unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu … · tugas akhir ini adalah mengetahui koefisien daya...

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN

KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10

SENTIMETER DARI PUSAT POROS

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh:

BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO

NIM : 125214094

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

THE PERFORMANCE OF THREE BLADED PROPELLER COMPOSITE

WIND TURBINE WITH THE MAXIMUM WIDTH POSITION IS 10

CENTIMETER FROM THE MAIN SHAFT

FINAL PROJECT

Presented as partitial fullfilment of the requirement

to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

By :


Student Number : 125214094

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016


iii




Disusun Oleh :


NIM : 125214094

Telah Disetujui Oleh :

Dosen Pembimbing :

Doddy Purwadianto, S.T., M.T.


iv




Yang dipersiapkan dan disusun oleh :

NAMA : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO

N.I.M : 125214094

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji

pada tanggal 21 Juli 2016

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Budi Setyahandana, S.T., M.T. ……………………

Sekretaris : Ir. Rines, M.T. …………………….

Anggota : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. …………………….

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk

memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 21 Juli 2016

Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta

Sudi Mungkasi, Ph.D.


v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir yang telah

dipersiapkan sebagai syarat untuk memperoleh gelar sarjana, tidak terdapat karya

yang pernah diajukan dan dibuat dengan judul yang sama oleh perguruan tinggi

manapun kecuali saya mengambil atau mengutip data dari buku yang tertera pada

daftar pustaka. Sehingga yang saya buat ini adalah asli karya penulis.


Bernardus Morgan Wijayanto


vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:

Nama : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO

Nomor Mahasiswa : 125214094

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :




Dengan demikian saya memberikan kepsa Perpustakaan Universitas Sanata

Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain,

mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan

mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa

perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis.

.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal, 21 Juli 2016

Yang menyatakan

Bernardus Morgan Wijayanto


vii

INTISARI

Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman

modern ini. Kincir angin dapat menjadi alternatif energi terbarukan sebagai

pembangkit listrik. Umumnya kincir angin menggunakan bahan komposit. Tujuan

tugas akhir ini adalah mengetahui koefisien daya kincir angin propeler 3 sudu

dengan bahan komposit. Tugas akhir ini menggunakan model kincir angin berbahan

komposit dengan posisi lebar maksimal 10 cm dari pusat poros. Penelitian dimulai

dari pembuatan cetakan kincir, pembuatan sudu komposit, uji coba dan

pengambilan data performa kincir angin. Kincir angin ini memiliki diameter 100

cm dan diuji di depan blower dengan 3 variasi kecepatan angin untuk mengetahui

daya kincir, torsi, koefisien daya dan tip speed ratio.

Hasil penelitian kincir angin ini menunjukkan bahwa dengan kecepatan

angin 7 m/s didapatkan koefisien daya yang lebih besar daripada ketika kecepatan

angin 8 dan 9,5 m/s. Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6% pada

tsr 3,6 dengan kecepatan angin 7 m/s. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar

yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,9 Nm dengan kecepatan putar kincir 465

rpm. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir

angin yaitu 44,88 watt dengan torsi 0,77 Nm.

Kata kunci : koefisien daya, tip speed ratio


viii

ABSTRACT

Energy is the main necessity for people in this modern era. Wind turbine

could be an alternative of renewable source to generate electricity. Wind turbine

commonly made from a composite material. The main objective of this final project

was knowing power coefficient of three bladed propeller composite wind turbine.

In this final project used a composite wind turbine model with the maximum width

position is 10 centimeter from the main shaft. This research were started from

making wind turbine mold, making composite blade, running test and taking the

wind turbine performance data. This wind turbine had 100 cm in diameter and this

experiment were done in front of axial blower with 3 variation of wind speed to

knowing the wind turbine power, torque, power coefficient and tip speed ratio.

The results of this study showed that wind turbine with wind speed of 7 m/s

obtained power coefficient greater than when the wind speed 8 m/s and 9,5 m/s .

The highest power coefficient obtained in the amount of 19.6 % in TSR 3.6 with

wind speed of 7 m/s. At a wind speed of 9,5 m/s , the largest torque generated by

the wind turbine is 0,9 Nm at 465 rpm. At a wind speed of 9,5 m/s , the greatest

power that can be generated from a wind turbine is 44,88 watts with a torque of

0,77 Nm .

Keyword : power coefficient, tip speed ratio


ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas

rahmat dan berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi. Skripsi ini berjudul

“UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN


SENTIMETER DARI PUSAT POROS“.

Penulisan skripsi ini merupakan syarat demi kelulusan mata kuliah

praskripsi di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma. Melalui mata kuliah praskripsi ini, mahasiswa

diharapkan dapat mempersiapkan tugas akhir yang akan ditindaklanjuti untuk

diteliti dan menjadi acuan untuk skripsi.

Dalam penyusunan skripsi ini penulis tidak lepas dari bimbingan, batuan,

dukungan dan kerjasama dari semua pihak. Maka dengan kerendahan hati, penulis

mengucapkan terima kasih. Khususnya pada kesempatan ini penulis mengucapkan

terima kasih kepada :

1. Sudi Mungkasi,Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas

Sanata Dharma.

2. Ir. P.K. Purwadi, M.T. selaku Ketua Prodi Teknik Mesin dan sebagai dosen

pembimbing akademik, Universitas Sanata Dharma.

3. Doddy Purwadianto,S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir dan

sebagai Kepala Laboratorium Konversi Energi.

4. Stephanus Yeriko dan Kukuh Wahyu Aji sebagai rekan seperjuangan dalam

penelitian yang dilakukan beserta rekan-rekan lain yang juga meneliti pada

bidang konversi energi khususnya energi angin.

5. Bapak dan Ibu dosen, serta seluruh staf karyawan Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma atas semua bantuan dan pelayanan yang telah

diberikan selama masa perkuliahan di Universitas Sanata Dharma.

6. Orangtua penulis yaitu FL. Amin Widodo dan Lydia Yuliati dan kakak penulis

Blessia Elmena Illyastuti yang selalu memberi kasih sayang, mendukung,


x

memberi semangat, membiayai serta doa restu sehingga penulis dapat

menyelesaikan skripsi ini.

7. Keluarga besar dan rekan-rekan Teknik Mesin atas kasih sayang, perhatian,

doa yang dipanjatkan, dan dukungan yang selalu diberikan.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna karena

keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis

mengharapkan kritik dan saran yang mendukung dan membangun demi perbaikan

dari skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap agar skripsi ini dapat berguna dan

bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.


