UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN DIAMETER 1 M LEBAR MAKSIMUM 13 CM PADA JARAK 12,5 CM DARI PUSAT POROS

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN DIAMETER 1 M LEBAR MAKSIMUM 13 CM PADA JARAK 12,5 CM DARI PUSAT POROS

TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

Diajukan oleh : RUSIDIN NIM :125214041

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016

i


PERFORMANCE OF COMPOSITE FOUR BLADES HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE WITH 1M OF DIAMETER 13 CM THE MAKSIMUM FOR 12,5 CM DISTANCE FROM THE CENTER OF A SHAFT

FINAL PROJECT Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By : RUSIDIN Student Number :125214041

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016

ii


iii


iv


v


vi


INTISARI Kebutuhan energi listrik di Indonesia semakin meningkat. Krisis listrik ini sudah sejak lama menjadi persoalan dan telah diprediksi oleh banyak ahli energi di Indonesia sejak sepuluh tahun yang lalu. Kebutuhan energi dapat meningkat secara bertahap, baik ditinjau dari kapasitasnya, kualitasnya maupun ditinjau dari tuntutan distribusinya. Konsumsi listrik di Indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. Untuk mengatasi pemenuhan kebutuhan listrik ini, maka diperlukan sebuah sumber energi baru yang mampu memenuhi kebutuhan listrik nasional yang semakin besar. Angin, sebagai salah satu sumber yang tersedia di alam dapat dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energi listrik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja kincir angin yang diteliti seperti besar torsi, perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio. Kincir angin yang diteliti adalah kincir angin poros horisontal empat sudu berbahan komposit dengan diameter 1 m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 dari pusat poros. Komposit yang digunakan dalam pembuatan sudu menggunakan resin epoxy dan serat gelas atau fiberglass, dan menggunakan harderner sebagai pengeras. Terdapat tiga variasi kecepatan angin dalam penelitian, variasi kecepatan angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s, variasi kecepatan angin 8,3 m/s dan variasi kcepatan angin 6,4 m/s.Untuk mendapatkan daya kincir, torsi, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio pada kincir, maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pembebanan lampu yang berfungsi untuk pemberian beban pada kincir. Besarnya beban kincir dapat dilihat pada timbangan digital.Putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Dari hasil penelitian kincir angin tersebut, koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 35,14 % pada tsr 4,20 pada kecepatan angin 6,4 m/s.Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,85 Nm pada kecepatan 713 rpm terjadi pada kecepatan angin 10,3 m/s. Daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yaitu 64,75 watt pada kecepatan 713 rpm pada kecepatan angin 10,3 m/s. Kata kunci : Kincir angin, koefesien daya, tip speed ratio, torsi, daya.

vii


ABSTRACT Demand of electrical power in Indonesia has increased. The crisis the electricity is have long been a problem and have predicted by a lot of energy in Indonesia since ten years ago. Energy needs can increase gradually, in terms of capacity, its quality and in terms of demands the distribution of goods. Electricity consumption in Indonesia to increase each year in line with increasing growth of national economy. To overcome meeting the needs of this power, then required a new source of energy has been able to meet national electricity bigger. The wind, as one source of available in nature can be used as one source of electrical energy. This research aims to understand working on windmills as large researched torque, comparison resources, the coefficients maximum power, and tip speed ratio. Windmills in minutely is windmills horizontal axis turbine four blade, composite made in diameter of 1 m, the maximum with blade is 13 cm at a distance 12,5 cm from the shaft. Composites used in making blade using epoxy resin and fiberglass, and use harderner. There are three variation wind speed in research, variation wind speed with wind speed 10,3 m / s, variation wind speed 8,3 m / s and variation wind speed 6,4 m / s. To get the pinwheel, torque, the coefficients power maximum, and tip speed ratio in work, so the shaft work mechanism imposition connected to a lamp that serves to the provision of a load on work. The size of the pinwheel the burden can be seen on digital scales. The windmills measured use tachometer and wind speed measured using anemometer. The research windmills, the coefficients power highest obtained is as much as 35,14 % in tip speed ratio as much 4,20 with wind speed 6.4 m / s. Torque the largest produced by windmills namely 0,85 nm at the speed of turn 713 rpm happened to wind speed 10.3 m / s. Largest resources which may be generated from the windmill namely 46,7 watts at the speed of turn 713 rpm in wind speed 10.3 m / s. Keywords: windmills propeller, the coefficients power, tipped speed ratio, torque, the pinwheel.

viii


KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkahNya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir.Tugas akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Banyak hambatan yang dialami penulis selama proses penulisan tugas akhir. Namun karena kuasa Tuhan Yang Maha Esa, bantuan dan keterlibatan berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas segala bantuan, dukungan dan dorongan, baik secara moril, materil dan spirituil antara lain kepada: 1. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin. 3. Dr. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan saran, kritik dan bimbingan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. 4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan tugas akhir. 5. Segenap dosen dan staff Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas segala kerjasama, pelayanan dan bimbingan selama penulis menempuh kuliah dan proses penulisan tugas akhir.

ix


6. Keluarga tercinta, Ayah, Ibu, Kakak dan Adik Saya atas segala bentuk dukungan, doa, dan semua yang sudah diberikan sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 7. Teman-teman Teknik Mesin Angkatan 2012 Universitas Sanata Dharma dan teman-teman saya lainnya yang tidak bisa disebutkan satu per satu.

Penulis

Rusidin

x


DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL................................................................................................ i HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .....................................................v LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................................................ vi INTISARI ............................................................................................................. vii ABSTRACT ........................................................................................................ viii KATA PENGANTAR .......................................................................................... ix DAFTAR ISI ......................................................................................................... xi DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR TABEL .............................................................................................. xvii DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... xviii BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................1 1.1. Latar Belakang Masalah ...................................................................................1 1.2. Rumusan Masalah ............................................................................................2 1.3. Tujuan Penelitian ..............................................................................................2 1.4. Batasan Masalah ...............................................................................................3 1.5. Manfaat Penelitian ...........................................................................................3 BAB II DASAR TEORI ..........................................................................................4 2.1. Angin ................................................................................................................4 2.1.1. Jenis – Jenis Angin ........................................................................................5 2.2. Kincir Angin ...................................................................................................9 2.2.1. Kincir Angin Sumbu Horisontal ...................................................................9 2.2.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal .....................................................................11 2.3. Grafik Hubungan antara Koefisien daya dan Tip speed ratio (Tsr) ................12 2.4. Rumus Perhitungan ........................................................................................13

xi


2.4.1. Energi Kinetik .............................................................................................13 2.4.2. Daya Angin ..................................................................................................13 2.4.3. Tip Speed Ratio (tsr) ....................................................................................14 2.4.4. Torsi .............................................................................................................14 2.4.5. Daya Kincir Mekanis ...................................................................................15 2.4.6. Daya Listrik ..................................................................................................15 2.4.7. Koefesien Daya (Cp) ....................................................................................16 2.5. Komposit ........................................................................................................16 2.5.1. Jenis – Jenis Komposit ................................................................................17 2.5.2. Penyusun Komposit .....................................................................................19 2.5.2.1. Reinforcement (Penguat) ..........................................................................19 2.5.2.1.2. Fiberglass ...............................................................................................23 2.5.2.2. Matriks ......................................................................................................25 2.5.2.2.1. Jenis Matriks ..........................................................................................27 2.5.3. Faktor Yang Mempenagruhi Komposit .......................................................29 BAB III METODE PENELITIAN.........................................................................33 3.1. Diagram Penelitian .........................................................................................33 3.2. Alat Dan Bahan ..............................................................................................34 3.3. Desain Kincir .................................................................................................39 3.4. Pembuatan Sudu Kincir Angin ......................................................................39 3.4.1. Alat Dan Bahan Pembuatan Sudu ...............................................................39 3.4.2. Proses Pembuatan Sudu ..............................................................................40 3.5. Langkah Penelitian .........................................................................................46 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN .............................................48 4.1. Data Hasil Pengujian .......................................................................................48 4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan..................................................................49 4.2.1. Perhitungan Daya Angin .............................................................................49

xii


4.2.2. Perhitungan Torsi ........................................................................................50 4.2.3. Perhitungan Daya Kincir Mekanis ..............................................................50 4.2.4. Perhitungan Tip Speed Ratio (Tsr) ..............................................................51 4.2.5. Perhitungan Daya Listrik ............................................................................51 4.2.5. Perhitungan Koefisien Daya (Cp) ...............................................................52 4.3. Data Hasil Perhitungan ..................................................................................52 4.4. Grafik Hasil Perhitungan ................................................................................54 4.4.2. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Mekanis Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ....................................................................................... 54 4.4.2. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ....................................................................................... 55 4.4.3. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Untuk Tiga variasi Kecepatan Angin .........................................................................................................56 4.4.4. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin ...........................................................................57 4.5. Pembahasan Data ............................................................................................59 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................60 5.1. Kesimpulan ....................................................................................................60 5.2. Saran ...............................................................................................................61 DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................62 LAMPIRAN ...........................................................................................................63

