 3,6 4,0

26,00 26,00 3,5 4,1 4,4

Page 42: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-27-

Peningkatan kecepatan angin dari sumber dikarenakan terjadinya

peningkatan pada perbedaan tekanan udara, semakin tinggi perbedaan tekanan

udara maka laju aliran angin akan semakin cepat.

Dari data kecepatan angin yang diperoleh pada Tabel (4.1) kemudian

dibuat kontur dan interpretasi pola distribusi angin menggunakan perangkat lunak

Surfer V.9 dan hasil yang diperoleh seperti pada Gambar (4.2).

(a) Kecepatan 1

(b) Kecepatan 2

(c) Kecepatan 3

Gambar 4.2. Pola Kontur Distribusi Angin Menggunakan Surfer V. 9.

Page 43: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-28-

Maka pola distribusi kecepatan angin yang mengenai turbin dapat

diinterpretasikan dalam layer seperti pada Gambar (4.3) berikut:

(a) Kecepatan 1

(b) Kecepatan 2

(c) Kecepatan 3

Gambar 4.3. Interpretasi Sebaran Angin yang Mengenai Turbin Pada Screen

Window

Pengukuran kecepatan angin ini tidak menghasilkan nilai yang sama di

setiap titik matriks pada screen window karena aliran angin yang berasal dari

kipas, besar dan arahnya tidak konstan. Hal ini diketahui dari pengukuran yang

dilakukan pada beberapa titik dan hasil dari interpretasi pada Gambar (4.3). Dari

Page 44: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-29-

Gambar (4.3) variasi kecepatan dari kipas memiliki pola sebaran angin yang

hampir sama. Terlihat kecepatan angin lebih banyak diterima turbin pada

koordinat x antara 0,00 sampai dengan 15,00 cm dengan koordinat y antara 10,00

sampai dengan 25,00 cm.

Berdasarkan hasil ini dapat diambil kesimpulan bahwa angin yang

menumbuk sisi-sisi turbin tidaklah sama (tidak rata). Selain itu fluktuasi

perubahan kecepatan angin yang terukur anemometer sangat cepat karena

indikator alat sangat sensitif yang mengakibatkan pencatatan secara manual

hampir sulit dilakukan. Sehingga pengukuran kecepatan angin dengan

anemometer dilakukan dengan merata- rata nilai kecepatan angin dalam selang

waktu 30 detik. Nilai rata-rata dari masing- masing variasi kecepatan yaitu 2,9

m/s, 3,3 m/s dan 3,7 m/s.

4.3. Pengukuran Putaran Turbin dan Output Tegangan

Turbin Savonius dipilih pada penelitian ini karena berdasarkan referensi

mempunyai tip speed yang rendah dan mampu beroperasi pada kecepatan angin

rendah. Hal ini dilakukan mengingat ada dua kebutuhan dalam Sistem Konversi

Energi Angin (SKEA) ini yaitu putaran dan torsi yang besar (Soelaiman dkk,

2006).

Data mengenai perubahan putaran turbin akibat tiga variasi angin

ditunjukkan seperti pada Tabel (4.2) dan grafik hubungan antara putaran turbin

terhadap kecepatan angin ditunjukkan pada Gambar (4.4).

Tabel 4.2. Data Kecepatan Angin Terhadap Putaran Turbin.

No. Kecepatan Angin (m/s)

Putaran Turbin (rpm)

Turbin 1 Turbin 2 Turbin 3 Turbin 4

1 2,9 119 133 128 137

2 3,3 137 149 144 157

3 3,7 161 173 165 175

Page 45: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-30-

Gambar 4.4. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Kecepatan Angin.

Pada hasil yang diperoleh menurut grafik pada Gambar (4.4), secara

umum respon kecepatan putar turbin Savonius meningkat terhadap kecepatan

angin. Dalam hal ini, setiap turbin memiliki pola yang sama, yaitu semakin besar

kecepatan angin yang menumbuk turbin, maka semakin cepat pula putaran turbin.