Penulis


xi

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

ρ Massa jenis kg/m3

r Jari-jari kincir m

A Luas penampang m2

𝑣 Kecepatan angin m/s

𝜔 Kecepatan sudut rad/s

n Kecepatan putar rotor rpm

F Gaya pengimbang N

T Torsi Nm

Pin Daya angin watt

Po Daya listrik watt

Pout Daya kincir watt

TSR Tip Speed Ratio -

Cp Koefisien daya %

𝑚 massa udara kg

Ek Energi kinetik J

𝑉𝑜𝑙 Volume m3

V Tegangan Volt

I Arus

Ampere

𝑆 Panjang m

𝑡 Waktu s

𝑣𝑡 Kecepatan di ujung sudu kincir m/s


xii

DAFTAR ISI

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

TITLE PAGE .............................................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ................................................................... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ........................................ v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA IL-

MIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ....................................... vi

INTISARI.................................................................................................... vii

ABSTRACT .................................................................................................. viii

KATA PENGANTAR ................................................................................ ix

DAFTAR SIMBOL .................................................................................... xi

DAFTAR ISI .............................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiv

DAFTAR TABEL ...................................................................................... xvi

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

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

Rumusan Masalah ...................................................................................... 2

Tujuan Penelitian ........................................................................................ 2

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

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

BAB II DASAR TEORI ............................................................................ 5

2.1 Tipe Kincir Angin ................................................................................ 5

2.1.1 Kincir Angin Poros Horisontal .......................................................... 5

2.1.2 Kincir Angin Poros Vertikal .............................................................. 8

2.2 Daya Angin ........................................................................................... 10

2.3 Daya Kincir ........................................................................................... 11

2.4 Bet’z Limit ............................................................................................ 12

2.5 Tip Speed Ratio .................................................................................... 13

2.6 Koefisien Daya....................................................................................... 14


xiii

2.7 Komposit ............................................................................................... 14

2.7.1 Fiberglass ............................................................................................ 15

2.7.2 Matriks ................................................................................................ 17

BAB III METODE PENELITIAN............................................................... 20

3.1 Diagram Alir .......................................................................................... 20

3.2 Alat dan Bahan ...................................................................................... 21

3.2.1 Alat ..................................................................................................... 21

3.2.2 Bahan .................................................................................................. 26

3.3 Desain Kincir ......................................................................................... 26

3.4 Variabel Penelitian ................................................................................ 31

3.5 Variabel yang Diukur ............................................................................ 32

3.6 Parameter yang Dihitung ....................................................................... 32

3.7 Langkah Pengambilan Data .................................................................. 32

3.8 Pengolahan Data ................................................................................... 34

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ................................... 35

4.1. Data Hasil Penelitian............................................................................ 35

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ....................................................... 37

4.3 Data Hasil Perhitungan ......................................................................... 38

4.4 Pembahasan........................................................................................... 46

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 47

5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 48

5.2 Saran ..................................................................................................... 48

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 49


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade ................................ 6

Gambar 2.2. Kincir angin jenis Dutch Four Arm ........................................ 7

Gambar 2.3. Kincir angin jenis propeller 3 sudu ......................................... 7

Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius..................................................... 8

Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus...................................................... 9

Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor ....................................................... 10

Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Spe-

ed Ratio (TSR) dari jenis-jenis kincir angin............................ 13

Gambar 2.8. Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks, reinforce-

ent dan komposit...................................................................... 15

Gambar 2.9. Ragam bentukan fiberglass (National Research Council 199-

1)…………………………………………….......................... 16

Gambar 3.1. Sudu berbahan komposit yang diteliti .................................... 21

Gambar 3.2. Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu)... 22

Gambar 3.3. Generator Brushess DC permanent magnet ........................... 23

Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban ...................................................... 23

Gambar 3.5 Anemometer ............................................................................. 24

Gambar 3.6 Multitester ................................................................................ 24

Gambar 3.7 Takometer ............................................................................... 25

Gambar 3.8 Timbangan ............................................................................... 25

Gambar 3.9 Blower. .................................................................................... 25

Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu........ 27

Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu diba-

gi menjadi 18 bagian.............................................................. 27

Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dis-

ketsa dengan ukuran spesifik. ............................................... 28

Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai

ukuran spesifik……………………………..………………. 28

Gambar 3.14 Dimensi kincir angin, ukuran dalam satuan sentimeter (a).... 28


xv

Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan

vvvvvvvvvvvsentimeter (b)………………………………………………. 28

Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan pe-

nelitian ................................................................................. 29

Gambar 3.17 Skematik dimensi kincir angin ............................................. 29

Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin. ............................... 30

Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan alumin-

ium foil................................................................................. 30

Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit..................... 31

Gambar 3.21 Skematik susunan alat penelitian ......................................... 32

Gambar 3.22 Skematik pembebanan kincir angin ..................................... 33

Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin

bersudu 3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5

m/s, 8 m/s, dan 7 m/s............................................................. 42

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ra-

tio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi

lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepat-

an angin 9,5 m/s……………………………………............ 42

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ra-

tio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi le-

bar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan

angin 8 m/s.. ........................................................................... 43

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio

kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar

vvvv maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin

9,5 m/s..................................................................................... 43

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada ke-

cepatan angin 9,5 m/s............................................................ 44


cepatan angin 8 m/s. .............................................................. 44



xvi

cepatan angin 7 m/s................................................................ 45

Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp mekanis dan TSR kincir angin

poros horisontal tiga sudu diameter 1 meter berbahan kom-

posit dengan posisi lebar maksimal 10 cm di atas pusat po-

ros. ...................................................................................... 45


xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite ................ 16

Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite ............................. 19

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s .......... 35

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s.............. 36

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s. ............ 36

Tabel 4.4 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pa-

da kecepatan angin 9,5 m/s......................................................... 39


da kecepatan angin 8 m/s ........................................................... 40


da kecepatan angin 7 m/s............................................................ 41


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman

modern ini. Semakin tinggi taraf kehidupan manusia, maka kebutuhan energi akan

meningkat. Perkembangan alat elektronika yang begitu pesat pun menuntut

adanya peningkatan suplai energi listrik yang berkesinambungan. Berbagai jenis

pembangkit listrik telah dibangun untuk memenuhi kebutuhan masyarakat, namun

sejauh ini listrik hanya dapat dinikmati di daerah yang mudah diakses jaringan

listrik Perusahaan Listrik Negara (PLN).

Indonesia memiliki garis pantai yang membentang dari Sabang sampai

Merauke, tentunya sangat mungkin bahwa Indonesia memiliki potensi angin

untuk dijadikan sumber energi terbarukan. Hal itu sudah dibuktikan dengan

terselenggarakannya Kompetisi Kincir Angin Indonesia (KKAI) selama 3 tahun

terakhir dengan berbagai kincir angin karya anak bangsa yang dapat menghasilkan

energi alternatif. Oleh karena itu, apabila dilakukan peninjauan potensi angin yang

berhembus sepanjang tahun, maka akan ada sumber energi pembangkit listrik

tenaga angin yang dapat terapkan di negeri ini.

Tingkat kesadaran masyarakat akan green energy dirasa masih kurang.

Disaat negara-negara maju seperti di Eropa dan Amerika sudah jauh-jauh hari

menyadari akan pentingnya menjaga kelestarian lingkungan, di Indonesia masih

tetap acuh akan hal tersebut. Masyarakat Indonesia tinggal di daerah tropis


2

dimana tumbuh-tumbuhan dan pohon dapat tumbuh dengan rindangnya. Daun-

daun hijaunya dapat menyerap karbon yang dihasilkan emisi bahan bakar fosil,

berbeda dengan masyarakat Eropa dan Amerika yang tinggal di daerah dengan 4

musim. Hal itulah yang menyebabkan masyarakat Indonesia masih cenderung

acuh tak acuh akan pentingnya menjaga bumi ini dari pemanasan global.

Pembangkit listrik pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak

sebagai sumber energi, walaupun beberapa pembangkit listrik telah menggunakan

tenaga air, panas bumi dan gas. Untuk membangun suatu pembangkit listrik

dibutuhkan investasi yang cukup besar. Isu pemanasan global juga menuntut

adanya pengolahan energi yang dihasilkan oleh alam sehingga pembangkit listrik

tidak lagi bergantung pada minyak sebagai bahan bakar utama.

