UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL
TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 1 M,
DENGAN VARIASI BERAT SUDU
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Persyaratan
Guna Memperoleh Gelar Sarjana Teknik (S.T)
DISUSUN OLEH :
BERNADUS HERLAMBANG ARYOPRABU NIM : 145214012
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SANATA DHARMA
i
PERFORMANCE OF THREE BLADE HORIZONTAL AXIS
WINDMILL , DIAMETER 1 M, WITH WEIGHT BLADE
VARIATION
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement
to obtain Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By:
BERNADUS HERLAMBANG ARYOPRABU Student Number: 145214012
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
vi
INTISARI
Kebutuhan energi di Indonesia pada era modern ini sudah menjadi kebutuhan pokok bagi kelangsungan hidup masyarakat. Salah satu energi yang sangat sering digunakan untuk kehidupan sehari – hari yaitu energi listrik . Namun sumber daya alam lama – kelamaan akan semakin menipis. Maka dari itu perlu adanya kebijakan tentang energi terbarukan. Energi terbarukan yaitu energi yang dapat diperoleh berulang – ulang dan bersifat berkelanjutan. Salah satu energi terbarukan yaitu energi yang diperoleh dari angin. Maka dari itu dibuat penelitian dengan tujuan untuk mengetahui unjuk kerja dari variasi masing – masing kecepatan angin dan variasi berat sudu seperti unjuk kerja rpm, torsi, daya kincir mekanis, daya listrik, serta mengetahui nilai tip speed ratio dan koefisien daya dari kincir angin tersebut.
Model kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeler tiga sudu berbahan komposit, berdiameter 1 m, dengan variasi berat sudu. Kemudian desain sudu yang digunakan adalah desain bilah dari potongan pipa pvc 8 inchi. Sedangkan untuk mekanisme pembebanan (dump load), pada sistem kincir angin yaitu menggunakan beban lampu pijar sebanyak 21 buah, dengan pemasangan generator DC magnet permanen pada poros kincir angin. Sedangkan untuk mendapat variasi kecepatan angin rata – rata 5 m/s dan 7 m/s maka kincir angin diletakan di depan blower 15 HP 1450 rpm. Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
Dari hasil penelitian ini, kincir angin propeler tiga sudu menghasilkan putaran poros kincir terbesar adalah 414 rpm pada variasi berat sudu 0,24 kg dengan kecepatan angin rata – rata 7 m/s, beban torsi terbesar yang dihasilkan adalah 0,81 N.m pada berat sudu 0,24 kg dengan kecepatan angin 7 m/s, daya kincir mekanis terbesar yang dihasilkan adalah 25,80 watt pada berat sudu 0,24 kg dengan kecepatan angin 7 m/s, daya listrik terbesar yang dihasilkan adalah 18,22 watt pada berat sudu 0,20 kg dengan kecepatan angin 7 m/s, koefisien daya maksimal yang dihasilkan adalah 21,85 % dengan nilai tip speed ratio sebesar 2,45 pada variasi berat sudu 0,20 kg pada kecepatan angin 5 m/s.
vii
ABSTRACT
The need of energy in Indonesia in this modern era has become a major necessity for people. One of the most used energy in daily life is electricity. However, the resources are getting scarce. As a result, there should be the policy of renewable energy. Renewable energy is the energy that can be repeatedly collected and is sustainable. One of the renewable energy is the energy which is collected from wind. Therefore, the research was conducted in order to assess the performance of each wind speed variation and heavy blade variation as the performances of rpm, torque, mechanical turbine power, electricity power, also knowing tip speed ratio value and coefficient of power of the wind turbine.
The model of wind turbine which is examined in this research is a three – blade propeller wind turbine made of composite, with diameter of 1 m, with weight blade variation. The used blade design is blade design from 8 inch – PVC pipe pieces. As for the dump load of wind turbine system, the researcher used 21 incandescent light bulbs by installing permanent magnet DC generator on the
wind turbine’s axis. As for obtaining average wind speed variation 5 m/s, and 7
m/s then wind turbine is placed in front of the 15 HP 1450 rpm blower. This research was conducted in Laboratorium Konversi Energi in Sanata Dharma University.