Secara fisika dapat dijelaskan bahwa ketika kecepatan angin bertambah, maka

gaya yang mendorong turbin akan semakin besar dan mengakibatkan kemampuan

rotasi turbin meningkat sehinnga menyebebkan peningkatan rpm turbin.

Dari penelitian yang dilakukan, Turbin 4 termodifikasi memberikan

kontribusi yang lebih baik. Hal ini karena torsi pada Turbin 4 lebih tinggi

sehingga putaran yang dihasilkan juga benilai lebih. Torsi yang bekerja pada

turbin berkaitan dengan percepatan sudutnya. Usaha yang diperlukan untuk

memutar turbin sebanding dengan gaya dorong angin yang dapat dilihat dari

besarnya kecepatan angin yang mengenai turbin. Sesuai percepatan sudut yang

dialami benda yang berotasi berbanding lurus dengan hasil kali gaya dengan

lengan gaya. Hasil kali antara gaya dan lengan gaya ini dikenal dengan torsi atau

momen gaya. Jadi percepatan sudut turbin akan berbanding lurus dengan torsi.

Semakin besar torsi, semakin besar percepatan sudut.

Pada Turbin 4, sirip aerodinamis memberikan kontribusi pada lengan yang

lebih panjang sehingga massa udara yang mengenai turbin lebih banyak. Selain itu

100

110

120

130

140

150

160

170

180

2 2,5 3 3,5 4

Pu

tara

n t

urb

in (

rpm

)

Kecepatan angin (m/s)

Turbin 1

Turbin 2

Turbin 3

Turbin 4

Page 46: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-31-

pengaruh sirip aerodinamis yang berada disisi terluar sudu turbin mengakibatkan

kemampuan rotasi turbin semakin baik karena turbin semakin terlontar. Hal ini

karena torsi yang bekerja pada Turbin 4 besar. Selain itu bentuk dan letak sirip

menmbuat gaya hambat (drag) yang bekerja pada turbin akibat gesekan antara

turbin dengan aliran angin menjadi berkurang. Pada Turbin 2, letak sirip belum

memberikan kontribusi sebaik Turbin 4 walaupun turbin ini sudah menunjukan

peningkatan kecepatan putar diatas Turbin 1. Sedangkan pada Turbin 3

termodifikasi, dari Tabel (4.2) maupun pada grafik pada Gambar (4.4) justru

putaran turbin mengalami penurunan. Hal ini disebabkan massa udara yang

berkumpul pada sirip aerodinamis yang diletakan di tengah-tengah sudu justru

menghambat aliran udara yang mengenai turbin. Hal ini mengakibatkan gaya

hambat (drag) bernilai lebih besar sehingga pergerakan rotasi Turbin 3 ini

menjadi terhambat.

Dari putaran (rpm) yang dihasilkan masing-masing turbin kemudian

diintegrasi dengan dinamo sehingga dapat terukur besarnya tegangan yang

dihasilkan turbin. Dalam hal ini putaran turbin berkaitan dengan output tegangan

yang dihasilkan seperti pada Tabel (4.3) dan grafik pada Gambar (4.5).

Tabel 4.3. Data Putaran Turbin Terhadap Output Tegangan

Turbin 1 Turbin 2 Turbin 3 Turbin 4

Putaran

turbin

(rpm)

Tegang

an

(mV)

Putaran

turbin

(rpm)

Tegang

an

(mV)

Putaran

turbin

(rpm)

Tegang

an

(mV)

Putaran

turbin

(rpm)

Tegang

an

(mV)

119 85 133 94 128 78 137 96

137 107 149 110 144 95 157 123

161 125 173 128 165 112 175 138

Turbin angin memanfaatkan angin untuk menghasilkan listrik. Angin

memutar sudu, yang memutar sebuah poros, yang berhubungan dengan generator

dan menghasilkan listrik. Dinamo inilah yang mengkonversi energi mekanik dari

Page 47: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-32-

putaran poros menjadi energi listrik berdasarkan prinsip elektromagnetis. Dengan

meningkatnya putaran poros turbin, mengakibatkan perputaran magnet

meningkat, makin besar laju perubahan garis-garis gaya magnet dalam hal ini

garis-garis gaya magnet yang memotong kumparan makin cepat berubah-berubah.

