LAPORAN PRAKTEK KINCIR ANGIN
(Wind Energy Converter)
Disusun oleh : DAMAR DWI SAPUTRA (115214041)
Laboraturium Mekanika Fluida Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2013
1. PENDAHULUAN
Salah satu penyebab terjadinya pemanasan global adalah semakin banyak pemakaian energi tidak terbarukan. Suhu atmosfer bumi yang semakin meningkat mengakibatkan semakin banyak es yang berada
di kutub utara maupun kutub selatan mencair. Jika
segera diatasi dikhawatirkan akan berakibat buruk kepada kehidupan manusia. Salah satu usaha yang sudah dilakukan oleh banyak Negara adalah meminimalkan pemakaian energi tidak terbarukan dan sedapat mungkin memanfaatkan semua jenis sumber energy terbarukan yang ada. Indonesia memiliki banyak energi terbarukan. Potensi tiap jenis energy terbarukan tersebut juga cukup besar. Belum semua jenis energy terbarukan tersebut dimanfaatkan secara maksimal. Diperlukan usaha dan kerja keras banyak pihak untuk memanfaatkan energy terbarukan. Sosialisasi pemanfaatan eergi terbarukan juga sangat diperlukan untuk menyadarkan masyarakat Indonesia akan kekayaan sumber energi terbarukan yang dimilikinya. Untuk itulah Mahasiswa Teknik Mesin USD melakukan praktikum kincir angin, untuk digunakan sebagai bahan penelitian tentang ener gi terbarukan.
2. TUJUAN PRAKTIKUM
Praktikum Prestasi Mesin dengan modul Kincir Angin ini diharapkan mahasiswa mendapatkan beberapa hal : 1. Mahasiswa memahami proses konversi energi yang terjadi pada kincir angin. 2. Mahasiswa dapat mencari besarnya energi angin yang tersedia berdasarkan kecepatannya. 3. Mahasiswa dapat mencari besarnya eergi yang dihasilkan kincir angin sebagai hasil konversi sudu kincir angin. 4. Mahasiswa data mencari unjuk kerja sebuah kincir angin.
3. DASAR TEORI
A. MACAM-MACAM KINCIR 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, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin (Daryanto, 2007) Saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD, PLTU, dll), namun 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 dapat dibagi menjadi dua kategori utama, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal (Daryanto, 2007)
B. KINCIR ANGIN SUMBU HORIZONTAL Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin. Kebanyakan turbin angin jenis ini mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin bilah baling balingnya kurang atau lebih daripada yang disebut diatas.
Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :
dimana adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan
adalah
kecepatan angin pada waktu tertentu. Perhitungan daya keluaran Dapat dihitung : Po = Torsi x 2πn / 60 Perhitungan Tip Speed Ratio / TSR u = (60 x n x r) / 2π v = Kecepatan angin TSR = u / v Sedangkan untuk menghitung Efisiensi : Cp = (Pout / Pin) 100% Koefisien daya digunakan untuk menggantikan untuk istilah efisiensi atau unjuk kerja adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukan perbandingan antara daya yang tersedia dengan daya yang dihasilkan oleh system kincir angin seperti gambar dibawah ini,
4. PELAKSANAAN PRAKTIKUM
JENIS KINCIR ANGIN Pada praktikum ini jenis kincir angin yang digunakan adalah kincir angin sumbu horizontal. Dimensi kincir dapat diliat pada gambar dibawah ini.
Gambar Alat Praktikum dapat dilihat dari gambar dibawah ini :
PERALATAN YANG DIPERGUNAKAN 1. Anemometer : untuk mengukur kecepatan angin didalam wind tunnel. Anemoeter dipasang dibagian depan kincir angin (didalam wi nd tunnel) pada tempat yang telah tersedia. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara mengatur jarak blower dengan wind tunnel. Kecepatan tertinggi diperoleh saat blower berhimpit dengan wind tunnel. 2. Tachometer : Untuk mengukur puaran poros kinci angin. Pengukuran rpm dilakukan dibawah kincir angin pada bagian yang telah tersedia.