From this research, a three – blade propeller wind turbine produces the biggest axis rotation which is 414 rpm on 0,24 kg weight blade with average wind speed 7 m/s. The biggest torque load produced is 0,81 N.m on 0,24 kg weight blade and average wind speed 7 m/s. The biggest mechanic power produced is 25,80 watt on 0,24 kg heavy blade variation and wind speed 7 m/s. The biggest electricity power produced is 18,22 watt on weight blade and wind speed 7 m/s. The maximum coefficient of power produced is 21,85% with tip speed ratio point of 2,45 on 0,20 kg weight blade variation and wind speed 5 m/s.
viii
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan anugerah-Nya yang telah memberi kesempatan bagi penulis untuk dapat
menyelesaikan laporan tugas akhir dengan judul “Unjuk Kerja Kincir Angin Poros Horizontal Tiga Sudu Berbahan Komposit Diameter 1 m Dengan Variasi Berat Sudu”.
Laporan tugas akhir merupakan salah satu persyaratan bagi para mahasiswa/mahasiswi untuk dapat menyelesaikan jenjang pendidikan S1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Dalam laporan tugas akhir ini membahas mengenai perancangan, pembuatan kincir angin jenis sumbu horizontal.
Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada:
1. Sudi Mungkasi,S.Si., M.Math.,Sc., Ph.D selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Univesitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.
3. Ir. Rines, M.T selaku Dosen Pembimbing Akademik.
4. Doddy Purwadianto, S.T.,M.T selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 5. Seluruh dosen Program Studi Teknik MEsin yang telah mendidik dan
memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.
6. Seluruh staff Fakultas Sains dan Teknologi atas kerja sama dan dukungan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir.
7. Petrus Sumedi dan Brigita Ambar Widawati selaku orang tua, yang selalu mendukung secara material dan lain-lain kepada penulis.
8. Danan Pamungkas dan Adi Susanto selaku teman satu tim pembuatan alat penelitian.
9. Sahabat dan rekan – rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2014 khususnya, yang telah memberi saran, kritik dan dukungan kepada penulis dalam penyelesaian laporan tugas akhir
x
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GRAFIK ... xiii
DAFTAR TABEL ... xiv
2.1 Energi angin dan potensi angin di Indonesia ... 6
2.2 Jenis-jenis Angin ... 8
2.3.1 Kincir Angin Poros Horizontal ... 12
2.3.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 14
2.4 Rumus Perhitungan ... 15
2.4.1 Energi Kinetik ... 15
2.4.2 Daya Angin ... 16
2.4.3 Torsi ... 17
xi
2.4.5 Tip Speed Ratio ... 18
2.4.6 Koefisien Daya ... 18
2.5 Komposit ... 19
2.5.1 Definisi komposit ... 19
2.5.2 Properti Komposit ... 20
2.5.3 Klasifikasi Komposit ... 20
a. Komposit Matrik Polimer (polymer Matrix Composites – PMC) ... 21
b. Komposit Matrik Logam ( Metal Matrix Composites – MMC) ... 22
METODE PENELITIAN ... 34
3.1 Diagram penelitian ... 34
3.2 Alat dan Bahan ... 35
3.2.1 Sudu kincir angin ... 35
3.2.2 Dudukan sudu ... 36
3.2.3 Fan blower. ... 37
3.2.4 Tachometer. ... 37
3.4.5 Timbangan digital. ... 38
3.2.6 Anemometer. ... 39
3.2.7 Voltmeter. ... 39
3.2.8 Amperemeter. ... 40
3.2.9. Potensio. ... 40
3.2.10. Lampu pijar ... 41
3.2.11. Pembebanan. ... 41
3.3 Desain Sudu ... 42
3.4 Pembuatan sudu atau Blade Kincir Angin ... 42
3.4.1 Alat dan Bahan... 42
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu atau Blade ... 43
xii
BAB IV ... 51
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 51
4.1. Data hasil pengujian ... 51
4.2 Pengolahan data dan perhitungan ... 55
4.2.1 Perhitungan daya angin ... 56
4.2.2 Perhitungan torsi ... 56
4.2.3 Perhitungan daya kincir mekanis ... 56
4.2.5 Perhitungan tip speed ratio (tsr) ... 57
4.2.6 Perhitungan koefisien daya (cp) ... 57
4.3 Data hasil perhitungan ... 58
4.4 Grafik hasil perhitungan ... 64
BAB V ... 72
KESIMPULAN DAN SARAN ... 72
5.1 Kesimpulan ... 72
5.2 Saran. ... 73
DAFTAR PUSTAKA ... 74