1.2. Perumusan Masalah

Dari latar belakang di atas maka didapat suatu rumusan masalah yaitu

bagaimana cara memperoleh kincir angin yang dapat digunakan sebagai

pembangkit listrik dengan efisiensi yang cukup tinggi.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dilaksanakannya penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Membuat kincir angin poros horisontal tiga sudu.

2. Mengetahui koefisien daya kincir angin poros horisontal.

3. Mengetahui torsi yang dihasilkan oleh kincir angin.

4. Mengetahui daya yang dihasilkan kincir angin.


3

1.4. Batasan Masalah

Batasan-batasan yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Kincir angin menggunakan bahan komposit.

2. Kincir angin menggunakan desain bilah dari penampang silindris berdiameter

8 inch dengan lebar sudu maksimal 10 cm dari pusat poros.

3. Diameter kincir yang dirancang hanya skala laboratorium yaitu berdiameter

100cm.

3. Dilakukan 3 variasi kecepatan angin yaitu pada kecepatan angin 9,5 m/s , 8

m/s, dan 7 m/s.

4. Mekanisme pembebanan (dump load) pada sistem kincir angin pada

penelitian ini yaitu menggunakan beban lampu pijar sebanyak 12 buah.

5. Digunakan generator DC magnet permanen dengan efisiensi 70% sebagai

alat penunjang penelitian.

6. Penelitian dilaksanakan dengan cara meletakkan sistem kincir di depan

blower 15 HP 1450 rpm dan volume 2250 m3/m.

7. Penelitian dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata

Dharma.

1.5. Manfaat Penelitian

Kegunaan yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut.

a. Menghasilkan kincir angin yang dapat digunakan sebagai pembangkit

listrik.


4

b. Memberikan informasi bagi masyarakat mengenai unjuk kerja kincir

angin dengan desain bilah dari penampang silindris berdiameter 8

inch.

c. Turut peran serta dalam pengembangan teknologi energi baru

terbarukan demi masa depan yang lebih baik.


5

BAB II

DASAR TEORI

Kincir angin mengkonversi energi angin tersebut menjadi energi mekanik

yang dapat dimanfaatkan kembali untuk memutar generator sebagai pembangkit

listrik ataupun pompa air. Kincir angin dibedakan menjadi 2 jenis yaitu HAWT

(Horizontal Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros horizontal dan

VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros vertikal.

Dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik lainnya, kincir angin unggul dari

segi ketersediaan energi pendukung karena berasal dari energi angin yang benar-

benar melimpah. Namun, perlu untuk memahami karakter cuaca di Indonesia

(distribusi potensi angin) agar sistem yang akan dibuat dapat tepat sasaran.

2.1. Tipe Kincir Angin

2.1.1. Kincir Angin Poros Horisontal

Ada beberapa kincir angin tipe HAWT yang biasa diterapkan, yaitu :

1. Tipe American Multiblade

Kincir angin American multiblade adalah salah satu jenis kincir angin yang

mempunyai jumlah sudu yang banyak, biasanya kincir angin ini memiliki jumlah

sudu lebih dari tiga buah. Gambar kincir angin American multiblade dapat dilihat

pada Gambar 2.1. Sesuai dengan namanya, kincir angin ini banyak ditemukan di

negara Amerika Serikat dan biasa digunakan untuk memompa air, menggiling

biji-bijian dan sebagai pembangkit listrik.


6

\

Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade

(sumber : www.kanoroutes.nl)

2. Tipe Dutch Four Arm

Kincir angin Dutch four arm memiliki jumlah sudu 4 buah. Gambar kincir

angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.2. Kincir angin ini biasanya

digunakan oleh negara Belanda untuk menggerakan pompa agar dapat

mengeringkan lahan dengan cara memompa air tanah keluar lahan yang biasa

disebut polder. Adanya angin secara teratur, dapat menjamin pompa tersebut

untuk berfungsi secara terus menerus sehingga pompa pun dapat terus beroperasi.

Sudah berabad-abad kincir jenis ini digunakan oleh negara Belanda untuk

menggiling gandum dan untuk memompa air demi mengeringkan negerinya yang

lebih rendah daripada laut.


http://www.kanoroutes.nl/

7

Gambar 2.2 . Kincir angin jenis Dutch four arm

(sumber : www.dreamstime.com)

3. Tipe Propeler

Kincir angin jenis propeler ini biasanya memiliki jumlah sudu 2 atau 3 bilah.

Kincir angin jenis propeler memiliki efisiensi yang cukup baik. Pada umumnya,

untuk sistem pembangkit listrik tenaga angin digunakan jenis ini karena

karakteristiknya yang unggul. Kincir angin jenis propeler dapat dilihat pada

Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Kincir angin jenis propeler 3 sudu


8

2.1.2. Kincir Angin Poros Vertikal

Ada beberapa kincir angin tipe VAWT yang biasa diterapkan, yaitu :

1. Tipe Savonius

Kincir angin tipe Savonius ini diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ

Savonius pada tahun 1929, dan diaplikasikan pada tahun 1931. Kincir VAWT ini

merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer.

Kincir Savonius dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga

putaran rotorpun tidak akan melebihi kecepatan angin. Koefisien daya untuk jenis

Savonius biasanya tidak lebih dari 25%. Jenuis kincir ini cocok untuk aplikasi

daya yang rendah. Kincir angin jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius

(sumber : www.pinterest.com)

2. Tipe Darrieus

Kincir angin tipe Darrieus ditemukan oleh seorang insinyur Perancis

George Jeaans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Ia memiliki 2

bentuk turbin yang digunakan diantaranya adalah “Eggbeater/Curved Bladed”

dan “Straight-bladed” VAWT. Kincir angin Darrieus mempunyai sudu yang

disusun dalam posisi simetri dengan poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk


http://www.pinterest.com/

9

menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, kincir angin Darrieus

bergerak dengan memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup.

Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. Kincir angin

jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus

(sumber: www.commons.wikimedia.org)

3. Tipe H-rotor

Kincir angin jenis ini dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang

dilakukan selama 1970-1980an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan

pada sudu berbilah lurus (straight-bladed) Darrieus VAWT tidak diperlukan,


http://www.commons.wikimedia.org/

10

ternyata ditemukan bahwa efek hambatan yang diciptakan oleh sebuah sudu akan

membatasi kecepatan aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur setiap

variasi kecepatan angin untuk dapat mencapai kecepatan putaran optimalnya.

Kincir angin jenis H-rotor dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor

(sumber : www.archiexpo.com)

2.2. Daya Angin

Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan , maka energi itu kekal.

Udara yang bergerak, mempunyai energi kinetik. Angin merupakan salah satu jenis

energi. Udara bergerak akibat perbedaan tekanan. Udara mengalir dari tekanan

tinggi ke tekanan yang rendah dan biasa kita kenal sebagai angin

Energi kinetik dirumuskan sebagai :

𝐸𝑘 =1

2𝑚𝑣2 , (2.1)

dengan keterangan Ek sebagai energi kinetik , 𝑚 sebagai massa udara, dan 𝑣

sebagai kecepatan angin. Mengingat 𝑚 = 𝜌 𝑉𝑜𝑙 , maka persamaan (2.1) menjadi :


http://www.archiexpo.com/

11

𝐸𝑘 =1

2𝜌 𝑉𝑜𝑙 𝑣2 , (2.2)

dengan keterangan 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝑉𝑜𝑙 sebagai volume.