xiii


DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Angin Laut...........................................................................................6 Gambar 2.2. Angin Darat .........................................................................................6 Gambar 2.3. Angin Lembah .....................................................................................6 Gambar 2.4. Angin Gunung .....................................................................................7 Gambar 2.5. Angin Muson Barat ............................................................................8 Gambar 2.6. Angin Muson Timur ............................................................................9 Gambar 2.7. Kincir Angin Poros Horisontal .........................................................10 Gambar 2.8. Kincir Angin Poros Vertikal ............................................................11 Gambar 2.9. Grafik Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) ..........12 Gambar 2.10. Jenis- Jenis Komposit .....................................................................18 Gambar 2.11. Klasifikasi Komposit Bedasarkan Penguatnya ...............................19 Gambar 2.12. Contoh Particle Reinforced Composites ........................................20 Gambar 2.13. Contoh Fiber Reinforced Composites ............................................21 Gambar 2.14. Jenis- Jenis Fiber (Serat) .................................................................23 Gambar 2.15. Serat Kaca .......................................................................................23 Gambar 2.16. Tipe Komposit Serat .......................................................................24 Gambar 2.17. Struktur Laminate dan Sandwich ...................................................25 Gambar 2.18. Tata Letak dan Arah Serat ...............................................................30 Gambar 2.19. Kekuatan Stress - Strain ..................................................................32 Gambar 2.20. Kurva Tegangan dan Regangan Sistem Matrik Ideal......................32 Gambar 2.21. Kurva Regangan dan Regangan Terhadap Kegagalan Serat ...........33 Gambar 3.1. Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin .................................34 Gambar 3.2. Blade/Sudu ........................................................................................36 Gambar 3.3. Dudukan Sudu ...................................................................................36

xiv


Gambar 3.4. Fan Blower ........................................................................................37 Gambar 3.5. Anemometer ......................................................................................37 Gambar 3.6. Tachometer ........................................................................................38 Gambar 3.7. Timbangan Digital ............................................................................38 Gambar 3.8. Voltmerter .........................................................................................39 Gambar 3.9. Ampermeter .......................................................................................39 Gambar 3.10. Skema Pembebanan Lampu ............................................................40 Gambar 3.11. Desain Kincir...................................................................................40 Gambar 3.12. Pemotongan Pipa ............................................................................42 Gambar 3.13. Mal/Cetakan Kertas .........................................................................42 Gambar 3.14. Pembentukan Sudu Pipa .................................................................43 Gambar 3.15. Pelapisan Mal Dengan Alumunium Foil ........................................43 Gambar 3.16. Resin Dan Harderner ......................................................................44 Gambar 3.17. Pengolesan Cetakan Sudu Yang Dilapisi Alumunium Foil ...........45 Gambar 3.18. Peletakan Serat Kaca Pada Cetakan Sudu ......................................46 Gambar 3.19. Peletakan Plat Pada Ujung Sudu Untuk Lubang Sudu ...................46 Gambar 3.20. Finishing Sudu ...............................................................................46 Gambar 4.1. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Mekanis Pada TigaVariasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm Dari Pusat Poros ...............................................................56 Gambar 4.2. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm Dari Pusat Poros ...............................................................57 Gambar 4.3. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Pada Variasi Tiga Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit, dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm Dari Pusat Poros ..............................................................58

xv


Gambar 4.4. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm Dari Pusat Poros .............................................59

xvi


DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Tingkat Kecepatan Angin ......................................................................6 Tabel 2.2. Kelebihan dan Kekurangan ...................................................................24 Tabel 3.1. Alat dan Bahan Pembuatan Sudu/Blade ...............................................40 Tabel 4.1. Data Pengujian Empat Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s 48 Tabel 4.2. Data Pengujian Empat Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s .48 Tabel 4.3. Data Pengujian Empat Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s .49 Tabel 4.4. Data Perhitungan Kincir Angin Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s .......53 Tabel 4.5. Data Perhitungan Kincir Angin Pada Kecepatan Angin 8,3 m/s .........53 Tabel 4.6. Data Perhitungan Kincir Angin Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s .........53

xvii


DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

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 poros (rpm)

F

Gaya pembebanan (N)

T

Torsi (Nm)

Pin

Daya angin (watt)

Po

Daya listrik (watt)

Pout

Daya kincir (watt)

TSR

Tip Speed Ratio

Cp

Koefisien daya (%)

Cpmax

Koefisien daya maksimal (%)

m

massa (kg)

Ek

Energi kinetic (joule)

𝑉

Volume (m3)

V

Tegangan (volt)

I

Arus (ampere)

𝑡

Waktu (s)

ṁ

Laju aliran massa udara (kg/s)

Vt

Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)

xviii


BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Kebutuhan energi listrik di Indonesia semakin meningkat. Krisis listrik ini sudah sejak lama menjadi persoalan dan telah dipredikasi oleh banyak ahli energi di Indonesia sejak sepuluh tahun yang lalu. Kebutuhan energi dapat meningkat secara bertahap, baik ditinjau dari kapasitasnya, kualitasnya maupun ditinjau dari tuntutan distribusinya. Konsumsi listrik di Indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. Konsumsi listrik Indonesia yang begitu besar akan menjadi masalah bila dalam penyediaannya tidak sejalan dengan kebutuhan. Pemanfaatan sumber-sumber daya energi baru dan terbarukan, seperti angin masih sangat kurang dalam pemanfaatannya sebagai energi alternatif pembangkit listrik. Kecenderungan ini tentu akan terus bertahan seiring dengan makin berkurangnya cadangan minyak bumi serta batubara, yang merupakan penyuplai bahan bakar bagi pembangkit listrik di Indonesia. Untuk mengatasi pemenuhan kebutuhan listrik ini, maka diperlukan sebuah sumber energi baru yang mampu memenuhi kebutuhan listrik nasional yang semakin besar. Angin, sebagai salah satu sumber yang tersedia di alam dapat dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energi listrik. Angin merupakan sumber energi yang tidak ada habisnya sehingga pemanfaatan sistem perubahan energi angin akan berdampak positif terhadap lingkungan. Sebagai mahasiswa teknik mesin yang mengambil tugas akhir pengembangan kincir angin sebagai energi 1

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2

terbarukan dan konversi energi khususnya energi angin penulis ingin mengembangkan desain kincir untuk mencari unjuk kerja kincir angin yang sesuai dengan kondisi angin yang berada di Indonesia.

1.2. Rumusan Masalah Masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah : a. Diperlukan bentuk kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin tersebut dengan maksimal sehingga efisiensi yang diperoleh tinggi. b. Memaksimalkan potensi energi angin yang ada di Indonesia dengan kincir angin yang dapat mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi listrik. c. Menggunakan bahan komposit dalam pembuatan sudu.

1.3. Tujuan Penelitian a. Membuat kincir angin poros horisontal empat sudu berbahan komposit dengan diameter 1 m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak antar poros 12,5 cm dari pusat poros. b. Mengetahui unjuk kerja dari kincir angin poros horisontal empat sudu, berbahan komposit dengan diameter 1 m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros untuk mengetahui unjuk kerja Rpm, Torsi dan Daya kincir. c. Mengetahui nilai Tip speed ratio (Tsr) dan Koefesien daya (Cp) dari kincir angin tersebut.


1.4. Batasan Masalah Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah : a. Model kincir angin yang dibuat tipe horizontal axis wind turbine (HAWT) bahan komposit. b. Dimensi kincir angin: 1) Diameter 1 m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros. 2) Berat sudu kincir angin yang digunakan dalam penelitian adalah 214 gram per sudu. c. Kincir angin menggunakan sudu berjumlah empat. d. Alat pengujian menggunakan wind tunnel. e. Variasi kecepatan angin yang digunakan dalam pengujiaan adalah 10,3 m/s, 8,3 m/s dan 6,4 m/s. f. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

1.5. Manfaat Penelitian: a. Kincir angin ini dapat dimanfaatkan sebagai salah satu aplikasi pemanfaatan energi terbarukan di Indonesia sebagai energi alternatif. b. Kincir angin ini dalam pembuatan skala besar mampu menghasilkan energi listrik dalam jumlah besar dan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan masyarakat luas.