xiii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4. 1 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dengan torsi ... 65
Grafik 4. 2 Grafik hubungan antara daya mekanis (Pout) dengan torsi (T) ... 66
Grafik 4. 3 Grafik hubungan antara daya listrik (Watt) dengan torsi (T) ... 67
Grafik 4. 4 Grafik hubungan antara putaran poros kincir (n) dan torsi (T) ... 68
Grafik 4. 5 Grafik hubungan antara daya mekanis Pout Watt dan torsi (T) ... 69
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 1. 1. Penyediaan Energi Listrik di Indonesia ... 3
Tabel 2. 1. Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas Permukaan Tanah ... 7
Tabel 2. 2 Pengelompokan Titik Angin Menurut Kecepatannya ... 7
Tabel 3. 1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu………..43
Tabel 4. 1 Data pengujian tiga sudu dengan variasi berat 0.20 kg dan kecepatan 5 m/s………..51
Tabel 4. 2 Data pengujian tiga sudu dengan variasi berat 0.24 kg dan kecepatan 5 m/s ... 52
Tabel 4. 3 Data pengujian tiga sudu dengan variasi berat 0.33 kg dan kecepatan 5 m/s ... 52
Tabel 4. 7 Data perhitungan tiga sudu dengan variasi berat 0.20 kg dan kecepatan angin 5 m/s ... 58
Tabel 4. 8 Data perhitungan tiga sudu dengan variasi berat 0.24 kg dan kecepatan angin 5 m/s ... 59
Tabel 4. 9 Data perhitungan tiga sudu dengan variasi berat 0.33kg dan kecepatan angin 5 m/s ... 60
Tabel 4. 10 Data perhitungan tiga sudu dengan variasi berat 0.20 kg dan kecepatan angin 7 m/s ... 61
Tabel 4. 11 Data perhitungan tiga sudu dengan variasi berat 0.24 kg dan kecepatan angin 7 m/s ... 62
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. 1 Skema rancangan pembangkit listrik tenaga angin skala rumahan .... 1
Gambar 2. 1 Siklus Angin Darat ... 8
Gambar 2. 2 Siklus Terjadinya Angin Laut ... 9
Gambar 2. 3 Siklus Terjadinya Angin Gunung ... 10
Gambar 2. 4 Sketsa Kincir Angin Pembangkit Listrik Sederhana ... 12
Gambar 2. 5 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 13
Gambar 2. 6 Jenis-Jenis Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 14
Gambar 2. 7 Grafik Hubungan Antara Koefisiensi Daya dengan Tip Speed dari berbagai jenis Kincir Angin ... 19
Gambar 2. 8 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Matriksnya... 21
Gambar 2. 9 Pembagian komposit berdasarkan penguatnya ... 24
Gambar 2. 10 Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya ... 25
Gambar 2. 11 a. Flat flakes sebagai penguat (flakes composites) b. Fillers sebagai penguat (filler composite) ... 26
Gambar 2. 12 Tipe Serat pada Komposit ... 28
Gambar 2. 13 Tipe Discontinuous Fiber ... 29
Gambar 2. 14 Serat Kaca ... 32
Gambar 2. 15 Jenis-Jenis Serat Alami ... 32
Gambar 2. 16 Jenis Serat Buatan ... 33
Gambar 3. 1 Blade atau Sudu ... 36
Gambar 3. 2 Dudukan Sudu ... 36
Gambar 3. 3 Fan Blower ... 37
Gambar 3. 4 Tachometer ... 38
Gambar 3. 5 Timbangan Digital Gantung ... 38
Gambar 3. 6 Anemometer ... 39
Gambar 3. 7 Voltmeter ... 39
Gambar 3. 8 Amperemeter ... 40
Gambar 3. 9 Potensio ... 40
Gambar 3. 10 Lampu Pijar ... 41
Gambar 3. 11 Skema Pembebanan... 41
Gambar 3. 12 Desain Sudu... 42
Gambar 3. 13 Pemotongan Pipa ... 44
Gambar 3. 14 Pembuatan Mal Cetakan dari Kertas ... 44
Gambar 3. 15 Membentuk Pipa dengan Kertas ... 45
Gambar 3. 16 Pelapisan Cetakan dengan Plester ... 46
Gambar 3. 17 Proses Pencampuran Resin dan Hardener ... 47
xvi
DAFTAR SIMBOL
Ek : Energi kinetik m : Massa (kg) v : Kecepatan angin
ṁ : Massa udara yang mengalir pada satuan waktu (kg/s)
ρ : Massa jenis udara (kg/s) A : Luas penampang sudu (m2) Vt : Kecepatan ujung sudu ω : Kecepatan sudut (rad/s) r : Jari - jari kincir (m)
n : Putaran poros kincir tiap menit (rpm)
𝑃𝑜𝑢𝑡 : Daya yang dihasilkan oleh kincir angin Cp : Koefisien daya, %
Pin : Daya yang disediakan oleh angin F : Gaya pengimbang
T : torsi (N.m)
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Maasalah
Kebutuhan manusia akan pasokan energi semakin meningkat maka
pasokan bahan bakar yang semakin lama semakin menipis dan ini membuat setiap
negara berlomba-lomba untuk menciptakan energi alternatif untuk menggantikan
energi yang tidak dapat diperbaharui.