𝑣 Dari gambar disamping, dapat dirumuskan :

𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑆

𝑆 = 𝑣𝑡 , maka

𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑣𝑡. (2.3)

Lalu persamaan (2.2) dan (2.3) dapat dibentuk menjadi :

𝐸𝑘 =1

2𝜌𝐴𝑣3𝑡 , (2.4)

dengan keterangan A sebagai luas penampang dan 𝑡 sebagai waktu. Karena daya

merupakan energy per satuan waktu, maka persamaan (2.4) dapat dirumuskan

menjadi :

𝑃𝑖𝑛 =𝐸𝑘

𝑡=

1

2𝜌𝐴𝑣3 , (2.4)

dengan keterangan 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari energi angin per satuan

waktu, 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝐴 sebagai luas sapuan kincir angin dan 𝑣

sebagai kecepatan angin.

2.3. Daya Kincir

Pada penelitian ini, penulis menggunakan generator sebagai alat untuk

mengetahui prestasi kincir angin yang dibuat. Dengan menggunakan generator,

penulis dapat menentukan daya output kincir secara mekanis dan elektris.

A

S


12

Umumnya perhitungan daya mekanis dapat dituliskan dengan persamaan :

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇𝜔 ,

dengan keterangan T sebagai torsi dinamis (Nm), 𝜔 sebagai kecepatan sudut

(rad/s). Untuk menentukan kecepatan sudut, digunakan persamaan :

𝜔 = 𝑛 2 𝜋

60 𝑟𝑎𝑑

𝑠 ,

= 𝜋 𝑛

30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 ,

dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan

persamaan :

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔 ,

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇𝜋 𝑛

30 𝑤𝑎𝑡𝑡 ,

Pout sebagai daya yang dihasilkan kincir angin (watt), n sebagai putaran poros

(rpm).

Untuk menentukan daya output elektris digunakan persamaan :

𝑃𝑜 = 𝑉 𝐼 ,

dengan keterangan V sebagai tegangan output generator, I sebagai arus output

generator.

2.4. Bet’z Limit

Bet’s limit diterbitkan pada tahun 1919 oleh fisikawan Jerman Albert Betz.

Bet’z limit merupakan perhitungan daya maksimum dari energi angin yang dapat

dikonversi menjadi energi mekanik pada kincir angin. Hukum tersebut berasal dari

prinsip-prinsip konservasi massa dan momentum aliran udara yang mengalir


13

melalui "aktuator disk" ideal yang mengkonversi energi dari aliran angin. Menurut

hukum Betz, tidak ada turbin dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%) dari energi

kinetik angin. Faktor 16/27 (0,593) dikenal sebagai koefisien Betz.

Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Speed Ratio

(TSR) dari jenis-jenis kincir angin.

(sumber : www.mcensustainableenergy.pbworks.com)

2.5. Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir

angin dengan kecepatan angin. Untuk mencari nilai kecepatan di ujung sudu kincir

angin digunakan persamaan :

𝑣𝑡 = 𝜔𝑟 ,

dengan keterangan 𝑣𝑡 sebagai kecepatan ujung sudu, 𝜔 sebagai kecepatan sudut

(rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir (m). Maka TSR dirumuskan menjadi :


http://www.mcensustainableenergy.pbworks.com/

14

𝑇𝑆𝑅 =𝑣𝑡

𝑣 ,

𝑇𝑆𝑅 =𝜔 𝑟

𝑣 ,

𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑟 𝑛

30 𝑣 ,

dengan keterangan 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir

(m) dan 𝑣 sebagai kecepatan angin (m/s).

2.6. Koefisien Daya

Koefisien daya (CP) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir angin (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin), maka koefisien

daya dapat dirumuskan sebagai :

𝐶𝑝 =𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 100% ,

dengan keterangan CP sebagai koefisien daya (%), 𝑃𝑜𝑢𝑡 sebagai daya yang

dihasilkan oleh kincir (watt), 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari angin (watt).

2.7. Komposit

Komposit merupakan material yang terdiri dari paling sedikit 2 material yang

berbeda jenis dan pada umumnya seperti serat fiber (reinforcement) yang diikat

oleh matriks. Bahan reinforcement yang biasa diaplikasikan pada kincir angin

terbuat dari bahan fiberglass, serat karbon, dan kayu. Matriks pengikat yang

digunakan yaitu polyester, epoxy, dan vinyl ester. Komposit yang paling umum

diterapkan yaitu jenis GRP (fiberglass reinforced plastic).


15

Pada sistem kincir angin, komposit biasanya digunakan sebagai bahan

pembuat sudu, tetapi pada bagian lain pun dapat digunakan seperti misalnya pada

nacelle cover. Keunggulan utama menggunakan material komposit yaitu : (1)

pabrikasi yang mudah walaupun berbentuk aerodinamika, (2) memiliki kekuatan

yang tinggi,(3) memiliki perbandingan tingkat kekakuan yang tinggi terhadap

beratnya. Bahan ini pun lebih tahan terhadap korosi, merupakan isolator listrik,

tahan terhadap degradasi lingkungan dan fleksibel dalam variasi metode

pembuatan.

Gambar 2.8 Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks,

reinforcement dan komposit

(sumber : www.mse.mtu.edu)

2.7.1. Fiberglass

Fiberglass dibentuk dengan cara memilin kaca menjadi benang yang

panjang. Jenis fiberglass yang paling umum yaitu E-glass yang terbuat dari calcium

aluminosilicate glass. Material ini memiliki kekuatan tarik yang baik dan

ekonomis. Jenis lain fiberglass yang umum digunakan yaitu S-glass yang terbuat

dari calcium-free aluminosilicate glass. Serat jenis ini memiliki kekuatan Tarik 25-


http://www.mse.mtu.edu/

16

30% lebih tinggi dibanding jenis E-glass, akan tetapi tidak seekonomis jenis E-glass

karena harganya >200% harga E-glass.

Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite

(sumber : www.advtechconsultants.com)

Fiberglass terkadang langsung digunakan untuk proses produksi, akan tetapi

lebih umum dikombinasikan terlebih dahulu menjadi bentuk yang lain. Biasanya

fiberglass dianyam atau dirajut menjadi helai kain, dibentuk menjadi lembaran yang

kontinyu atau lembaran yang acak(kusut) atau dipersiapkan sebagai bentuk yang

tercacah. Apabila diinginkan material dengan kekuatan tarik tinggi, maka jenis

yang dipilih yaitu unidirectional atau jenis lembaran yang acak.

Gambar 2.9 Ragam bentukan fiberglass (National Research Council 1991)


http://www.advtechconsultants.com/

17

2.7.2. Matriks

Resin epoksi akan cenderung dibahas dalam tulisan ini. Resin epoksi

mempunyai kegunaan luas dalam industry teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil

sebagai perekat, cat pelapis, pencetakan cor dan benda-benda cetakan.

1. Proses produksi bahan

Pada saat ini produknya adalah kebanyakan merupakan kondensat dari

bisfenol A (4-4’ dihidroksidifenil 2,2-propanon) dan epiklorhidrin. Bisfenol

A diganti dengan novolak,atau senyawa tak jenuh, siklopentadien, dsb.

Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan

mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis,

kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Banyaknya campuran

dihitung dari ekivalen epoksi (banyaknya resin yang mengandung 1 mol

gugus epoksi dalam gram).