BAB II DASAR TEORI

2.1. Angin Adalah udara yang bergerak akibat rotasi bumi dan perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, PLTA mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan ke dalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Kecepatan angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Tabel Tingkat Kecepatan Angin. Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas permukaan tanah diakses Mei 2016) (Sumber : hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. Kelas

Kecepatan

Angin

Angin (m/s)

1

0,00 – 0,02

2

0,3 – 1,5

Angin bertiup, asap lurus keatas

3

1,6 – 3,3

Asap bergerak mengikuti arah angin

4

3,4 – 5,4

Wajah terasa ada angin, daun bergoyang, petunjuk arah angin bergerak

5

5,5 – 7,9

Debu jalanan dan kertas berterbangan, ranting pohon bergoyang

6

8,0 – 10,7

Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar

7

10,8 – 13,8

Ranting pohon besar bergoyang, air kolam bergoyang kecil

8

13,9 – 17,1

Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga

9

17,2 – 20,7

Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin

10

20,8 – 24,4

Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh

11

24,5 – 28,4

Dapat merubuhkan pohon dan menimbulkan kerusakan

12

28,5 – 32,5

Dapat menimbulkan kerusakan parah

13

32,6 – 42,3

Angin Topan

Kondisi Alam di Daratan -------------------------------------------------------

4


2.1.1. Jenis-jenis angin a. Angin Laut Angin laut adalah angin yang berhembus dari laut ke darat pada siang hari. Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada laut sehingga suhu di darat tinggi mengakibatkan tekanan udara rendah (minimum). Sebaliknya, di laut suhunya rendah mengakibatkan tekanan udara yang tinggi (maksimum). Akibatnya, angin bertiup dari laut ke darat. Angin laut merupakan kebalikan dari angin darat (Eko Sujatmiko). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. b. Angin Darat Angin darat adalah udara yang bergerak dari daratan ke lautan. Angin darat umumnya terjadi pada malam hari, saat matahari sudah tidak memancarkan panasnya. Daratan yang lebih cepat menyerap panas matahari akan melepaskan panas itu dengan lebih cepat pula. Maka, suhu diatas daratan segera menjadi lebih dingin bila dibandingkan dengan suhu diatas lautan. Karena suhu di atas lautan lebih panas, udara yang terdorong ke atas akibat panaspun lebih banyak terjadi diatas lautan. Karena tekanan udara diatas lautan lebih rendah, maka udara dingin dari atas daratan pun mengalir ke lautan untuk mengisi tempat yang kosong tersebut sehingga terjadilah angin darat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.


Gambar 2.1. Angin Laut (Sumber :www.Artikelsiana.com)

Gambar 2.2. Angin Darat (Sumber :www.artikelsiana.com)

c. Angin Lembah Angin lembah adalah angin yang bergerak dari lembah menuju gunung akibat dari suhu di lembah lebih rendah (tekanan tinggi) sedangkan suhu di gunung lebih panas (tekanan rendah). Ketika matahari terbit, gunung adalah daerah yang pertama kali mendapat panas dan sepanjang hari selam proses tersebut gunung mendapat energi panas lebih banyak dari pada di lembah. Sehingga suhu digunung lebih tinggi daripada di lembah. Hal ini mengakibatkan, udara panas dari gunung naik dan digantikan oleh udar dingin dari lembah, sehingga terjadi aliran udara (angin) dari lembah menuju gunung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Angin Lembah (Sumber: https://arizafahluziyusuf.wordpress.com/)


d. Angin Gunung Angin gunung dalah angin yang bergerak dari gunung menuju lembah akibat dari suhu di gunung lebih tinggi (tekanan rendah) sedangkan suhu di lembah lebih dingin (tekanan tinggi). Proses terjadinya angin gunung adalah ketika matahari sore hari (matahari mulai terbenam), gunung telah mendingin sedangkan lembah masih panas (dalam proses mengeluarkan panas). Sehingga suhu di lembah lebih pans daripada di gunung. Hal ini mengakibatkan, udara panas dari lembah naik dan digantikan oleh udara dingin dari gunung, sehingga terjadi aliran udara (angin) dari gunung menuju lembah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Angin Gunung (Sumber:https://arizafahluziyusuf.wordpress.com/) e. Angin Muson Angin muson atau biasanya disebut dengan angin musim adalah angin yang berhembus secara periodik (minimal 3 bulan) dan antara periode yang satu dengan periode yang lain polanya akan berlawan yang berganti arah secara berlawanan setiap setengah tahun.


Angin Muson terbagi atas dua macam,yaitu : 1.

Angin Muson Barat Angin Musim/Muson Barat adalah angin yang mengalir dari benua Asia

(musim dingin) ke Benua Australia (musim panas) dan mengandung curah hujan yang banyak di Indonesia bagian barat, hal ini disebabkan karena angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra. Seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Angin Muson Barat (Sumber:http://geografisku.blogspot.co.id/2015/08/pengertian-danmacam-angin.html) 2. Angin Muson Timur

Angin Musim/Muson Timur adalah angin yang mengalir dari Benua Australia ( musim dingin) ke Benua Asia (Musim panas) sedikit curah hujan ( kemarau) di Indonesia bagian timur karena angin melewati celah-celah sempit dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Ini yang menyebabkan indonesia mengalami musim kemarau. Terjadi pada bulan juni,


juli dan Agustus, dan maksimal pada bulan juli. Seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Angin Muson Timur. (Sumber:http://geografisku.blogspot.co.id/2015/08/pengertian-dan-macamangin.html)

2.2. Kincir Angin Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk dirubah menjadi kekuatan mekanik. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik disebut juga dengan turbin angin. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua jenisnya menurut porosnya yaitu kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.

2.2.1. Kincir Angin Poros Horisontal Kincir angin horisontal adalah model umum yang sering kita lihat pada turbin angin. Desainnya mirip dengan kincir angin, memiliki blade yang mirip propeller


dan berputar pada sumbu vertikal. Turbin angin horisontal memiliki shaft rotor dan generator pada puncak tower dan harus diarahkan ke arah angin bertiup. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Kincir Angin Poros Horisontal (Sumber:http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta.html) Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal: Kelebihan: 1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. 2. Setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%. 3. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara. 4. Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju rotor. 5. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.


Kekurangan: 1. Kontruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah – bilah yang berat (Gearbox dan Generator). 2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan dengan arah angin.

2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal Kincir angin poros vertikal atau Vertikal Axis Wind Turbin (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal. Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber:http://www.slideshare.net/prihase/pembangkit-listrik-tenaga-angin40416657) Berikut ini adalah kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Vertikal Kelebihan:


1. Sebuah turbin angin bisa terletak dekat tanah, sehingga lebih mudah untuk menjaga bagian yang bergerak. 2. Turbin vertikal memiliki kecepatan startup angin rendah dibandingkan turbin horizontal. 3. Turbin vertikal dapat dibangun di lokasi di mana struktur yang tinggi dilarang. Kelemahan: 1. Memiliki rotor terletak dekat dengan tanah di mana kecepatan angin lebih rendah dan tidak mengambil keuntungan dari kecepatan angin tinggi di atas.

2.3. Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr Menurut Albert Betz Ilmuan Jerman bahwa koefisien daya maksimal dari kincir angin adalah sebesar 59%. Albert Betz menamai batas maksimal tersebut dengan Betz limit. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) Dengan Tip Speed Ratio (tsr) Dari Beberapa Jenis Kincir Angin. (Sumber:artikel.dikti.go.id


2.4. Rumus Perhitungan Berikut ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.

2.4.1. Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda yang bergerak. Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan menjadi : Eк= 1/2 m v 2

(1)

dimana : Eк : energi kinetik (joule) m

: massa udara ( kg )

v

: kecepatan angin (m/s)

2.4.2. Daya angin Daya angin (Pin) adalah daya yang disediakan oleh angin, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : Pin = 1/2 𝝆 A v³ dimana : Pin

: daya yang disediakan oleh angin (watt).

𝝆

: massa jenis udara (kg/m³).

A

: luas penampang sudu (m²).

(2)


v

: kecepatan angin (m/s).

2.4.3. Tip Speed Ratio (tsr) Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin. Sehingga tsr-nya dapat dirumuskan sebagai berikut: 𝑡𝑠𝑟 =

2𝜋𝑟𝑛 60 𝑣

(3)

dimana : trs

: tip speed ratio.

r

: jari – jari kincir (m).

n

: putaran poros kincir tiap menit (rpm).

v

: kecepatan angin (m/s).

2.4.4. Torsi Torsi adalah hasil kali dari gaya pemebebanan (F) dengan panjang lengan torsi (l). Perhitungan torsi dapat dirumuskan sebagai berikut : T=Fl dimana : T

: Torsi (N.m)

F

: gaya pembebanan (N).

l

: panjang lengan torsi ke poros (m).

(4)


2.4.5. Daya Kincir Mekanis Daya kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan : Pout = T ω

(5)

dimana : Pout : Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt). T

: Torsi (N.m).