Salah satu energi alternatif yang mulai dikembangkan adalah energi angin,
energi angin merupakan salah satu sumber energi yang tidak akan habis. Energi
angin digunakan sebagai alternatif untuk pembangkit listrik, pembangkit listrik
energi angin adalah suatu pembangkit listrik yang menggunakan angin sebagai
sumber energi untuk menghasilkan listrik. Pembangkit ini dapat mengkonversi
energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan kincir angin. Sistem
pembangkit listrik menggunakan angin sebagai sumber energi merupakan sistem
alternatif yang berkembang pesat, karena angin merupakan salah satu energi yang
tidak tidak terbatas di alam.
Gambar 1. 1 Skema rancangan pembangkit listrik tenaga angin skala rumahan
2
Listrik adalah suatu energi, bahkan energi listrik begitu memegang
peranan penting bagi kehidupan kita. Listrik adalah suatu muatan yang terdiri dari
muatan positif dan muatan negatif. Arus listrik merupakan muatan listrik yang
bergerak dari tempat yang berpotensial tinggi ke tempat berpotensial rendah,
melewati suatu penghantar listrik. Media penghantar listrik salah satunya ialah
media yang terbuat dari bahan logam, yaitu elktron bebas berpindah dari satu
atom ke atom logam berikutnya, seddangkan pada media air elektron dibawa oleh
elektrolit yang terkandung dalam media air tersebut (Kasman, 2014).
Kebutuhan energi listrik tersebut diharapkan dapat dipenuhi oleh
pusat-pusat pembangkit listrik baik dibangun oleh pemerintah maupun non-pemerintah
sebagai ilustrasi pada tahun 1990 kebutuhan energi listrik sebesar 51.919 GWh
telah dipenuhi oleh seluruh pusat pembangkit listrik yang ada dengan kapasitas
daya terpasang sekitar 22.000 MW. Sehingga pada tahun 2010 dari kebutuhan
energi listrik, yang diramalkan mencapai 258.747 GWh per tahun di harapkan
dapat dipenuhi oleh sistem suplai energi listrik dengan kapasitas total sebesar
68.760 MW, yang komposisi sumber daya energinya seperti diperlihatkan dalam
3
Tabel 1. 1. Penyediaan Energi Listrik di Indonesia
Sumber Energi
Energi alternatif yang dapat diperbaharui, yaitu mataharri, angin dan air
sumber energi tersebut adalah sumber energi yang dapat diperbaharui untuk itu
penulis ingin mengembangkan energi terbarukan dan konversi energi khususnya
pada energi angin dengan mengembangkan design kincir yang sudah ada saat ini
yang sesuai dengan kondisi angin yang berada di Indonesia. Penulis akan
melakukan penelitian pada kincir angin horizontal dengan tiga variasi berat yang
4
1.2 Rumusan Masalah
Masalah yang dirumuskan dalam penelitian ini adalah :
1. Angin merupakan sumber energi yang tidak akan habis, hingga saat ini
angin belum dimanfaakan secara maksimal meski memiliki potensi
yang baik.
2. Dalam pengembangan kincir angin ini tentunya diperlukan penilitian.
3. Dalam pembuatan kincir angin penulis menggunakan bahan komposit
untuk pembuatan sudu.
1.3 Tujuan Penelitian
1. Membuat sudu kincir angin poros horizontal tiga sudu berbahan
komposit dengan diameter 1 meter, dengan tiga variasi berat sudu.
2. Mengetahui unjuk kerja dari kincir angin poros horizontal meliputi :
torsi, putaran kincir dan daya mekanis
3. Mengetahui nilai coefisien performance (Cp) dan tip speed ratio (tsr)
dari kincir angin poros horizontal dua sudu bahan komposit
1.4 Batasan Masalah
1. Kincir angin poros horizontal dibuat dengan bahan komposit dengan
diameter 1 m, lebar maksimum 16 cm dengan jarak 20 cm dari pusat
poros, dengan desain kelengkungan sudu menggunakan pipa pvc 8
inch
2. Kincir angin menggunakan tiga sudu.
5
4. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas
Sanata Dharma.
5. Penelitian kincir angin menggunakan dua variasi kecepatan angin 5m/s
dan 7m/s.