2. Sifat-sifat bahan

a) Resin bisfenol A

Kelekatannya terhadap bahan lan banyak sekali. Bahan ini banyak

digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat gelas,

dsb. Pada pengawetan tak dihasilkan produk tambahan seperti air, dan

penyusutan volume kurang. Kestabilan dimensinya baik. Sangat tahan

terhadap zat kimia dan stabil terhadap banyak asam kecuali asam

pengoksid yang kuat, dan asam alifatik rendah, alkali dan garam. Karena


18

tak diserang oleh hamper semua pelarut, bahan ini baik digunakan sebagai

yangnon-korosif.

b) Resin sikloalifatik

Bahan ini viskositsanya rendah dan ekivalensi epoksinya kecil.

Bahan berguna sebagai pengencer bisfenol karena mudah penanganannya.

Karena kaku dan rapuh, bahan terutama digunakan untuk alat isolasi

listrik yang diperkuat dengan serat gelas. Ketahanan busur dan sifat anti

alurnya baik.

3. Pencetakan bahan

a) Pengecoran

Digunakan untuk produksi perkakas dan pembenam komponen listrik.

b) Pencetakan lapisan

Digunakan untuk produksi pelapis resin epoksi-serat gelas. Adametoda

laminasi basah(pengeras diletakkan dalam resin cair dan ditambah

pengecer atau pembasah, viskositasnya menurun), metoda laminasi kering

(resin padat dilarutkan dalam pelarut seperti aseton, dan pengeras yang

tak bereaksi pada suhu rendah, ditambahkan kemudian, dalam masa serat

gelas dijenuhkan dan dikeringkan), dan metoda penggulungan filamen

(serat gelas yang jenuh digulung pada inti dan diawetkan dengan

pemanasan).

4. Penggunaan bahan

a) Perekat


19

Hampir semua plastik dapat melekat cukup kuat kecuali resin silicon,

fluoresin, polietilen dan polipropilen. Jenis yang lain adalah jenis yang

paling sering dipakai. Paling luas digunakan dalam industry penerbangan,

konstruksi dan listrik.

b) Cat

Bahan cat dapat dipakai terhadap berbagai bahan, dan secara luas

digunakan karena pelapisannya kuat, unggul dalam ketahanan air dan

ketahanan kimia.

c) Pencetakan coran

Pada umumnya digunakan dalam industri elektronika.

Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite

(sumber : www.advtechconsultants.com)

Young

Modulus


http://www.advtechconsultants.com/

20

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir

Langkah kerja dalam penelitian yang dilaksanakan tersaji dalam diagram alir

sebagai berikut :

Mulai

Perancangan sudu kincir angin

Persiapan alat dan bahan

Pembuatan sudu kincir angin

Perakitan kincir angin

Uji coba kincir angin dengan pembebanan

Pengambilan data ( 𝑣, n, F, V, I)

Pengolahan data

Analisis serta pembahasan

Selesai

Kincir dapat bekerja sesuai kriteria TIDAK YA


21

3.2 Alat dan Bahan

Untuk melakukan penelitian ini, diperlukan sejumlah alat dan bahan.

3.2.1 Alat

Alat-alat yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu :

1. Sudu Kincir Angin

Sudu kincir angin yang akan dipakai untuk penelitian, akan berjumlah 3 sudu,

berjenis propeller, memakai bahan komposit dari epoxy dan serat kaca sebagai

serat penguatnya. Dimensi dari kincir angin yang dipakai yaitu memiliki radius

50 cm, lebar pangkal 15 cm dan lebar ujung sudu 3 cm. Dengan dimensi tersebut,

diharapkan kincir angin yang diteliti menghasilkan TSR 6 sehingga berada pada

effisiensi terbaik untuk jenis propeller.

Gambar 3.1 Sudu berbahan komposit yang diteliti

2. Hub Kincir Angin


22

Untuk bagian hub kincir angin, akan digunakan piringan besi pejal dengan

tebal 4 cm berbentuk bulat, yang dibentuk menjadi segi 12 kemudian dilubangi

agar kincir angin dapat dipasang dengan konfigurasi 2 sudu, 3 sudu dan 4 sudu.

Kemudian, penulis juga akan menggunakan besi siku sebagai pemegang antara

sudu dan hub. Penulis berharap agar dengan digunakan model hub yang seperti

ini dapat dilakukan variasi jumlah sudu pada penelitian pembanding.

Gambar 3.2 Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu)

3. Poros

Poros kincir angin yang akan digunakan, terbuat dari besi dengan ukuran 1

inch, dan akan dihubungkan dengan DC permanent magnet generator tanpa

transmisi (tanpa inkrisi maupun decrease putaran output kincir) sehingga daya

keluaran kincir dapat langsung didefinisikan sebagai daya listrik.

4. Generator

Pada penelitian ini akan digunakan generator DC Permanent Magnet

dengan tegangan kerja 48 volt, dan arus 18 ampere. Generator yang digunakan


23

merupakan motor listrik magnet permanen yang biasa digunakan pada sepeda

listrik.

Gambar 3.3 Generator Brushess DC permanent magnet

5. Lampu pijar

Lampu pijar digunakan apabila sistem pembangkit mengalami kekurangan

load atau beban, sehingga sistem pembangkit dapat bekerja secara optimal.

Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban

6. Anemometer

Anemometer digunakan untuk mengetahui data kecepatan angin, sehingga

data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data Tip Speed Ratio.


24

Gambar 3.5 Anemometer

7. Multitester

Multitester pada penelitian ini digunakan untuk melakukan pengururan

terhadap tegangan dan arus keluaran dari generator.

Gambar 3.6 Multitester

8. Tachometer

Tachometer digunakan untuk mengetahui putaran/rotasi sudu yang

dihasilkan, sehingga data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data tip

Speed Ratio dan daya kincir.


25

Gambar 3.7 Takometer

9. Timbangan

Timbangan yang digunakan yaitu timbangan digital untuk mengetahui gaya

pengimbang yang dihasilkan.

Gambar 3.8 Takometer

10. Blower

Blower digunakan untuk merekayasa sumber angin yang dibutuhkan kincir

angin agar dapat bekerja sebagaimana mestinya.

Gambar 3.9 Blower


26

3.2.2 Bahan

Bahan-bahan yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu:

1. Pipa PVC 8 inch

Pipa pvc 8 inch dipotong sesuai penampang kincir angin yang diinginkan, dan

pipa hasil potongan ini dijadikan cetakan (dies) untuk mencetak komposit.

2. Fiberglass

Fiberglass merupakan serat kaca sebagai reinforcement atau penguat bahan

komposit.

3. Resin Epoksi

Resin Epoksi merupakan matriks pengisi komposit.

4. Baut metric

Baut metric digunakan untuk pemegang besi beton dibagian sudu dan juga

bagian hub.

5. Plat besi

Plat besi digunakan sebagai rangka penguat konstruksi komposit pada sudu

kincir angin yang akan diteliti. Plat besi diletakan pada pangkal sudu kincir

angin sebagai penampang yang akan dilubangi untuk baut pemegang sudu

dengan hub. Plat besi yang digunakan memiliki ketebalan 4cm.

3.3 Desain Kincir

Proses pembuatan blade

1. Desain cetakan


27

Desain sudu yang akan diteliti didapat dari website

http://www.warlock.com.au/ dan merupakan pendekatan ukuran airfoil

NACA 2412. Terdapat ukuran-ukuran spesifik pada setiap jarak dari pangkal

hingga ujung sudu. Lebar maksimal sudu yaitu 15 cm dan lebar ujung sudu 3

cm. Desain yang didapat kemudian disketsa pada pipa pvc 8 inci untuk

mempermudah proses pembuatan sudu mengingat penelitian ini

menggunakan penampang silindris 8 inci.

Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu.

Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dibagi

menjadi 18 bagian.


http://www.warlock.com.au/

28

Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu disketsa

dengan ukuran spesifik.

Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai ukuran

spesifik.

Gambar 3.14 Dimensi kincir angin, ukuran dalam satuan sentimeter (a)


29

Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan

sentimeter (b)

Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan penelitian.

Gambar 3.17 Skematik dimensi kincir angin


30

2. Pemotongan cetakan

Setelah sketsa dibuat pada pipa, maka proses pemotongan pipa dapat

dilakukan sesuai dengan ukuran spesifiknya.

Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin.

3. Pembuatan sudu komposit

Pembuatan sudu komposit dimulai dengan menempelkan aluminium

foil pada cetakan diseluruh permukaannya lalu diberikan oli atau minyak

pelumas agar mempermudah proses pelepasan sudu komposit yang sudah

terbentuk. Kemudian komposit dicetak dengan komposisi resin 1 liter dan

katalis 10 ml lalu dilapis dengan serat fiber sebanyak 4 lapis. Apabila sudah

merata, campuran resin dan serat tersebut dijemur dan ditunggu hingga

kering.

Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan aluminium

foil


31

Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit

4. Finishing sudu

Sudu yang sudah kering kemudian dilepas dari cetakannya. Bagian-

bagian yang tidak diperlukan dibuang sehingga bentuk sudu sesuai dengan

bentuk cetakan. Kemudian dilakukan pengecekan ukuran panjang, lebar dan

juga berat sudu. Semua sudu yang akan diteliti harus memiliki ukuran, bentuk

dan sudut yang sama. Apabila sudah sesuai, maka selanjutnya sudu dilubangi

sesuai dengan ukuran pemegang sudu yang akan dipasang pada hub kincir

angin.

5. Uji coba

Sudu yang telah berhasil dibuat diuji coba di depan blower untuk

melihat performanya apakah sudah ridig, balance, dan sudah memungkinkan

untuk diambil data performanya.

3.4. Variabel Penelitian

1. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara penempatan rangkaian kincir

angin pada 3 posisi yang berbeda di depan blower.

2. Variasi pembebanan dilakukan sampai menemukan beban maksimum.


32

3.5. Variabel yang Diukur

1. Kecepatan angin

2. Kecepatan putar rotor kincir angin

3. Gaya pengimbang

4. Tegangan dan Arus output generator

3.6. Parameter yang Dihitung

1. Daya angin

2. Daya kincir

3. Daya listrik

4. Kecepatan sudut

5. Torsi

6. Koefisien daya (CP) mekanis

7. Tip Speed Ratio (TSR)

3.7. Langkah Pengambilan Data

Gambar 3.18 Skematik susunan alat penelitian


33

Prosedur pengambilan data yang akan dilakukan yaitu dengan memasangkan

sistem kincir angin yang dapat beroperasi sebagai pembangkit listrik di depan

blower yang sudah ditentukan range kecepatan anginnya. Pada penelitian ini akan

dilakukan variasi kecepatan angin untuk mendapatkan karakteristik kincir angin

propeller tiga sudu yang akan diteliti. Sebagai langkah penelitian untuk

pengambilan data, dilakukan dengan cara sebagai berikut

1. Langkah awal dari percobaan yaitu mempersiapkan alat-alat penunjang

pengambilan data seperti timbangan, takometer, multitester, anemometer,

beban lampu, obeng, terminal, dan sudu kincir angin

2. Memasang anemometer di depan blower lalu menentukan jarak antara kincir

angin dan blower yang arahnya tegak lurus agar berada pada range kecepatan

angin yang diinginkan untuk pengambilan data.

3. Memasang timbangan yang dihubungkan dengan lengan generator yang

posisinya tegak lurus.

4. Memasang sudu kincir angin, kemudian memasang multitester untuk

mengukur tegangan dan arus keluaran generator, kemudian dihubungkan

dengan beban lampu.

Gambar 3.19 Skematik pembebanan kincir angin

A

V

Beban lampu

Generator


34

5. Setelah semua terpasang dan sudah siap, maka blower dinyalakan.

6. Posisi kincir dikalibrasi kembali dan apabila telah memenuhi range kecepatan

angin yang ditentukan, maka pengambilan data dapat dilakukan.

7. Awal pengambilan data dilakukan dari beban lampu nol atau tanpa beban.

Dilakukan 12 variasi beban lampu dan dimulai dengan pencatatan data

kecepatan angin, putaran rotor yaitu dengan mengarahkan takometer tegak

lurus dengan casing generator, gaya pengimbang, tegangan keluaran

generator, dan arus keluaran generator.

8. Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum pada setiap

variasi kecepatan angin dan pengambilan data dilakukan pada 3 variasi

kecepatan angin yang berbeda.

3.8. Pengolahan Data

Setelah dilakukan pengambilan data, akan diolah lebih lanjut mengenai daya

kincir, daya listrik, koefisien performansi / Coeficient of Performance (CP) dan juga

pengolahan data putaran kincir yang akan dikalkulasi menjadi data Tip Speed Ratio(

TSR) sehingga didapat grafik perbandingan antara CP dan TSR. Penulis akan

membandingkan grafik-grafik yang dihasilkan dari penelitian dan akan diperoleh

karakteristik kincir angin yang telah didesain dan penulis mengetahui unjuk kerja

yang paling optimal apabila kincir ini akan diterapkan menjadi sistem pembangkit

skala lapangan.


35

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian

Data penelitian diambil dalam 3 variasi kecepatan angin. Data yang diperoleh

meliputi : kecepatan angin (m/s), gaya pengimbang (N), kecepatan putar rotor

(rpm), Tegangan output generator (Volt), Arus output generator (Ampere).

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s.

putaran gaya

rotor pengimbang

(rpm) (gram) (Volt) (Ampere) (m/s)

1 0 720 70 48,4 0 9,5

2 1 716 90 47 0,08 9,5

3 2 680 130 46,3 0,19 9,5

4 3 672 150 44,2 0,3 9,5

5 4 646 170 40,8 0,4 9,5

6 5 641 180 41,4 0,46 9,5

7 6 624 210 48,9 0,56 9,5

8 7 594 230 38 0,65 9,5

9 8 577 250 36,6 0,76 9,5

10 9 558 290 35,7 0,84 9,5

11 10 530 300 33,4 0,94 9,5

12 11 481 320 31,1 1,02 9,5

13 12 465 340 29,8 1,06 9,5

No bebanV I v


36

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s.

No beban

putaran gaya V I v

rotor pengimbang


1 0 721 80 44,4 0 8

2 1 704 110 44,6 0,11 8

3 2 689 120 43,5 0,22 8

4 3 623 150 41,5 0,31 8

5 4 615 170 38,6 0,42 8

6 5 600 210 39,2 0,52 8

7 6 583 230 35,5 0,58 8

8 7 533 240 33,4 0,67 8

9 8 514 260 32 0,81 8

10 9 491 280 31,1 0,88 8

11 10 427 290 25,5 0,91 8

12 11 406 310 28,1 0,93 8

13 12 338 310 19 0,93 8

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s.