ω

: kecepatan sudut (rad/s)

ω =𝑛 ω =𝑛

𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 2𝜋 60

rad/s

nπ

ω = 30 rad/s

2.4.6. Daya Listrik Daya listrik adalah besarnya energi yang mengalir atau diserap alat tiap detik, dirumuskan sebagai berikut: Po = V x I dimana :

(6)


Po

: Daya Listrik (Watt)

V

: Tegangan Listrik (V).

I

: Arus Listrik (A).

2.4.7. Koefisien Daya (Cp) Koefisien Daya (Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin). Sehingga Cp dapat dirumuskan : 𝐶𝑝 =

Pout Pin

100%

(7)

dimana : Cp

: Koefisien Daya (%)

Pout : daya yang dihasilkan kincir (watt). Pin

: daya yang disediakan oleh angin (watt).

2.5. Komposit Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit). Bahan komposit pada umumnya terdiri dari dua unsur, yaitu reinforcement sebagai pengisi dan bahan pengikat serat yang disebut matrik. Kelebihan komposit:


1. Massa jenis rendah (ringan). 2. Lebih kuat dan lebih ringan. 3. Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan. 4. Lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas. 5. Koefisien pemuaian yang rendah. 6. Tahan terhadap cuaca. 7. Tahan terhadap korosi. 8. Mudah diproses (dibentuk). Kekurangan: 1. Tidak tahan terhan beban kejut (shock) dan crash (tabrak) dibandingkan dengan metal. 2. Kurang elastis. 3. Lebih sulit dibentuk secara plastis.

2.5.1. Jenis – Jenis Komposit Komposit dibentuk dari dua jenis material yang berbeda, yaitu penguat (reinforcement), yang mempunyai sifat kurang ulet tetapi lebih kaku serta lebih kuat. Matriks, umumnya lebih ulet tetapi mempunyai kekuatan dan kaku yang lebih rendah. Pada umumnya konsep material komposit yang dibuat dapat dibagi menjadi 3 kelompok utama :


Gambar 2.10. Jenis – Jenis Komposit (Sumber: http://pengertian-pengertian info.blogspot.co.id/2016/02/pengertiandan-tujuan-material-komposit.html) 1.

Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC) Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut,

Polimer Berpenguat Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) – bahan ini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai penguatnya. 2.

Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC) Ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan

suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida. 3.

Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC) Digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini

menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitride.


2.5.2. Penyusun Komposit Bahan matrik pada umumnya dapat berupa logam, polimer, keramik, karbon. Bahan penguat yang umum digunakan selam ini adalah serat karbon, serat gelas, keramik dan serat alam.

2.5.2.1. Reinforcement ( penguat). Fungsi penguat adalah sebagai penanggung beban utama pada komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang di gunakan. Secara umum penguat pada komposit dibagi menjadi 3 seperti yang ditunjukan Gambar 2.12.

Gambar 2.12.Klasifikasi Bahan Komposit Berdasarkan Penguatnya (Sumber: Ramatawa.wordpress.com) 1. Partikel sebagai penguat (Particulate composites) Merupakan komposit yang mengandung bahan penguat berbentuk partikel atau serbuk. Partikel sebagi bahan penguat sangat menentukan sifat mekanik dari komposit yang meneruskan beban yang didistribusikan oleh matrik. Ukuran,


bentuk, material partikel adalah faktor yang mempengaruhi sifat mekanik dari komposit partikel. (Andri Sulian,2008).

Gambar 2.12. Contoh Particle Reinforced Composites. (Sumber :MMF42007 Komposit (PIL),Dr. Ir. Anne Zulfia MSc) 2. Fiber sebagai penguat (Fiber composites) Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.

Gambar 2.13. Contoh Fiber Reinforced Composites (Sumber : MMF42007 Komposit (PIL),Dr. Ir. Anne Zulfia MSc)


Fiber yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut : 1. Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya. 2. Harus mempunyai tensile strength yang tinggi. Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan-potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Material ini sangat penting dalam ilmu Biologi baik hewan maupun tumbuhan sebagi pengikat dalam tubuh. Serat digolongkan menjadi dua yaitu serat alami dan serat buatan (serat sintetis) 1. Serat Alami a) Serat tumbuhan/serat pangan; biasanya tersusun atas selulosa, hemiselulosa, dan kadang-kadang mengandung pula lignin. Contoh dari serat jenis ini yaitu katun dan kain ramie. b) Serat kayu, serat yang berasal dari batang tumbuhan berkayu. c) Serat hewan, umumnya tersusun atas protein tertentu. Contoh dari serat hewan yang dimanfaatkan oleh manusia adalah serat ulat (sutra) dan bulu domba (wol). d) Serat mineral, umumnya dibuat dari asbestos. Saat ini asbestos adalah satusatunya mineral yang secara alami terdapat dalam bentuk serat panjang. 2. Serat sintetis atau serat buatan manusia Umumnya berasal dari bahan petrokimia. Berikut ini jenis – jenis serat sintetis atau buatan :


1)

Serat mineral

a) Kaca serat/Fiberglass, dibuat dari kuarsa. b) Serat logam dapat dibuat dari logam yang ulet seperti tembaga, emas, atau perak. c) Serat karbon 2)

Serat polimer

a) polyamida nilon, b) PET atau PBT poliester, digunakan untuk membuat botol plastik. c) fenol-formaldehid (PF) d) serat polivinyl alkohol (PVOH) e) serat polivinyl khlorida (PVC) f) poliolefin (PP dan PE) g) polyethylene (PE) h). Elastomer, digunakan untuk membuat spandex i). Poliuretan

2.6.2.1.1. Fiberglass (Serat Kaca) Serat Kaca atau fiberglass adalah suatu bahan sintetis yang terdiri dari Lime, Alumina, dan Borosilicate. Sering diterjemahkan menjadi kaca cair yang ditarik menjadi serat tipis dengan garis tengah sekitar 0,005 mm - 0,01 mm. Bahan cair serat gelas ditekan melalui suatu lobang kecil dari suatu dapur listrik dan ditarik menjadi sehelai serat. Serat ini dapat dipintal menjadi benang atau ditenun


menjadi kain, yang kemudian diresapi dengan resin/matriks sehingga menjadi bahan yang kuat dan tahan korosi untuk diaplikasikan. Untuk membuat serat gelas ini mudah melekat jika diberi resin/matriks, maka dilakukan pelapisan awal serat ini dengan resin atau matriks. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.14, 2.15 dan tabel kelebihan dan kekurangan fiber ditunjukkan oleh Gambar 2.16.

Gambar 2.14. Jenis -Jenis Fiber (Sumber:http://imamengineering.blogspot.co.id/2015/03/makalah-mekanikabahan-komposit.html)

Gambar 2.15. Serat Kaca


Tabel 2.16. Kelebihan Dan Kekurangan Jenis Material Fiber (Sumber : Logamcor.wordpress.com)

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yang ditunjukan Gambar 2.17.

Gambar 2.17. Tipe Komposit Serat. (Sumber : Makalah-Alharomain.blogspot.com) 3. Komposit structural sebagai penguat Komposit ini dibentuk oleh reinforce- reinforce yang memiliki bentuk lembaran-lembaran. Berdasarkan struktur, komposit dapat dibagi menjadi dua yaitu struktur laminate dan struktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur komposit tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.18.


Gambar 2.18. Struktur Laminate Dan Sandwich (Sumber : MMF42007 Komposit (PIL),Dr. Ir. Anne Zulfia MSc)

2.5.2.2. Matriks Matrik dalam komposit berfungsi sebagai bahan mengikat serat menjadi sebuah unit struktur, melindungi dari perusakan eksternal, meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara serat dan matrik, sehingga matrik dan serat saling berhubungan. Pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antara serat dan matrik. Selain itu matrik juga harus mempunyai kecocokan secara kimia agar reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada permukaan kontak antara keduanya. Untuk memilih matrik harus diperhatikan sifat-sifatnya antara lain seperti tahan terhadap panas, tahan cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi pertimbangan dalam pemilihan material matrik. Bahan Polimer yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada dua macam yaitu thermoplastik dan termoset. Thermoplastik dan termoset ada banyak macam jenisnya yaitu :


1. Thermoplastik a. Polyamide (PI) b. Polysulfone (PS), c. Poluetheretherketone (PEEK) d. Polyhenylene Sulfide (PPS) e. Polypropylene (PP) f. Polyethylene (PE) 2. Thermosetting a. Epoksi b. Polyester c. Phenolic d. Plenol e. Resin Amino f. Resin Furan

2.5.2.2.1. Jenis Matrik 1. Resin epoxy Resin epoksi mempunyai kegunaan luas dalam industri teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat pelapis, pencetakan coran benda-benda cetakan.


a. 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. Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. b. Sifat-sifat bahan 1. Resin bisfenol A Kelekatannya terhadap bahan lain banyak sekali. Bahan ini banyak digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat gelas. 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 pengoksida yang kuat, dan asam alifatik rendah, alkali dan garam. Karena tak diserang oleh hampir semua pelarut, bahan ini baik digunakan sebagai yang non-korosif. 2. 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.


c. Pencetakan bahan 1). Pengecoran Digunakan untuk produksi perkakas dan pembuatan komponen listrik. 2). Pencetakan lapisan Digunakan untuk produksi pelapis resin epoksi-serat gelas. Ada metode 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). d. Penggunaan bahan 1). Perekat 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 industri penerbangan, konstruksi dan listrik. 2). Cat Bahan cat dapat dipakai terhadap berbagai bahan, dan secara luas digunakan karena pelapisannya kuat, unggul dalam ketahanan air dan ketahanan kimia.


e. Pencetakan coran Kebanyakan digunakan dalam industri listrik. f. Katalis atau harderner Katalis digunakan untuk membantu proses pengeringan (curring) pada bahan matriks suatu komposit. Penggunaan katalis yang berlebihan akan semakin mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akan menyebabkan bahan komposit yang dihasilkan semakin getas.