6. Penelitian menggunakan fan blower, tachometer, timbangan digital,
anemometer, voltmeter, amperemeter.
1.5 Manfaat Penelitian
1. Kincir angin merupakan salah satu energi alternatif yang dapat
dimanfaatkan untuk pemanfaatan energi terbarukan.
2. Pengembangan kincir angin ini dapat memenuhi kebutuhan listrik
masyarakat dan sangat mudah untuk diproduksi.
3. Dapat mengetahui berat ideal sudu pada kincir angin poros horizontal
6
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Energi angin dan potensi angin di Indonesia
Angin merupakan udara yang berhembus dari suhu tinggi ke suhu rendah
akibat adanya perbedaan temperature atmosfer. Perbedaan temperature pada
lokasi yang berbeda (garis lintang) dari bumi yang disebabkan penyinaran
matahari yang tidak merata. Faktanya, atmosfer merupakan suatu mesin
termodinamika yang besar dimana bagian dari energi yang datang dirubah
menjadi energi kinetis secara mekanis dari masa udara yang bergerak. sekitar 2%
dari sinar matahari yang mengalir ke bumi diubah menjadi tenaga angin, yang
mana hasil akhirnya berubah menjadi panas dikarenakan gesekan dengan lapisan
batas atmosfer (Baafai, 2011).
Proses pemanfaatan energi angin dilakukan melalui dua tahapan konversi
energi, pertama aliran angin akan menggerakkan rotor (baling-baling) yang
menyebabkan rotor berputar selaras dengan angin yang bertiup, kemudian putaran
dari rotordihubungkan kegenerator, dari generator inilah dihasilkan arus listrik.
Jadi proses tahapan konversi energi bermula dari energi kinetik angin menjadi
energi mekanik kemudian menjadi energi listrik besar-kecilnya energi listrik
dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu rotor, kecepatan angin dan jenis generator.
Syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi
listrik dengan kincir angin berdiameter 1 m dapat dilihat pada tingkatan keceptan
7
Tabel 2. 1. Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas Permukaan Tanah
Indonesia merupakan salah satu negara yang mempunyau potensi angin
yang cukup baik, banyak daerah di Indonesia yang mempunyai kecepatan angin
yang cukup tinggi dan bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin
Tabel 2. 2
Pengelompokan Titik Angin Menurut Kecepatannya
(sumber : www.energy-indonesia.com)
Dari tabel diatas merupakan pengelompokan titik angin menurut
kecepatannya, yang cocok untuk mendirikan kincir angin pembangkit listrik
8 2.2 Jenis-jenis Angin
Jenis-jenis angin dibedakan menjadi 4 :
2.2.1 Angin Darat
Angin Darat adalah angin yang terjadi pada malam hari ditepian laut dan
disepanjang garis pantai diseluruh dunia. Hal ini terjadi disebabkan karena udara
diatas daaratan mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan dengan udara
diatas permukaan laut, sehingga tekanan udara diatas permukaan laut lebih
rrendah dibandingkan diatas daratan. Udara yang lebih dingin dan bertekanan
lebih tinggi akan berhembus dari daratan ke perairan di malam hari dan inilah
yang menyebabkan munculnya angin darat. Contoh gambar siklus angin darat.
Gambar 2. 1 Siklus Angin Darat
(Sumber : www.cuacajateng.com)
2.2.2 Angin Laut
Angin laut adalah angin yanng terjadi pada waktu siang hari di sepanjang
9
dari laut atau danau menuju daratan. Hal ini dikarenakan udara diatas daratan
mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan udara dipermukaan laut.
Sehingga tekanan diatas daratan lebih rendah dibandingkan dengan dengan
permukaan laut. Selama udara hangat diatas daratan bergerak naik keatas, udara
yang lebih dingin dari permukaan laut yang bertekanan lebih tinggi akan
berhembus ke daratan yang tekanannya lebih rendah dan hembusan angin tersebut
dikenal sebagai angin laut.
Gambar 2. 2 Siklus Terjadinya Angin Laut
(Sumber : www.cuacajateng.com)
2.2.3 Angin Gunung
Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di area
pegunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah.
Hal ini terjadi karena udara diatas gunung mengalami pendinginan lebih cepat
dibandingkan diatas permukaan lembah, sehingga tekanan udara diatas permukaan
10
Gambar 2. 3 Siklus Terjadinya Angin Gunung
(Sumber : http://www.konsepgeografi.net/2016/01/angin-gunung-dan-angin-lembah.html)
2.2.4 Angin Lembah
Angin lembah adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan
pegunungan diseluruh dunia. Angin ini berhembus dari lembah menuju gunung.
Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas gunung mengalami pemanasan lebih cepat
dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara diatas permukaan gunung lebih
rendah dibandingkan diatas permukaan lembah. Gambar siklus terjadinya angin
lembah pada Gambar 2.3 diatas.
2.3 Kincir Angin
Kincir angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitakan
tenaga listrik. Kincir angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi
kebutuhan para petani untuk menggiling padi, keperluan irigasi dll. Kincir angin
terlebih dahulu banyak digunakan di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa
11
Kini kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi
kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan
mengunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun
sampai saat ini pengunaan kincir angin masih belum dapat menyaingi pembangkit
listrik konvensional (Contoh; PLTD, PLTU, dll), kincir angin masih dapat
dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan
dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam yang tidak dapat
diperbaharui (Contoh; batubara dan minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk
membangkitkan listrik.
Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit
Listrik Tenaga Angin (PLTA) mengkonversi energi angin menjadi energi listrik
dengan mengunakan kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin
memutar kincir angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibelakang
bagian kincir angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi listrik ini
biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dimanfaatkan (Maharwan,
12
Gambar 2. 4 Sketsa Kincir Angin Pembangkit Listrik Sederhana
Beradasarkan arah porosnya,kincir angin dibedakan menjadi dua macam
yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertical:
2.3.1 Kincir Angin Poros Horizontal
Kincir angin poros horizontal atau Horizontal axis wind Turbin (HAWT)
adalah kincir angin yang mempunyai poros yang sejajarr dengan tanah dan arah
poros utama sesuai dengan arah datangnya angin. Kincir ini terdiri dari sebuah
menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat
berputar 360o terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah datangnya angin. Kincir angin sumbu horizontal terdapat beberapa jenis diantaranya ditunjukkan
13
Gambar 2. 5 Kincir Angin Sumbu Horizontal
(Sumber : http://mit.ilearning.me/kincir-angin-pembangkit-listrik/)
Kelebihan kincir angin sumbu horizintal adalah :
1. Menara penyangga yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin
dengan kekuatan yang lebih besar .
2. Efisiensi lebih tinggi, karena sudu selalu berputar tegak lurus dengan arah
datangnya angin.
3. Dapat dibuat dengan kemampuan pitch control untuk sudu-sudunya,
sehingga dapat menghindari kerusakan bila terkena badai.
Kelemahan kincir angin sumbu horizintal adalah :
1. Dibutuhkan konstruksi menara penyangga yang kuat untuk menopang
beban sudu, gear box, dan generator.
2. Komponen-komponen dari kincir angin seperti pada poin pertama, harus
14
3. Membutuhkan yaw control sebagai mekanisme untuk mengarahkan sudu
ke arah angin.
4. Kincir angin sulit dioperasikan dekat dengan permukaan tanah karena
adanya angin turbulen.
2.3.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir Angin Poros Vertikal atau Vertical axis wind turbine (VAWT)
adalah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus permukaan tanah atau arah
datangnya angin. Terdapat beberapa jenis kincir angin sumbu vertikal diantaranya
ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2. 6 Jenis-Jenis Kincir Angin Sumbu Vertikal
(Sumber: http://benergi.com/jenis-turbin-angin-lengkap- dengan-kekurangan-dan-kelebihannya)
Kelebihan kincir angin sumbu vertikal :
1. Kincir angin ini mudah dirawat karena letaknya yang dekat dengan
15
2. Memiliki kecepatan pengawalan angin yang rendah dibanding dengan
kincir angin sumbu horizontal.
3. Kincir angin ini dapat menerima hembusan angin dari segala arah.
4. Tidak memerlukan menara yang tinggi sehingga lebih mudah dan lebih
kuat.
Kelemahan kincir angin sumbu vertical :
1. Memiliki kecepatan putaran kincir angin yang rendah,karena letaknya
dekat dengan tanah.
2. Pada umumnya dipasang dekat dengan permukaan tanah maka kualitas
angin yang diperoleh kurang baik sehingga kincir angin mudah rusak.
2.4 Rumus Perhitungan
Rumus-rumus yang digunakan dalam penelitian mencari unjuk kerja kincir
angin;
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
sebagai berikut :
Ek = 1 2 m . v
2 (1)
dengan :
16 m : Massa (kg).
v : Kecepatan angin.
Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat dituliskan dengan rumus
sebagai berikut :
Pin = 1 2𝑚̇ v
2 (2)
dengan :
P : Daya angin (watt).