No beban

putaran gaya V I v

rotor pengimbang


1 0 686 80 44,7 0 7

2 1 633 90 41,3 0,07 7

3 2 617 100 40,4 0,14 7

4 3 607 120 38,2 0,25 7

5 4 569 150 32,2 0,33 7

6 5 551 180 34,8 0,46 7

7 6 546 200 32,9 0,54 7

8 7 508 210 33,2 0,55 7

9 8 505 220 30,1 0,57 7

10 9 489 230 27,1 0,62 7

11 10 478 240 29,5 0,68 7

12 11 402 250 26,5 0,72 7

13 12 365 260 20,9 0,76 7


37

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada sampel data yang diambil

dari table dan akan dirinci sebagai berikut :

a. Perhitungan Daya Angin

Sample data untuk contoh perhitungan diambil dari tabel 4.3 pada baris nomor 9.

𝑃𝑖𝑛 =1

2𝜌𝐴𝑣3

𝑃𝑖𝑛 =1

2𝑥 1,2 𝑥 𝜋 𝑥 0,52 𝑥 73

𝑃𝑖𝑛 = 161,7 𝑤𝑎𝑡𝑡

b. Perhitungan Daya Kincir

𝜔 = 𝜋 𝑛

30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 = 𝐹 𝑥 𝑟

𝜔 = 𝜋 505

30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 = 𝑚. 𝑔 𝑥 𝑟

𝜔 = 52,90 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 =220

10009,81 𝑥 0,27 𝑁𝑚

𝑇 = 0,58 𝑁𝑚

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 0,58 𝑥 52,88

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 30,82 𝑤𝑎𝑡𝑡

c. Perhitungan CP


38

𝐶𝑝 =𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 100% 𝑃𝑜 = 𝑉 𝐼

𝐶𝑝 =30,82

161,7 100% 𝑃𝑜 = 30,1 𝑥 0,57 𝑤𝑎𝑡𝑡

𝐶𝑝 = 19,06(mekanis) 𝑃𝑜 = 17,16 𝑤𝑎𝑡𝑡

𝐶𝑝 =𝑃𝑜

𝑃𝑖𝑛 100%

𝐶𝑝 =17,16

162,33 100%

𝐶𝑝 = 10,57 % (elektris)

d. Perhitungan Tip Speed Ratio

𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑟 𝑛

30 𝑣

𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑥 0,5 𝑥 505

30 𝑥 7,1

𝑇𝑆𝑅 = 3,72

4.3 Data Hasil Perhitungan

Parameter yang telah didapat dari penelitian diolah dengan software

Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara putaran rotor dengan

torsi yang dihasilkan, grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio,

dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi

kecepatan angin.


39

Tab

el 4

.3 D

ata

per

hit

un

gan

dat

a kin

cir

angin

poro

s hori

sonta

l 3 s

udu p

ada

kec

epat

an a

ngin

9,5

m/s

puta

ran

gaya

C PC P

roto

rpe

ngim

bang

mek

anis

elek

tris

(rpm

)(g

ram

)(V

olt)

(Am

pere

)(m

/s)

(rad

/s)

(Nm

)(w

att)

(wat

t)(w

att)

(m/s

)

10

720

7048

,40

9,5

75,3

980,

193,

9640

7,87

13,9

80,

003,

4337

,70

0,00

21

716

9047

0,08

9,5

74,9

790,

243,

9340

7,87

17,8

73,

764,

3837

,49

0,92

32

680

130

46,3

0,19

9,5

71,2

090,

343,

7440

7,87

24,5

28,

806,

0135

,60

2,16

43

672

150

44,2

0,3

9,5

70,3

720,

403,

6940

7,87

27,9

613

,26

6,85

35,1

93,

25

54

646

170

40,8

0,4

9,5

67,6

490,

453,

5540

7,87

30,4

616

,32

7,47

33,8

24,

00

65

641

180

41,4

0,46

9,5

67,1

250,

483,

5240

7,87

32,0

019

,04

7,85

33,5

64,

67

76

624

210

48,9

0,56

9,5

65,3

450,

563,

4340

7,87

36,3

527

,38

8,91

32,6

76,

71

87

594

230

380,

659,

562

,204

0,61

3,26

407,

8737

,89

24,7

09,

2931

,10

6,06

98

577

250

36,6

0,76

9,5

60,4

230,

663,

1740

7,87

40,0

127

,82

9,81

30,2

16,

82

109

558

290

35,7

0,84

9,5

58,4

340,

773,

0740

7,87

44,8

829

,99

11,0

029

,22

7,35

1110

530

300

33,4

0,94

9,5

55,5

010,

792,

9140

7,87

44,1

031

,40

10,8

127

,75

7,70

1211

481

320

31,1

1,02

9,5

50,3

70,

852,

6440

7,87

42,6

931

,72

10,4

725

,19

7,78

1312

465

340

29,8

1,06

9,5

48,6

950,

902,

5540

7,87

43,8

531

,59

10,7

524

,35

7,74

wP in

P o mek

anis

P out

No

beba

nV

Iv

roto

rT

TSR

v


40

Tab

el 4

.4 D

ata

per

hit

un

gan

dat

a kin

cir

angin

poro

s hori

sonta

l 3 s

udu p

ada

kec

epat

an a

ngin

8 m

/s

puta

ran

gaya

C PC P

roto

rpe

ngim

bang

mek

anis

elek

tris

(rpm

)(g

ram

)(V

olt)

(Am

pere

)(m

/s)

(rad

/s)

(Nm

)(w

att)

(wat

t)(w

att)

(m/s

)

10

721

8044

,40

875

,503

0,21

4,74

238,

5716

,00

0,00

6,71

37,7

50,

00

21

704

110

44,6

0,11

873

,723

0,29

4,63

238,

5721

,48

4,91

9,00

36,8

62,

06

32

689

120

43,5

0,22

872

,152

0,32

4,53

238,

5722

,93

9,57

9,61

36,0

84,

01

43

623

150

41,5

0,31

865

,24

0,40

4,09

238,

5725

,92

12,8

710

,86

32,6

25,

39

54

615

170

38,6

0,42

864

,403

0,45

4,04

238,

5729

,00

16,2

112

,16

32,2

06,

80

65

600

210

39,2

0,52

862

,832

0,56

3,94

238,

5734

,95

20,3

814

,65

31,4

28,

54

76

583

230

35,5

0,58

861

,052

0,61

3,83

238,

5737

,19

20,5

915

,59

30,5

38,

63

87

533

240

33,4

0,67

855

,816

0,64

3,50

238,

5735

,48

22,3

814

,87

27,9

19,

38

98

514

260

320,

818

53,8

260,

693,

3823

8,57

37,0

725

,92

15,5

426

,91

10,8

6

109

491

280

31,1

0,88

851

,417

0,74

3,23

238,

5738

,13

27,3

715

,98

25,7

111

,47

1110

427

290

25,5

0,91

844

,715

0,77

2,81

238,

5734

,35

23,2

114

,40

22,3

69,

73

1211

406

310

28,1

0,93

842

,516

0,82

2,67

238,

5734

,91

26,1

314

,63

21,2

610

,95

1312

338

310

190,

938

35,3

950,

822,

2223

8,57

29,0

617

,67

12,1

817

,70

7,41

No

beba

nV

Iv

wT

P inP o m

ekan

isP ou

tv

roto

rTS

R


41

Tab

el 4

.3 D

ata

per

hit

un

gan

dat

a kin

cir

angin

poro

s hori

sonta

l 3 s

udu p

ada

kec

epat

an a

ngin

7 m

/s

puta

ran

gaya

C PC P

roto

rpe

ngim

bang

mek

anis

elek

tris

(rpm

)(g

ram

)(V

olt)