2.5.2. Faktor Yang Mempengaruhi Performa Komposit a. Faktor Serat Serat adalah bahan pengisi matrik yang digunakan untuk dapat memperbiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya, juga diharapkan mampu menjadi bahan penguat matrik pada komposit untuk menahan gaya yang terjadi. b. Letak Serat Dalam pembuatan komposit tata letak dan arah serat dalam matrik yang akan menentukan kekuatan mekanik komposit, dimana letak dan arah dapat mempengaruhi kinerja komposit tersebut. Menurut tata letak dan arah serat diklasifikasikan menjadi 3 bagian yang ditunjukan gambar 2.19.

Gambar 2.19.Tata letak dan arah serat pada komposit (Sumber : Fitransyah.wordpress.com)


c. Panjang Serat Panjang serat dalam pembuatan komposit serat pada matrik sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Ada 2 penggunaan serat dalam campuran komposit yaitu serat pendek dan serat panjang. Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Serat panjang (continous fiber) lebih efisien dalam peletakannya dari pada serat pendek. Akan tetapi, serat pendek lebih mudah peletakannya dibanding serat panjang. Panjang serat mempengaruhi kemampuan proses dari komposit serat. Pada umumnya, serat panjang lebih mudah penanganannya jika dibandingkan dengan serat pendek. Serat panjang pada keadaan normal dibentuk dengan proses filamentwinding, dimana pelapisan serat dengan matrik akan menghasilkan distribusi yang bagus dan orientasi yang menguntungkan. Sedangkan komposit serat pendek, dengan orientasi yang benar, akan menghasilkan kekuatan yang lebih besar jika dibandingkan continous fiber. d. Bentuk Serat Bentuk Serat yang digunakan untuk pembuatan komposit tidak begitu mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Pada umumnya, semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi. (Schwartz, 1984).


e. Faktor Matrik Menurut schwartz (1987) matriks adalah bahan yang memberikan rupa bentuk dan memegang bahan pengukuh dalam komposit secara umum, matriks jenis polimer terbagi menjadi jenis termoplastik dan termoset. Menurut schwartz ( 1997) peranan matriks adalah memegang agen pengukuh, memindahkan tegasan yang dikenakan kepada pengisi dan sebagai bahan yang akan memberikan rupa bentuk akhir komposit. Matriks juga berperan memberikan rintangan terhadap serangan alam sekitar dan melindungi permukaan gentian dari pada lelasan atau abrasi secara mekanikal.

Gambar 2.20. Kekuatan Stress- Strain (Sumber:tekim.undip.ac.id/staf/ratnawati/files/2011/.../COMPOSITE-21.pptx) Gambar 2.20 memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem matriks ideal. Kurva untuk matriks menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa matriks pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.


Gambar 2.21. Kurva Tegangan Dan Regangan Sistem Matriks Ideal (Sumber:http://material-teknik.blogspot.co.id/2010/02/defenisi-komposit.html) Gambar 2.21. Memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat kaca-E, serat kaca-S, serat aramid, dan serat karbon berkekuatan tinggi (yaitu bukan dalam bentuk komposit).

Gambar 2.22. Kurva Tegangan Dan Regangan Terhadap Kegagalan Serat (Sumber://material-teknik.blogspot.co.id/2010/02/defenisi-komposit.html)


BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Diagram Penelitian Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perencanaan kincir hingga analisis data. Langkah kerja dalam penelitian ini dalam bentuk gambar diagram alir seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1.

Mulai

Perancangan kincir angin tipe horisontal empat sudu

Pembuatan kincir angin bahan komposit dengan diameter 1m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros. . Pengambilan data, untuk mengetahui kecepatan putaran kincir, kecepatan angin, gaya pengimbang data pembebanan dengan lampu pada kincir angin

Pengolahan data untuk membandingan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio, Rpm dan Torsi, Rpm dan daya (Pout) pada masing – masing variasi kecepatan angin.

Analisa serta pembahasan data dan pembuatan laporan

Selesai Gambar 3.1. Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin

33


34

Ada tiga jenis perlakuan metode untuk melakukan penelitian ini, yaitu : 1. Penelitian Kepustakaan (Library Research) Penelitian kepustakaan dilakukan dengan membaca literatur – literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya. 2. Pembuatan Alat Pembuatan alat uji kincir angin tipe propeler dilakukan di Laboratorium Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk memutar fan blower yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir. 3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi) Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeler pada wind tunnel.

3.2. Alat dan Bahan Model kincir angin tipe propeller dengan bahan komposit. Kincir ini dibuat dengan diameter 1 meter, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak antar poros 12,5 cm dari pusat poros. 1. Sudu kincir angin Ukuran panjang sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu atau turbin berputar. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu kincir angin yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.2.


35

Gambar 3.2. Sudu 2. Dudukan sudu Dudukan sudu yang merupakan bagian komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Dudukan sudu ini memiliki dua belas buah lubang untuk pemasangan sudu, untuk mengatur sudu kemiringan cukup memutar kemiringan plat dudukan sudu. Posisi plat dudukan dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan dudukan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Dudukan Sudu 4. Fan blower Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan blower dengan power sebesar 15 Hp. Gambar 3.4 akan menunjukan bentuk dari fan blower.


36

Gambar 3.4. Fan Blower 5. Anemometer Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, dan juga digunakan untuk mengukur suhu angin di sekitar lingkungan. Gambar 3.5 menunjukan bentuk dari anemometer.

Gambar 3.5. Anemometer 6. Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (rotation perminute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu: sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.6 menunjukan bentuk tachometer.


37

Gambar 3.6.Tachometer 7. Timbangan Digital Timbangan Digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat kincir angin berputar. Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari timbangan digital yang digunakan dalam penelitian.Timbangan digital ini diletakan pada bagian lengan generator.

Gambar 3.7.Timbangan Digital 8. Voltmeter Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan yang dihasilkan kincir angin oleh setiap variasinya. Seperti ditunjukan oleh Gambar 3.8.


38

Gambar 3.8.Voltmeter 9. Amperemeter Ampermeter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh kincir angin dengan setiap variasinya. Ampermeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.9.

Gambar 3.9. Ampermeter 10. Pembebanan Pembebanan yang dilakukan dengan menggunakan lampu bermaksud untuk mengetahui performa kincir angin. Variasi voltase lampu yang diberikan bermaksud supaya data yang dihasilkan lebih bervariasi.Gambar pembebanan lampu seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.10.


39

Gambar 3.10. Skema Pembebanan Lampu

3.3. Desain Kincir Desain kincir angin yang dibuat seperti yang ditunjukan pada gambar 3.11 tersebut menunjukan bahwa kincir angin yang dibuat panjang diameter 1 m dengan lebar maksimum sudu 13 cm dengan jarak 12,5 cm dari pusat poros.

Gambar 3.11. Desain Kincir

3.4. Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin 3.4.1 Alat dan Bahan Pembuatan sebuah sudu / blade merupakan proses yang dilakukan secara bertahap serta membutuhkan alat dan bahan, seperti yang ditunjukkan oleh tabel 3.1.


40

Tabel 3.1. Alat dan Bahan Pembuatan Sudu

3.4.2. Proses Pembuatan Sudu / Blade Dalam proses pembuatan sudu / blade dilakukan dengan beberapa tahapan. Tahapan – tahapan pembuatan sudu seperti berikut: a. Pembuatan Cetakan Pipa: 1.