LANGKAH PENGAMBILAN DATA 1. Pastikan semua bagian kincir angin terpasang dengan benar. 2. Ambil dan pasang semua alat ukur yang diperlukan. 3. Putar saklar blower dari posisi off (0) ke posisi on (1). Tekan tombol start (warna hijau) 4. Atur jarak blower terhadap wind tunnel hingga kecepatan angin sesuai yang diinginkan. 5. Catatlah : kecepatan angin, putaran poros, dan saat tanpa diberi beban pengereman, watt = 0. 6. Atur beban pengereman. 7. Tunggu samapi system menjadi tunak (steady). 8. Catatlah : kecepatan angin, putaran poros, dan beban pengereman. 9. Ulangi langkah 6 dan 7 sampai diperoleh 3 set data. 10. Off-kan semua saklar. 11. Ulangi langkah 4 s.d 9 sampai diperoleh 3 variasi jarak blower. 12. Tekan tombol stop untuk mematikan blower. 13. Lepaskan dan kembalikan semua alat ukur ke tempat semula.
Rumus – rumus yang digunakan :
Pi n
=
3)
(ρudara A v
Keterangan
:
Pi
= daya yang dihasilkan (W/
ρudara
= massa jenis udara
A
= luas penampang (m )
v
= kecepatan angin (m/det)
2
Pout = T ω
ω =
Keterangan
:
Pout
= daya yang tersedia (W/
T
= torsi (Nm)
ω
= kecepatan sudut
n
= putaran sudut (rpm)
Cp =
rad/s
Keterangan : Cp
= Power Coefficient / koefisien daya
Pout
= daya yang dihasilkan (W/
Pin
= daya yang tersedia (W/
TSR =
Keterangan : TSR
= Tip Speed Ratio
R
= jari-jari
n
= putaran sudut (rpm)
v
= kecepatan angin (m/det)
Grafik Percobaan 0.0030000
0.0025000
0.0020000
P
Percobaan 1
0.0015000
Percobaan 2
C
Percobaan 3
0.0010000
Percobaan 4 0.0005000
0.0000000 0.000
1.000
2.000
3.000
4.000
TSR
5.000
6.000
7.000
8.000
5. TUGAS
Data Pengamatan : Catatan :R r
= 0.55 m = 0.20 m Putaran poros rpm 968.1 955.7 921.7 856 815.9 743.3
F
Torsi
A Kinir
Pin
Pout
w
N 0.1 0.4 1.2 3 3.7 4.7
Nm 0.02 0.08 0.24 0.6 0.74 0.94
m^2 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985
(W/m^2) 266.312 242.359 250.177 249.191 265.284 275.686
(W/m^2)
(rad/s)
1 2 3 4 5 6
Kecepatan Angin m / det. 7.76 7.52 7.6 7.59 7.75 7.85
7 8 9 10 11 12
6.64 6.44 6.41 6.6 6.37 6.72
844.6 834.8 808.5 777.1 744.4 673.7
0.1 0.4 0.8 1.4 2.3 3.4
0.02 0.08 0.16 0.28 0.46 0.68
0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985
166.844 152.217 150.100 163.847 147.307 172.947
13 14 15 16 17 18
5.4 5.2 5.35 5.42 5.63 5.62
677.8 670.7 631.7 589.6 552.8 510.7
0.2 0.5 1 1.5 2 2.5
0.04 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985
89.740 80.134 87.271 90.741 101.702 101.161
19 20 21 22 23 24
4.43 4.41 4.6 4.62 4.44 4.74
516.9 496.1 462.7 414.9 371 138.3
0.1 0.5 0.9 1.5 1.8 2.2
0.02 0.1 0.18 0.3 0.36 0.44
0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985 0.94985
49.547 48.879 55.473 56.199 49.883 60.693
No.
101.328
0.0000761
7.182
8.002
100.030
0.000330187
7.316
23.153
96.471
0.00092547
6.981
53.757
89.595
0.002157257
6.492
63.194
85.398
0.002382131
6.060
73.131
77.799
0.002652682
5.451
1.768
88.401
0.000105969
7.322
6.990
87.376
0.000459216
7.462
13.540
84.623
0.000902045
7.261
22.774
81.336
0.001389969
6.778
35.840
77.914
0.002433033
6.727
47.949
70.514
0.002772489
5.771
2.838
70.943
0.000316215
7.226
7.020
70.200
0.000876033
7.425
13.224
66.118
0.001515241
6.797
18.513
61.711
0.002040248
6.262
23.144
57.860
0.002275647
5.652
26.727
53.453
0.002641977
5.231
1.082
54.102
0.000218387
6.717
5.193
51.925
0.001062321
6.476
8.717
48.429
0.00157145
5.790
13.028
43.426
0.002318147
5.170
13.979
38.831
0.002802397
4.810
6.369
14.475
0.001049402
1.680
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 1 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 0
1
2
3
4
5
6
TSR
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 2 0.003 0.0025
TSR
2.027
Grafik percobaan :
p C
Cp
7
8
Grafik percobaan :
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 1 0.003 0.0025 p C
0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
TSR
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 2 0.003 0.0025 0.002 p C
0.0015 0.001 0.0005 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
7
8
TSR
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 3 0.003 0.0025 0.002 p C
0.0015 0.001 0.0005 0 0
1
2
3
4 TSR
5
6
Grafik Hubungan TSR vs Cp Percobaan 4 0.003 0.0025 0.002 p C
0.0015 0.001 0.0005 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
TSR
Grafik Percobaan 0.0030000
0.0025000
0.0020000
P
Percobaan 1
0.0015000
C
Percobaan 2 Percobaan 3 0.0010000
Percobaan 4
0.0005000
0.0000000 0.000
1.000
2.000
3.000
4.000
TSR
5.000
6.000
7.000
8.000
6.