Hal ini menyebabkan timbulnya GGL indukasi pada ujung-ujung kumparan

menghasilkan tegangan dan arus induksi yang makin besar.

Gambar 4.5. Grafik Hubungan Output Tegangan dengan Putaran Turbin

Dari grafik pada Gambar (4.5) diperoleh hasil bahwa Turbin 4 memiliki

output tegangan yang lebih tinggi nilainya daripada turbin termodifikasi lainnya.

Grafik tersebut juga menujukan bahwa besarnya putaran suatu turbin sebanding

dengan output tegangan yang dihasilkan dinamo. Sehingga Turbin 4 yang

memilliki kecepatan putar lebih tinggi pada penelitian ini menghasilkan tegangan

yang lebik baik pula.

Hal ini sesuai dengan persamaan (2.18) bahwa kecepatan putar akan

meningkatkan laju perubahan fluks magnetik di dalam dinamo. Peningkatan

perubahan fluks magnetik ini otomatis akan mempengaruhi output tegangan.

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

100 110 120 130 140 150 160 170 180

Teg

an

gan

(m

V)

Putaran turbin (rpm)

turbin 1

turbin 2

turbin 3

turbin 4

Page 48: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-33-

Dari kecepatan putar suatu turbin, dapat diketahui nilai Tip Speed Ratio

(TSR). Nilai TSR pada penelitian ini dapat dihitung secara matematis melalui

persamaan (2.4), (2.5) dan (2.6) dan didapatkan hasil seperti pada Tabel (4.4).

Tabel 4.4. Nilai Tip Speed Ratio Turbin

Kecepatan angin

(m/s) Tip Speed Ratio( λ)

Turbin 1 Turbin 2 Turbin 3 Turbin 4

2,9 0,43 ± 0,06 0,48 ± 0,07 0,46 ± 0,07 0,49 ± 0,07

3,3 0,43 ± 0,06 0,47 ± 0,07 0,45 ± 0,07 0,49 ± 0,07

3,7 0,45 ± 0,06 0,47 ± 0,07 0,49 ± 0,07 0,49 ± 0,07

TSR merupakan perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan

kecepatan angin yang melewainya. Bila TSR > 1 artinya lebih banyak bagian sudu

yang mengalami gaya angkat (liftt) dan bila TSR < 1 artinya lebih banyak bagian

sudu yang mengalami gaya hambat (drag) (Rosidin, 2007). Besar kecilnya gaya

hambat (drag) yang bekerja pada suatu turbin angin Savonius mempengaruhi

pergerakan turbin karena gaya hambat ini mengakibatkan gaya gesek antara turbin

dengan angin. Bila gaya hambat besar maka gesekan angin terhadap turbin besar

sehingga putaran turbin terhambat.

Hasil dari Tabel (4.4) secara umum nilai TSR < 1 untuk setiap turbin.

Maka gaya dominan yang bekerja pada turbin adalah gaya hambat (drag). Turbin

dengan gaya dominan yaitu gaya hambat (drag) akan memiliki efisiensi dan daya

yang lebih rendah dibandingkan dengan turbin yang mengalami gaya angkat (lift),

dan kecepatan ujung sudu lebih rendah dari kecepatan angin yang mengenai

turbin (Rosidin, 2001).

Page 49: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-34-

Gambar 4.6. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan TSR

Dari grafik pada Gambar (4.6) dapat terlihat pada umumnya turbin

Savonius termodifikasi memiliki kinerja lebih baik dari turbin Savonius standar

pada kecepatan angin yang sama.