Memotong pipa 8 inchi dengan panjang 50 cm. Pipa 8 inchi berfungsi sebagai mal / cetakan dari proses pembuatan sudu

blade kincir angin yang mana bahan yang digunakan adalah komposit. Proses memotong menggunakan gerinda dengan panjang pipa yang diinginkan adalah 50 cm. Setelah pipa dipotong, kemudian pipa di belah dua bertujuan pada saat pembentukan pipa dengan mal kertas agar lebih mudah dilakukan. Pipa yang digunakan adalah Pipa Wavin D 8 inchi. Pemotongan pipa seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.12.


41

Gambar 3.12. Pemotongan Pipa 2. Membentuk Mal / cetakan kertas. Mal atau cetakan kertas mempermudah pembentukan pipa menjadi sebuah sudu / balde. Mal ditempelkan pada pipa kemudian pipa ditandai sesuai dengan mal menggunakan spidol. Mal / cetakan kertas seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.13.

Gambar 3.13. Mal / Cetakan Kertas 3. Membentuk pipa dengan mal kertas. Pipa yang telah ditandai oleh mal ketas, kemudian dipotong menggunakan gerinda. Proses pembentukan ini dilakukan secara bertahap, pemotongan di mulai dari garis mal yang mudah dipotong. Proses pembentukan pipa seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.14.


42

Gambar 3.14. Pembentukan Sudu Pada Pipa 4. Menghaluskan pipa. Setelah pipa yang telah dibentuk sesuai dengan bentuk dari mal kertas, kemudian pinggiran pipa dihaluskan. Hal ini bertujuan untuk mencapai sebuah presisi ukuran dan estetika dari pipa. b. Pembuatan sudu / blade: 1). Pelapisan cetakan pipa Setelah cetakan dari pipa telah siap, kemudian dilanjutkan pada tahap dua yaitu pembuatan sudu/blade. Sebelum perpaduan dari resin dan harderner dioleskan dipermukaancetakan. Mal pipa dilapisi dengan alumunium foil. Hal ini bertujuan agar cetakan dengan sudu yang telah jadi tidak menempel, pelapisan cetakan seperti yang terlihat pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15. Pelapisan Mal Dengan Alumunium Foil


43

2). Pencampuran Resin dan Harderner. Pencampuran resin dan harderner dilkakukan dengan perbandingan 5:1. Resin berfungsi untuk mengeraskan campuran dan harderner adalah bahan yang dikeraskan. Pencampuran kedua bahan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.16.

3.16. Resin Dan Harderner 3). Pembuatan Sudu / Blade. Dalam membuat sebuah sudu dengan bahan komposit yang terdiri dari resin, harderner dan serat glass. Proses pembuatan sudu / blade dilakukan secara berulang dan cepat. Karena saya mengharapkan sebuah sudu yang jadi nanti nya terdiri dari empat lapis serat glass. Di antara lapisan kedua dan ketiga serat glass diberikan sebuah plat alumunium pada pangkal sudu yang berukuran 2 cm x 10 cm. Pemberian sebuah plat pada lapisan serat glass bertujuan untuk menambah ketahanan pangkal sudu terhadap gaya tekan yang diberikan oleh baut. Langkah – langkah pembuatan sudu sebagai berikut: a.

Mengoleskan campuran resin dan harderner pada permukaan pipa yang telah dilapisi alumunium foil menggunakan kuas. Mengoleskan campuran resin dan harderner seperti yang ditujukkan oleh Gambar 3.17.

b.

Menempelkan lapisan pertama serat glass pada cetakan yang telah


44

dioleskan campuran resin dan harderner. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.18. c.

Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat glass pertama.

d.

Menempelkan lapisan kedua serat glass kedua.

e.

Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat gelas kedua.

f.

Menempelkan plat alumuium diantara lapisan kedua dan ketiga Serat glass, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.19.

g.

Menempelkan lapisan ketiga serat glass.

h.

Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan ketiga serat glass.

i.

Menempelkan lapisan keempat serat glass.

j.

Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan keempat serat glass.

4). Pengeringan sudu / Blade Setelah proses pembuatan sudu selesai dilakukan, kemudian sudu dikeringkan dengan cara dijemur dibawah matahari. Proses pengeringan yang dilakukan dibawah matahari memerlukan waktu 2 -3 hari.

Gambar 3.17. Pengolesan Cetakan Sudu Yang Dilapisi Alumunium Foil


45

Gambar 3.18. Peletakan Serat Kaca Pada Cetakaan Sudu

Gambar 3.19. Peletakan Plat Pada Ujung Sudu Untuk Lubang Sudu 5). Finishing sudu / blade. Proses finishing sudu / blade meliputi: pemotongan, penghalusan, pengurangan berat sudu, pendempulan dan pewarnaan sudu. Pengurangan berat sudu yang dimaksud adalah menyamakan berat sudu menjadi 214 gram menggunakan timbangan duduk digital.

Gambar 3.20. Finishing Sudu 6). Pembuatan lubang baut. Pembuatan lubang baut pada sudu dilakukan menggunakan bor dengan diameter lubang baut 10.


46

3.5. Langkah Penelitian Langkah yang dilakukan sebelum pengambilan data penelitian adalah pemasangan kincir angin didepan fan blower, pemasangan komponen poros penghubung kincir angin dengan sistem pembebanan lampu yang berada dibagian belakang kincir angin. Proses pengambilan data kecepatan angin, putaran poros (rpm), tegangan, arus listrik dan pembebanan kincir angin. Ada beberapa hal yang perlu dilakukan yaitu: 1) Poros kincir di hubungkan dengan mekanisme pembebanan lampu. 2) Memasang blade / sudu pada dudukan sudu. 3) Memasang anemometer pada tiang di depan kincir angin untuk mengukur kecepatan angin. 4) Memasang timbangan digital pada lengan generator. 5) Memasang generator pada poros kincir angin. 6) Merangkai pembebanan lampu pada generator. 7) Jika sudah siap, fanblower dihidupkan untuk memutar kincir angin. 8) Percobaan pertama kincir angin empat sudu dengan kecepatan angin 10,3 m/s, percobaan kedua kincir angin empat sudu dengan kecepatan 8,3 m/s, percobaan ketiga kincir angin empat sudu dengan kecepatan angin 6,4 m/s. 9) Untuk mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara memundurkan jarak gawang kincir angin terhadap fan blower agar dapat menentukan variasi kecepatan angin.


47

10) Bila kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang diinginkan, maka pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa pengimbang yang terukur pada timbangan digital. 11) Mengukur kecepatan angin dengan menggunakan anemometer dan kecepatan kincir angin dengan mengunakan tachometer.


BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Hasil Pengujian Tabel 4.1. Data Empat Sudu dengan Variasi Kecepatan Angin10,3 m/s.

NO

Hambatan Watt

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 40 80 120 180 240 300 360 420 480

Kec. Angin v (m/s) 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3 10,3

Gaya Pengimbang F (gram) 110 140 160 170 210 230 250 290 310 320

Putaran kincir n (rpm) 930 916 906 902 882 856 813 784 753 713

Tabel 4.2. Data Empat Sudu dengan Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s.

48


49

Tabel 4.3. Data Empat Sudu dengan Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s.

NO

Hambatan Watt

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 40 80 120 180 240 300 360 420 480 540

Kec. Angin v (m/s) 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4

Gaya Pengimbang F (gram) 120 130 140 170 200 230 250 280 300 310 320

Putaran kincir n (rpm) 732 683 673 652 630 603 571 543 513 484 456

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan Dalam pengolahan data yang digunakan beberapa asumsi untuk mempermudah pengolahan dan perhitungan data sebagai berikut : a. Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/s2 b. Massa jenis udara = 1,18 kg/m3

4.2.1. Perhitungan Daya Angin Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh diperoleh kecepatan angin 10,3 m/s, massa jenis udara (ρ) = 1,18 kg/m3dan luas penampang (A) = 0,785 m2. Maka dapat dihitung daya angin sebesar: Pin = ½ ρ A v3 Pin = ½𝑥 1,18𝑥0,785𝑥10,33 Pin = 506 watt.


50

Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 506 watt.

4.2.2. Perhitungan Torsi Sebagai contoh perhitungan diambil dari pengujian yang dilakukan besar torsi dapat kita hitung. Diambil dari table 4.1 pada pengujian ketujuh. Dari data diperoleh besaran gaya (F) = 2,45 N dan jarak lengan torsi keporos sebesar 0,27 m, maka torsi dapat dihitung: T = F 𝑥l T= 2,45𝑥 0,27 T= 0,66 N.m Jadi torsi yang dihasilkan sebesar 0,66 N.m.

4.2.3. Perhitungan Daya Kincir Mekanis Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh diperoleh putaran poros (n) sebesar 813 rpm, dan torsi yang telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar = 0,66 N.m, maka besarnya daya kincir dapat dihitung : Pout = T 𝑥 ω Pout = 0,66 𝑥

𝜋 .𝑛

Pout = 0,66 𝑥

𝜋 .813

30

30

Pout = 56,38 watt Jadi daya kincir yang diperoleh sebesar 56,38 watt.