PEMBAHASAN
Dari Praktikum ini dapat kita lihat bahwa besarnya kecepatan angin berbanding lurus dengan Rpm dan daya yang tersedia pada angin, semakin besar kecepatan angin yang dihasilkan blower maka semakin besar pula Rpm dan daya Input yang dihasilkan. Dapat kita lihat juga bahwa besarnya diameter kincir juga berbanding lurus dengan daya input yang dihasilkan angin dan kecepatan kincir. Dengan kecepatan angin yang sama maka semakin besar pula daya input dan kecepatan kincirnya. Jadi Besarnya daya Input dipengaruhi oleh kecepatan angin dan Diameter kincir. Dapat kita hitung dimana adalah kerapatan angin, R diameter kincir, dan v adalah kecepatan angin.Besarnya beban berbanding lurus dengan Pout dan berbanding terbalik dengan Rpm, semakin besar beban maka Pout akan semakin besar dan Rpm akan semakin melambat. Besarnya daya keluaran juga dipengaruhi oleh besarnya diameter beban yang berbanding lurus dengan torsi. Semakin besar diameter beban semakin besar pula torsi yang dihasilkan maka daya keluaran akan semakin besar karena Pout : Torsi x (2πn/60). Dari data yang kita peroleh dari 4 variasi kecepatan, harga torsi dan kecepatan yang semakin besar akan menunjukan Pout yang semakin besar pula dan Rpm akan semakin melambat. Itu berarti percobaan yang kami lakukan sesuai dengan teori yang kami pelajari. TSR adalah perbandingan kecepatan ujung sudut dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung sudut (u) dipengaruhi oleh besarnya Rpm dan jari-jari kincir. Pada hasil percobaan, dapat kita lihat bahwa usemakin besar rpm maka semakin besar pula kecepatan kincirnya (u), dan TSR berbanding lurus dengan kecepatan ujung sudu dan berbanding terbalik dengan kecepatan angin. Dari grafik yang kami peroleh, harga TSR mempengaruhi besarnya Cp. Harga Cp dapat berubah – ubah sesuai dengan TSR-nya sesuai dengan grafik yang ada, dan pada data 1 sampai 3 terjadi perbedaan yang sedikit, tetapi pada data ke 4 terjadi peningkatan Cp yang besar. Efisiensi (cp), adalah perbandingan (Pout/Pin)100%. Dapat kita lihat dari data praktikum, jika Pout semakin besar dalam Pin yang sama, maka efisiensinya semakin besar. Kualitas kincir angin ditentukan oleh efisiensinya, jika efisiensinya semakin besar maka semakin baik pula kualitas kincir anginnya. Harga Cp paling besar yang kami peroleh adalah 0.073, dimana Vangin = 6.35 m/s, T = 0.16 Nm, Rpm = 640 km/jam masih jauh dari efisiensi maksimal yang dapat dicapai oleh kincir angin. Saya mengambil kesimpulan hal tersebut terjadi karena bentuk dari kincir angin yang kurang menyerap kecepatan (energi) angin yang ada, mungkin kita harus mendesain bentuk kincir angin yang dapat menyerap energi angin lebih banyak (menghasilkan Po yang besar). Kita juga harus menyesuaikan bentuk kincir dan besar kincir angin sesuai dengan kecepatan (energi) angin yang tersedia.
7.
KESIMPULAN
Dari praktikum kincir angin, kami sedikit menemukan kesulitan dalam mencari data. Kesulitan pada paraktikum ini adalah pada proses mencari dahta dari kecepatan angin dan putaran poros karena ketidak stabilan angin dan poros tersebut. Tetapi perubahn gaya (F) dan torsi (T) tetaplah meningkat. Praktikum ini sangat bermanfaat untuk mahasiswa karena kami jadi mengetahui proses pencarian data dari kincir angin