Angin memiliki energi kinetik karena udara memiliki massa m dan

bergerak dengan kecepatan v ( Rosidin, 2007). Dengan demikian dapat dihitung

daya aliran angin dan daya angin yang dapat diekstrak oleh turbin angin melalui

persamaan (2.7) dan persamaan (2.8). Dari Tabel (4.5) menunjukkan bahwa

semakin besar kecepatan angin maka semakin besar pula daya yang dihasilkan.

Tabel 4.5. Daya Angin

Kecepatan angin (m/s) Daya angin (watt) Daya turbin watt)

2,9 0,4 ± 0,1 0,25 ± 0,09

3,3 0,6 ± 0,2 0,4 ± 0,1

3,9 1,0 ± 0,4 0,6 ± 0,2

Daya yang dikandung dalam aliran udara yang bergerak per unit luas

normal terhadap aliran adalah sebanding dengan pangkat tiga dari kecepatan

angin. Perubahan yang kecil terhadap kecepatan angin mengakibatkan perubahan

yang besar terhadap ketersediaan daya.

0,420,430,440,450,460,470,480,490,5

2,5 3 3,5 4

Tip

Sp

eed

Rati

o

Kecepatan angin (m/s)

Turbin 1

Turbin 2

Turbin 3

Turbin 4

Page 50: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

35

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan:

1. Secara umum dengan kecepatan angin yang sama pada setiap turbin memiliki

pola serupa yaitu semakin besar kecepatan angin yang menumbuk turbin, maka

semakin cepat putaran turbin.

2. Kinerja terbaik dari turbin Savonius termodifikasi adalah Turbin 4 dengan

putaran yang lebih baik dari jenis turbin modifikasi lainnya karena posisi sirip

aerodinamis yang berada diluar sehingga mengakibatkan torsi turbin semakin

besar sehingga output tegangan bernilai lebih tinggi.

3. Pada variasi kecepatan angin yang sama, Turbin 3 mengalami penurunan

putaran turbin karena angin tertahan di bagian sirip berada ditengah sudu

sehingga nilai gaya hambat (drag) menjadi besar.

5.2. Saran

Bebarapa saran yang dapat dilakukan untuk perbaikan penelitian

selanjutnya adalah:

1. Mendesain sudu turbin dengan gaya hambat (drag) rendah sehingga

meningkatkan rpm, lebih bersifat aerodinamis dan merancang sistem transmisi

dengan dinamo sehingga output tegangan lebih besar.

2. Pengujian menggunakan terowongan angin agar aliran angin terkendali.

Page 51: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-36-

DAFTAR PUSTAKA

Ajao, K.R., dan J.S.O. Adeniyi. 2009. Comparison of Theoretical and

Experimental Power output of Small 3-bladed Horizontal-axis Wind

Turbine. Journal of American Science Volume 5, No 4.

Chan, Shin KR. 2001. Turbin angin terpadu sistem sudu rotor multi unit, no id 0

006 953 no paten P-951318.

Culp, Archie W. 1991. Prinsip-Prinsip Konversi Energi. Jakarta: Erlangga.

Terjemahan: Principles of Energy Conversion. 1979. McGraw-Hill, Ltd.

Daryanto,Y. (2007). Kajian Potensi Angin untuk Pembangkit Listrik Tenaga

Bayu. Yogyakarta : Balai PPTAG-UG-LAGG.

ELDER (Eolic StreetLight Distributed Energy Resource). 2009. Distributed Wind

Energy HAMMURABI Vertical Axis Confined Mills. Diakses 20 Mei 2010.

Website: www.scintec.it/ricerca/.../Energia%20Eolica%20Distribuita-

en.pdf.

DESDM. 2005. Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025. Jakarta.

Diakses: 20 Maret 2010. Website: esdm.go.id.

Dutta, animesh. 2006. Basics of wind energy technology. Asian Institute of

Technology. Diakses 20 Mei 2010. Website:

stweb.ait.ac.th/~wind/seminar/.../Basics%20of%20wind%20technology.pdf.