51

4.2.4. Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh diperoleh putaran poros kincir angin sebesar 813 rpm, jari–jari kincir angin sebesar (r) = 0,5 m, dan kecepatan angin sebesar 10,3 m/s, maka tip speed ratio dapat dihitung : tsr = tsr =

2𝜋𝑟𝑛 60 𝑣 2 𝑥 3,14 𝑥 0,5 𝑥 813 60 𝑥 10,3

tsr = 4,13 Jadi tip speed ratio yang diperoleh sebesar 4,13.

4.2.5. Perhitungan Daya Listik Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh tegangan (V) sebesar 45,80 volt, dan arus (I) sebesar 0,58 ampere, maka besarnya daya listrik dapat dihitung : Po = V x I Po = 45,80 x 0,58 Po = 26,6 watt Jadi daya listrik yang dihasilkan sebesar 26,6 watt.

4.2.5. Perhitungan Koefisien Daya (Cp) Sebagai contoh perhitungan diambil dari perhitugan diatas yakni, daya angin pada sub bab 4.2.1 sebesar 492 watt dan daya yang dihasilkankan kincir angin pada


52

sub bab 4.2.3 sebesar 56,38 watt, maka koefisien daya dapat dihitung: Cp = Cp =

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

56,38 506

𝑥 100 %

Cp= 11,13 % Jadi koefisien daya yang diperoleh sebesar 11,13 %.

4.3. Data Hasil Perhitungan Parameter yang telah didapat dari penelitian diolah dengan software Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara rpm dengan torsi, grafik hubungan antara tip speed ratio (tsr) dengan koefesien daya (Cp), dan grafik hubungan antara rpm dengan daya (Pout) yang dihasilkan untuk tiga variasi kecepatan angin dengan jumlah empat sudu.


53

Tabel 4.4. Data Perhitungan Kincir Angin Kecepatan Angin 10,3 m/s Gaya Putaran Gaya Beban Pengimbang kincir pengimbang Torsi F (gram) n (rpm) N N.m 110 930 1,08 0,29 140 916 1,37 0,37 160 906 1,57 0,42 170 902 1,67 0,45 210 882 2,06 0,56 230 856 2,26 0,61 250 813 2,45 0,66 290 784 2,84 0,77 310 753 3,04 0,82 320 713 3,14 0,85

Kecepatan Daya angin / sudut / ω Pin rad/s Watt 97,39 506 95,92 506 94,88 506 94,46 506 92,36 506 89,64 506 85,14 506 82,10 506 78,85 506 74,67 506

Pout mekanis

Tip speed ratio

Watt 28,38 35,57 40,21 42,53 51,37 54,61 56,38 63,06 64,75 63,29

TSR 4,73 4,66 4,61 4,59 4,48 4,35 4,13 3,99 3,83 3,62

Koefisien P out Koefisien Tegangan Arus daya elektris Listrik Cp % Volt Ampere Watt Cp % 5,60 63,30 0,00 0,0 0,00 7,02 62,30 0,08 5,0 0,98 7,94 61,00 0,17 10,4 2,05 8,40 60,20 0,26 15,7 3,09 10,15 58,00 0,38 22,0 4,35 10,78 55,70 0,50 27,9 5,50 11,13 54,10 0,62 33,5 6,62 12,45 52,90 0,73 38,6 7,63 12,79 50,70 0,84 42,6 8,41 12,50 49,20 0,95 46,7 9,23

Tabel 4.5. Data Perhitungan Kincir Angin Kecepatan Angin 8,3 m/s Putaran Gaya kincir pengimbang n (rpm) N 787 0,98 761 1,18 755 1,37 738 1,57 726 1,86 716 2,26 705 2,55 684 2,75 654 2,94 625 3,04

Beban Torsi N.m 0,26 0,32 0,37 0,42 0,50 0,61 0,69 0,74 0,79 0,82

Kecepatan sudut / ω rad/s 82,41 79,69 79,06 77,28 76,03 74,98 73,83 71,63 68,49 65,45

Daya angin / Pin Watt 265 265 265 265 265 265 265 265 265 265

P out mekanis Tip speed ratio Watt 21,83 25,33 29,32 32,75 38,26 45,68 50,84 53,12 54,42 53,74

TSR 4,96 4,80 4,76 4,66 4,58 4,52 4,45 4,31 4,13 3,94

Koefisien daya Cp 8,24 9,56 11,07 12,36 14,44 17,24 19,19 20,05 20,54 20,28

Tegangan Volt 54,10 52,30 50,50 49,20 48,20 47,00 45,80 44,60 42,50 40,90

P out elektris Ampere Watt 0,00 0,0 0,07 3,7 0,16 8,1 0,24 11,8 0,36 17,4 0,47 22,1 0,58 26,6 0,68 30,3 0,78 33,2 0,88 36,0 Arus

Koefisien Listrik Cp % 0,00 1,38 3,05 4,46 6,55 8,34 10,03 11,45 12,51 13,58

Tabel 4.6. Data Perhitungan Kincir Angin Kecepatan Angin 6,4 m/s Gaya Putaran Gaya Pengimbang kincir pengimbang F (gram) n (rpm) N 120 732 1,18 130 683 1,28 140 673 1,37 170 652 1,67 200 630 1,96 230 603 2,26 250 571 2,45 280 543 2,75 300 513 2,94 310 484 3,04 320 456 3,14

Beban Torsi N.m 0,32 0,34 0,37 0,45 0,53 0,61 0,66 0,74 0,79 0,82 0,85

Kecepatan sudut / ω rad/s 76,65 71,52 70,48 68,28 65,97 63,15 59,79 56,86 53,72 50,68 47,75

Daya angin / Pin watt 121 121 121 121 121 121 121 121 121 121 121

Pout mekanis

Tip speed ratio

Pout (watt) 24,36 24,63 26,13 30,74 34,95 38,47 39,59 42,17 42,69 41,62 40,47

TSR 5,99 5,59 5,51 5,33 5,15 4,93 4,67 4,44 4,20 3,96 3,73

Koefisien daya Cp 20,06 20,27 21,51 25,31 28,77 31,67 32,60 34,72 35,14 34,26 33,32

Tegangan Volt 48,20 45,20 44,00 42,10 40,20 38,80 36,90 34,00 32,40 30,20 28,40

Pout Koefisien elektris Listrik Ampere Watt Cp % 0,00 0,0 0,00 0,07 3,2 2,60 0,15 6,6 5,43 0,26 10,9 9,01 0,36 14,5 11,91 0,46 17,8 14,69 0,51 18,8 15,49 0,66 22,4 18,47 0,74 24,0 19,74 0,83 25,1 20,63 0,91 25,8 21,28 Arus


54

4.4. Grafik Hasil Perhitungan Pengolahan data yang dilakuakan pada Sub Bab 4.1, 4.2 dan 4.3 mendapatkan hasil grafik. Grafik – grafik hubungan tersebut antara lain grafik perbandingan antara rpm dan daya, grafik hubungan antara rpm dan torsi, dan grafik hubungan antara tip speed ratio dengan koefisien daya. Penjelasan untuk grafik diatas, lebih lengkapnya dapat dilihat pada grafik – grafik berikut ini:

4.4.1. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Kincir Mekanis pada Tiga Variasi Kecepatan Angin. Data dari Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara rpm dan daya kincir (Pout Mekanis). Pada gambar 4.1 menunjukan bahwa nilai daya kincir (Pout Mekanis) puncak yang dihasilkan dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s adalah 64,75 watt pada putaran sebesar 753 rpm. Sedangkan nilai daya kincir mekanis (Pout Mekanis) puncak yang dihasilkan dengan variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah 54,42 watt pada putaran sebesar 654 rpm. Dan nilai daya kincir kincir (Pout Mekanis)

dengan variasi kecepatan angin 6,4 m/s adalah 42,69 watt pada putaran

sebesar 513 rpm. Dari gambar 4.1 dapat ditarik kesimpulan bahwa kincir angin dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s memiliki nilai daya kincir (Pout Mekanis) dan rpm tertinggi diantara variasi kecepatan angin lainnya.


55

Gambar 4.1. Grafik Hubungan Rpm dan Daya Mekanis Untuk TigaVariasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

4.4.2. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris pada Tiga Variasi Kecepatan Angin. Data dari Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara rpm dan daya listrik (Pout

Elektris).

Pada gambar 4.1 menunjukan bahwa nilai daya

listrik (Pout Elektris) puncak yang dihasilkan dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s adalah 46,7 watt pada putaran sebesar 713 rpm. Sedangkan nilai daya listrik (Pout Elektris)

puncak yang dihasilkan dengan variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah 36

watt pada putaran sebesar 625 rpm. Dan nilai daya kincir ( Pout Elektris) puncak yang dihasilkan dengan variasi kecepatan angin 6,4 m/s adalah 25,8 watt pada putaran sebesar 456 rpm.