(Am

pere

)(m

/s)

(rad

/s)

(Nm

)(w

att)

(wat

t)(w

att)

(m/s

)

10

686

8044

,70

771

,838

0,21

5,12

162,

3315

,22

0,00

9,38

35,9

20,

00

21

633

9041

,30,

077

66,2

880,

244,

7316

2,33

15,8

02,

899,

7333

,14

1,78

32

617

100

40,4

0,14

764

,612

0,26

4,61

162,

3317

,11

5,66

10,5

432

,31

3,48

43

607

120

38,2

0,25

763

,565

0,32

4,53

162,

3320

,20

9,55

12,4

531

,78

5,88

54

569

150

32,2

0,33

759

,586

0,40

4,25

162,

3323

,67

10,6

314

,58

29,7

96,

55

65

551

180

34,8

0,46

757

,701

0,48

4,12

162,

3327

,51

16,0

116

,95

28,8

59,

86

76

546

200

32,9

0,54

757

,177

0,53

4,08

162,

3330

,29

17,7

718

,66

28,5

910

,94

87

508

210

33,2

0,55

753

,198

0,56

3,79

162,

3329

,59

18,2

618

,23

26,6

011

,25

98

505

220

30,1

0,57

752

,883

0,58

3,77

162,

3330

,82

17,1

618

,98

26,4

410

,57

109

489

230

27,1

0,62

751

,208

0,61

3,65

162,

3331

,20

16,8

019

,22

25,6

010

,35

1110

478

240

29,5

0,68

750

,056

0,64

3,57

162,

3331

,82

20,0

619

,60

25,0

312

,36

1211

402

250

26,5

0,72

742

,097

0,66

3,00

162,

3327

,88

19,0

817

,17

21,0

511

,75

1312

365

260

20,9

0,76

738

,223

0,69

2,73

162,

3326

,32

15,8

816

,22

19,1

19,

79

No

beba

nV

Iv

P out

v ro

tor

wT

TSR

P inP o m

ekan

is


42

Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin bersudu

3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5 m/s, 8 m/s, dan 7

m/s.

Gambar 4.1. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan

maka kecepatan putar kincir semakin kecil. Torsi statis yang dihasilkan sebesar 0,9

Nm pada kecepatan putar kincir 465 rpm terjadi pada kecepatan angin 9,5 m/s.

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir

angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu

10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s.

%


43

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir

angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu

10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 8 m/s.

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya mekanis dengan tip speed ratio

kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal

sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 7 m/s.

%

%


44

Gambar 4.2.- gambar 4.4 memperlihatkan bahwa semakin besar tsr kincir

maka semakin besar Cp yang dihasilkan hingga pada keadaan maksmimalnya,

kemudian koefisien daya (Cp) mulai mengecil. Dari gambar diatas hubungan Cp

dengan tsr menunjukan prestasi terbaik pada saat kecepatan angin 7 m/s yaitu

dengan Cpmax 12,41% pada tsr 3,58.

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan

angin 9,5 m/s.


angin 8 m/s.


45


angin 7 m/s.

Gambar 4.5 - gambar 4.7 memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang

dihasilkan maka semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh kincir. Daya

maksimal yang dicapai yaitu 31,72 watt pada torsi 0,85 Nm.

Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp dan TSR kincir angin poros horisontal

tiga sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10

cm di atas pusat poros.

%


46

4.4 Pembahasan

Setelah penulis melakukan pengambilan data, maka pengolahan data dapat

dilakukan dengan software Microsoft Excel. Perlu diperhatikan bahwa data hasil

pengamatan yang dilakukan dapat dinyatakan benar apabila hasil grafik hubungan

antara koefisien daya dan tip speed ratio sudah menunjukan nilai maksimal nya dan

menghasilkan grafik dengan trendline parabolik pangkat dua yang tertutup

(mengarah kebawah dengan posisi puncak parabola dibagian atas). Apabila hasil

data yang telah dicatat dan sudah menunjukan kurva yang sesuai, maka analisis data

dapat dilanjutkan. Ditunjukan pula grafik hubungan antara putaran rotor dengan

torsi yang dihasilkan dan juga grafik hubungan antara daya keluaran dengan torsi

yang dihasilkan. Dari ketiga grafik yang telah dihasilkan, maka karekteristik dari

desain kincir angin yang diteliti dapat diketahui. Sudah tersaji torsi, putaran rotor,

dan koefisien daya pada masing-masing variasi kecepatan angin. Terdapat

perbedaan prestasi yang ditunjukan pada hasil data kincir angin antara daya output

mekanis dan daya output elektris. Torsi awalan kincir angin dan effisiensi kincir

angin menjadi faktor yang mempengaruhi hasil data tersebut. Dilihat dari gambar

4.1, sangat terlihat bahwa garis hubungan rpm dan torsi tidak dimulai dari titik 0

sumbu x sehingga hal tersebut menjadi bukti bahwa generator memerlukan torsi

awalan untuk dapat diputar oleh kincir. Selain itu dapat dilihat pula gambar 4.5 –

gambar 4.7 bahwa perbedaan prestasi sangat jelas berbeda antara daya output

mekanis dan daya output elektris. Jika ditinjau dari data hasil perhitungan daya

kincir dengan daya output generator, terjadi penurunan nilai daya ketika torsi yang


47

dihasilkan digunakan untuk menghasilkan listrik. Hal itu dapat membuktikan

bahwa effisiensi generator menjadi faktor perbedaan prestasi antara daya output

mekanis dan daya output elektris. Ditinjau dari data prestasi Cp dan TSR yang

dihasilkan dari data penelitian, yang terbaik justru pada kecepatan angin 7 m/s.

Menurut penulis, hal ini menunjukan suatu karakteristik yang dimiliki oleh setiap

desain sudu kincir angin. Setiap desain sudu pasti memiliki batasan maksimal

prestasinya masing-masing.


48

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Setelah melakukan pengambilan data, pengolahan dan analisis data dapat

disimpulkan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horizontal 3 sudu dengan desain

dari penampang silindris 8 inch.

2. Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6% pada tsr 3,6

dengan kecepatan angin 7 m/s.

3. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir

angin yaitu 0,9 Nm pada kecepatan putar kincir 465 rpm.

4. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari

kincir angin yang dibuat yaitu 44,88 watt pada torsi 0,77 Nm.

5.2 Saran

1. Perlu dilakukan uji coba dengan variasi kecepatan angin yang lebih rendah

mengingat karakteristik angin di Indonesia cenderung rendah.


49

DAFTAR PUSTAKA

Grogg, Kira., 2005, The Physics of Wind Turbines, Carleton College.

Martono, Tjukup.,2011, Peningkatan Effisiensi Kincir Angin Poros Vertikal Melalui Sistem

Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu

Schubel, Peter J., Richard J. Crossley. 2012.Wind Turbine Blade Design, Faculty of

Engineering, Division of Material. University of Nottingham. University Park.

Nottingham NG7 2RD. United Kingdom

Manwell, J.F., J.G. McGowan, A.L. Rogers. 2009. Wind Energy Explained : Theory, Design

and Application, Second Edition. John Wiley. USA

Surdia, T. 2005. Pengetahuian Bahan Teknik. Jakarta : Pradnya Paramita


unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu … · tugas akhir ini adalah mengetahui koefisien daya...

Documents