Hantoro, ridho . 2010. Turbin Angin Sebagai Penyedia Energi yang Berkelanjutan

Untuk Kepulauan Indonesia. Surabaya: ITS. Tugas Akhir. Diakses 10 Mei

2010. Website: http://digilib.its.ac.id/detil.php?id=9777&q=kincir%20angin

Khan, N.I., Iqbal, M.T., Michael, Hinchey dan Masek, Vlastimil. 2009.

Performance of Savonius Rotor As A Water Current Turbine. Journal of

Ocean Technology.

36

Page 52: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-37-

Koehuan, Verdy A. 2009. Pengembangan Energi Angin Sebagai Alternatif

Pembangkit Daya Listrik. Jurusan Tekhnik Mesin Undana. Diakses 10 Mei

2010. Website: www.ceem.unsw.edu.au/.../P5UNDANAVerdiKoehuan

RenewableEnergySystems.pdf .

Mittal, Neeraj. 2001. Investigation of Performance Characteristics of a Novel

VAWT. Thesis. Departement of Mechanical Engineering University of

Strathclyde. Diakses 10 Mei 2010. Website :

www.esru.strath.ac.uk/Documents/MSc_2001/neeraj_mittal.pdf .

Nakajima, Miyoshi., Shouichio dan Toshihiko.2008. Performance of double step

savonius rotor for environtmentally friendly hydraulic turbine. Journal of

fluid science and technology Vol 3 no.3, 2008. Diakses 16 April 2010.

Website: https://soar-ir.shinshu-u.ac.jp/.../Performance_of_Double-

step_Savonius_Rotor_for_Environmentally_Friendly_Hydraulic_Turbine.

pdf .

Nanang Rosidin. 2007. Perancangan, Pembuatan, dan Pengujian Prototipe SKEA

Menggunakan Rotor Savonius dan Windside Untuk Penerangan Jalan

Tol. Tugas Sarjana. Bandung: ITB. Di akses pada 22 April 2010.

Website: http://digilib.itb.ac.id/gdl.php?mod=browse&op=

read&id=jbptitbpp-gdl-nanangrosi-32320&q=savonius.

Olson, David dan Visser, Ken. 2009. Self-Starting Contra-Rotating Vertical Axis

Wind Turbine for Home Heating Applications. Department of Mechanical

and Aeronautical Engineering.

Roisin dan Cushman, Benoit. 2007. WIND ENERGY SYSTEMS ( Aeolian Energy

Systems).

Sadaaki, K., K. Isao, dan T. Jiro. 2003. Patent No. JP2003293938 Volume 4, No

2, pp 71-83.

Page 53: RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL SAVONIUS …/Rancan… · iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ³ RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN MODEL …

-38-

Soelaiman, Fauzi, dkk. 2006. Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Prototipe

SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan

Jalan Tol. Bandung: ITB.

Tedjo Narsoyo Reksoatmodjo. 1994. Vertical Axis-Differential Drag Windmill.

Jurnal Teknik Mesin Volume 6, No 2, Oktober 2004: 65 – 70.Di akses

pada 25 April 2010. Website: http://puslit2.petra.ac.

id/ejournal/index.php/mes/article/shop/16214/16206.

Tipler, P.A., 1998, Fisika untuk Sains dan Teknik–Jilid I (terjemahan), Jakarta:

Erlangga.

Universitas Kristen Petra. 2009. Diakses 2 Juni 2010. Website http://digilib.petra.

ac.id.

Wind Turbine Power Calculatios. Di akses: 16 April 2010. Website:

http://www.rwe.com/web/cms/de/8/rwe/.

Young, Hugh D. dan R. A. Freedman. 2002. Fisika Universitas. Jilid 1. Edisi ke-

10. Jakarta: Erlangga. Terjemahan: University Physics. Edisi ke-8. 2000.

Addison Wesley Longman, Inc.