56

Gambar 4.2. Grafik Hubungan Rpm dan Daya Elektris Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

4.4.3. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin. Data dari Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan ntara Rpm dan Torsi. Pada gambar 4.3 menunjukan bahwa nilai Torsi maksimal yang dihasilkan kincir angin dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s adalah 0,85 N.m dan terjadi pada kecepatan putaran sebesar 713 rpm. Sedangkan nilai Torsi maksimal yang dihasilkan kincir angin dengan variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah 0,82 N.m dan terjadi pada kecepatan putaran sebesar 625 rpm. Dan nilai Torsi maksimal yang dihasilkan kincir angin dengan variasi kecepatan angin 6,4 m/s adalah 0,85 N.m dan terjadi pada kecepatan putaran sebesar 456 rpm.


57

Gambar 4.3. Grafik Hubungan Rpm dan Torsi Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

4.4.4. Grafik Hubungan Antara tip speed ratio dan Koefisien Daya Mekanis Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin Data dari Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara koefisien daya (Cp Mekanis) dan tip speed ratio (tsr). Pada gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai koefisien daya maksimal mekanis (Cpmax

Mekanis)

kincir dengan variasi

kecepatan angin 10,3 m/s adalah 12,79 % dengan nilai tsr sebesar 3,83. Sedangkan nilai koefisien daya maksimal mekanis (Cpmax

Mekanis

) kincir dengan variasi

kecepatan angin 8,3 m/s adalah 20,54 % dengan nilai tsr sebesar 4,13. Dan nilai koefisien daya maksimal mekanis (Cpmax

Mekanis)

kincir dengan variasi kecepatan

angin 6,4 m/s adalah 35,14% dengan nilai tsr sebesar 4,20.


58

Gambar 4.4. Grafik Hubungan Antara Tsr dan Koefisien Daya Mekanis Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

4.4.5 Grafik Hubungan Antara tip speed ratio dan Koefisien Daya Elektris Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin Data dari Tabel 4.4, Tabel 4.5 dan Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara koefisien daya ( Cp Mekanis ) dan tsr (tip speed ratio). Pada gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai koefisien daya maksimal elektris ( Cpmax Elektris ) kincir dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s adalah 9,23 % dengan nilai tsr sebesar 3,62. Sedangkan nilai koefisien daya maksimal elektris (Cpmax Elektris) kincir dengan variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah 13,58 % dengan nilai tsr sebesar 3,94. Dan nilai koefisien daya maksimal Elektris (Cpmax Elektris) kincir dengan variasi kecepatan angin 6,4 m/s adalah 21,28 % dengan nilai tsr sebesar 3,73.


59

4.5. PEMBAHASAN DATA Pada gambar 4.1 dan gambar 4.2 yang menujukkan hubungan antara Rpm dan daya output. Bahwa pada variasi kecepatan angin 10,3 m/s merupakan variasi kecepatan angin, yang memiliki nilai daya output mekanis maupun elektris dan rpm tertinggi dibandingkan kedua variasi kecepatan angin lainnya. Daya maksimal mekanis yang di dapat sebesar 64,75 watt pada kecepatan putaran sebesar 753 rpm dan daya maksimal elektris yang di dapat sebesar 46,7 watt pada rpm yang sama. Dari gambar 4.1 dapat juga disimpulkan bahwa semakin besar rpm maka daya yang dihasilkan akan semakin besar. Pada gambar 4.3 yang menujukkan hubungan antara rpm dan torsi, dapat disimpulkan bahwa semakin besar torsi maka kecepatan putaran poros semakin rendah. Dari gambar 4.4 dan 4.5 hubungan Cp dengan tsr menunjukan prestasi terbaik pada kecepatan angin 6,4 m/s dengan Cpmax sebesar 35,14 %, Cpmax Elektrris sebesar 21,28%.

Mekanis


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan Setelah melakukan pengambilan data, pengolahan dan analisis data dapat saya simpulkan sebagai berikut : 1.

Berhasil membuat kincir angin poros horizontal tipe propeller empat sudu berbahan komposit dengan diameter 1 m, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros.

2.

Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 35,14 % pada tsr 4,20 dengan kecepatan angin 6,4 m/s.

3.

Hasil unjuk kerja kincir angin empat sudu bahan komposit adalah Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,85 N.m pada kecepatan putaran sebesar 713 rpm terjadi pada kecepatan angin 10,3 m/s. Daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin sebesar 64,75 watt pada kecepatan putaran sebesar 753 rpm pada kecepatan angin 10,3 m/s.

60


61

5.2. Saran 1. Melakuan penelitian dengan variasi tambahan ekor/sirip pada sudu kincir angin tipe horisontal . 2.

Melakukan penelitian dengan kecepatan angin yang berbeda dari yang sudah dilakuan pengujian.


62

DAFTAR PUSTAKA SURDIA,Tata “ Pengetahuan Bahan Teknik ” oleh Tata Surdia, Shinroku Saito. Cetakan Ke-6, Jakarta diterbitkan oleh Pradnya Paramita, 2005. Daryanto,Y., 2007, “Kajian Potensi angin UntukPembangkit Listrik Tenaga Bayu”, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005. Pengelolaan Energi Nasional. Kadir, A., 1995, “ Energi : Sumber Daya, Inovasi, Tenaga Listrik dan Potensial Ekonomi.”, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta. Ginting, Soeripno, J., 1993, “Pemasangan dan Uji Coba Pemanfaatan Kincir Angin Poros Horisontal.”, Lembaga Fisika Nasional LIPI,Bandung Sari,

Eka.

2012,

“Belanda

Sang

Negeri

Kincir

Angin”,

http://www.1powerbloger.com, diakses : Tanggal 22 April 2015 Johnson, G.L., 2006, “Wind Energy System”, Manhattan. Diakses : Tanggal 12 April 2015. Culp, Archie W., 1985, “Prinsip-Prinsip Konversi Energi.”, Terjemahan oleh Darwin Sitompul, Erlangga, Bandung. https://helmidadang.wordpress.com/2012/12/29/cadangan-minyak-bumi-diindonesia. Mei 2016. https://energypedia.info/wiki/Indonesia_Energy_Situation.Mei 2016. hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. diakses Mei 2016.


LAMPIRAN

70.00

Pout Mekanis (watt)

60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

200

400

600

800

1000

Rpm

Pout elektris (watt)

Lampiran 1. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Mekanis Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0

200

400

600

800

1000

Rpm Lampiran 2. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

63


70.00 60.00

Pout (watt)

50.00 40.00 mekanis

30.00

elektris

20.00 10.00 0.00 0

200

400

600

800

1000

Rpm Lampiran 3. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Kincir Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

Pout Mekanis (watt)

60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

200

400

600

800

1000

Rpm Lampiran 4. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Mekanis Pada Kecepatan Angin 8,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.


40.0

Pout Elektris (watt)

35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 0

200

400

-10.0

600

800

1000

Rpm

Lampiran 5. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris Pada Kecepatan Angin 8,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

60.00 50.00

Pout (watt)

40.00 30.00 mekanis 20.00

elektris

10.00 0.00 0 -10.00

200

400

600

800

1000

Rpm

Lampian 6. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Kincir Pada Kecepatan Angin 8,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit, dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.


45.00 40.00

Pout Mekanis (watt)

35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Rpm Lampiran 7. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Mekanis Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

30.0

Pout Elektris (watt)

25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

-5.0

Rpm Lampiran 8. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Elektris Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.


Pout (watt)

67

45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 -5.00 0

mekanis elektris

200

400

600

800

Rpm

Lampiran 9. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Daya Kincir Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

1.00 0.90 0.80

Torsi (N.m)

0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0

200

400

600

800

1000

Rpm Lampian 10. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.


Torsi (N.m)

68

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0

200

400

600

800

1000

Rpm

Torsi (N.m)

Lampiran 11. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Pada Kecepatan Angin 8,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0

200

400

600

800

Rpm Lampiran 12. Grafik Hubungan Antara Rpm dan Torsi Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.


14.00

Cp Mekanis(%)

12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Tsr Lampiran 13. Grafik Hubungan Antara Tsr dan Cp Mekanis Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Tipe Propeller, Empat Sudu, Bahan Komposit dengan Diameter 1 m, Lebar Maksimum Sudu 13 cm Pada Jarak 12,5 cm dari Pusat Poros.

Cp Mekanis (%)

25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00



40.00

Cp Mekanis(%)

35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00


UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN DIAMETER 1 M LEBAR MAKSIMUM 13 CM PADA JARAK 12,5 CM DARI PUSAT POROS

Recommend Documents