ṁ : Massa udara yang mengalir pada satuan waktu (kg/s)
dimana :
ṁ= ρ A v (3)
dengan :
ρ : Massa jenis udara (kg/s).
A : Luas penampang sudu (m2)
2.4.2 Daya Angin
Daya angin (
𝑃
𝑖𝑛) adalah daya yang dihasilkan oleh sudu kincir angin yang
diakibatkan oleh hembusan angin. Dengan menggunakan persamaan (3) daya
17
𝑃
𝑖𝑛=
12𝜌. 𝐴 . 𝑣3
(4)
dengan 𝜌 adalah massa jenis udara, 𝐴 adalah luas penampang sudu.
2.4.3 Torsi
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya
dorong pada sudu – sudu kincir angin. Perhitungan nilai torsi dapat dirumuskan
sebagai berikut :
𝑇 = 𝐹 .ℓ (5)
dengan 𝐹 adalah gaya pembebanan, dan ℓ adalah panjang lengan torsi ke poros
kincir angin.
2.4.4 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin (𝑃𝑜𝑢𝑡) adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin
karena putaran sudu kincir , putaran kincir angin tersebut menghasilkan energi
kinetik yang kemudian dikonversikan menjadi energi listrik. Perhitungan nilai
daya kincir angin dapat dirumuskan sebagai berikut :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 . 𝜔 (6)
dengan 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin dan 𝜔 adalah
18 2.4.5 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan linear lingkaran
terluar kincir dengan kecepatan angin. Perhitungan nilai tip speed ratio dapat
dirumuskan sebagai berikut :
𝑡𝑠𝑟 = 𝜔 . 𝑟
𝑣
(7)
dengan 𝑟 adalah jari – jari kincir angin dan 𝑣 adalah kecepatan angin.
2.4.6 Koefisien Daya
Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh
kincir angin
(
𝑃
𝑜𝑢𝑡)
dengan daya yang disediakan oleh angin(
𝑃
𝑖𝑛). Perhitungan
nilai koefisien daya dapat dirumuskan sebagai berikut :
𝐶𝑝 = 𝑃𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑖𝑛
. 100%
(8)
Menurut ilmuwan asal Jerman, Albert Betz, efisiensi atau koefisien daya
maksimal sebuah kincir angin adalah sebesar 59 %. Teori tersebut kemudian
19
Gambar 2. 7 Grafik Hubungan Antara Koefisiensi Daya dengan Tip Speed dari berbagai jenis Kincir Angin
(Sumber : http://slideplayer.com/slide/10169610/)
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 fisiknya dan tetap terpisah dalam hasil akhir
bahan tersebut (bahan komopist).
2.5.1 Definisi komposit
Definisi komposit menurut strukturnya dibagi menjadi dua.
1. Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun
dari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (CO paduan
20
2. Makrostructur : material yang disusun dari campuran dua atau lebih
penyusun makro yang berbeda dalam bentuk komposisi dan tidak larut
satu dengan yang lainnya disebut komposit (definisi secara makro ini
yang biasa dipakai).
2.5.2 Properti Komposit
Karakteristik dari komposit ditentukan oleh :
1. Material yang menjadi penyusun komposit
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material
penyusun menurut rule of mixure sehingga akan berbanding secara
proporsional
2. Bentuk dan penyusunan strukturaldari penyusun.
Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik
komposit
3. Interaksi antar penyusun
Bila terjasi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari
komposit
2.5.3 Klasifikasi Komposit
Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga
21
Gambar 2. 8 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Matriksnya
a. Komposit Matrik Polimer (polymer Matrix Composites – PMC)
Komposit ini memiliki sifat seperti: ketangguhan yang baik, tahan simpan,
kemampuan mengikuti bentuk, lebih ringan dan lain sebagainya.
Keuntungan dari PMC:
1) Ringan
2) Specific strength tinggi
3) Specific stiffness ringan
4) Anisotropy
Jenis polimer yang banyak digunakan:
1) Thermoplastic
Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali
22
akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu
tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik
(reversible) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh
dari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES,
dan Polieter eterketon (PEEK).
2) Thermoset
Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversible). Bila
sekali pengerasan telah terjadi makan bahan tidak dapat dilunakkan kembali.
Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan thermoset melainkan akan
membentuk arang dan terurai kerena sifatnya yang demikian sering digunakkan
sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastic jenis thermoset tidak
begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penangannya juga
volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastic yang bersifat
termoplastik.
b. Komposit Matrik Logam ( Metal Matrix Composites – MMC)
Metal Matrix Composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki
matrik logam. Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada
mulanya yang diteliti adalah Continous Filamen MMC yang digunakan dalam
aplikasi aerospace.
Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC:
1) Transfer tegangan dan regangan baik.
23 3) Tidak menyerap kelembapan.
4) Tidak mudah terbakar.
5) Kekuatan tekan dan geser yang baik.
6) Ketahanan aus dan muai ternal yang lebih baik.
Kekurangan MMC:
1) Biayanya mahal.
2) Standarisasi material dan proses yang sedikit.
Proses pembuatan MMC:
1) Powder metallurgy.
2) Casting/liquid ilfiltration.
3) Compocasting.
4) Squeeze casting.
c. Komposit Matrik Keramik ( Ceramic Matrix Composites – CMC )
CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai
reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriknya terbuat dari keramik.
Reinforcement yang umum digunakkan pada CMC adalah oksida, carbide, dan
nitrid. Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu
proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk
pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat). Matrik yang
sering digunakan pada CMC adalah:
1) Gelas anorganic
24 3) Alumina.
4) Silicon Nitrida.
Keuntungan dari CMC :
1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam.
2) Sangat tangguh bahkan hamper sama dengan ketangguhan dari cast iron.
3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus.
4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi.
5) Tahan pada temperature tinggi (creep).
Kerugian dari CMC :
1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar.
2) Relative mahal dan non-cot effective.
3) Hanya untuk aplikasi tertentu.
Adapun pembagian komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat dari Gambar
2.9
Gambar 2. 9 Pembagian komposit berdasarkan penguatnya
Dari gambar 2.9 komposit berdasarkan jenis penguatnya dapat dijelaskan sebagai
25
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel.
b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat.
c. Structural composite, cara penggabungan material komposit.
Adapun Ilustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada gambar
2.10 illustrasi komposit berdasarkan penguatnya.
Gambar 2. 10 Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya
a. Partikel sebagai penguat ( Particulate composite)
Keuntungan komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel.
1) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah.
2) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan
kekerasan material.
3) Cara penguatan dan pengerasan oleh patikulat adalah dengan
menghalangi pergerakan dislokasi.
Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk
partikel:
1) Metalurgi Serbuk
2) Infiltration Process
26 4) Stir Casting
5) Spray Deposition
Panjang partikel dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut :
1) Large particle
Komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk pertikel, dimana
interaksi Antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomic atau
molecular. Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata. Contoh
dari large particle composite adalah cemet dengan sand atau gravel, cemet
sebagai matriks dan sand sebagai atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand
sebagai partikel, Sphereodite steel ( cementite sebagai partikulat ), Tire (carbon
sebagai partikulat), Oxide- Base Cermet (Oksida logam sebagai partikulat).
Gambar 2.11
Gambar 2. 11 a. Flat flakes sebagai penguat (flakes composites) b. Fillers sebagai penguat (filler composite)
2) Dispersion strengthenend particle
a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.
27 b. 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.
Fiber yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut:
a) Mempunyai diameter lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya)
namun harus lebih dari bulknya.
b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi.
Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut:
a) Distribusi c) Orientasi d) Bentuk
b) Konsentrasi e) Ukuran
28
Gambar 2. 12 Tipe Serat pada Komposit
a) Continuous Fiber Composite.
Contiuous atau uni-directional, mempunyai susunan serat panjang dan
lurus, membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling
banyak digunakan. Kekurangan tipe ini adalah lemahnya antar lapisan. Hal ini
dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.
b) Women Fiber Composite (bi-directional).
Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena
susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat
memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan
tidak sebaik tipe continuous fiber.
c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite).
Komposit dengan tipe serat pendek dibedakan menjadi 3, seperti yang
29
Gambar 2. 13 Tipe Discontinuous Fiber
1) Aligned discontinuous fiber
2) Off-axis aligned discontinuous fiber
3) Randomly oriented discontinuous fiber.
Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat
pendek yang tersebar secara acak diantaranya matriknya. Tipe acak sering
digunakan pada produksi dengan volume besar karena factor biaya manufakturnya
yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang
masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama.
d) Hybrid fiber composite
Hybrid fiber composite merupakan komposit gabungan Antara tipe serat
lurus dengan serat acak. Pertimbangan supaya dapat mengeliminir kekurangan
sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
2.6 Serat
Serat adalah suatu jenis bahan berupa potongan-potongan komponen yang
membentuk jaringan memanjang yang utuh. Serat dibagi menjadi dua kategori,
30
serat yang langsung diperoleh di alam. Sedangkan serat buatan menurut jumaeri
(1977:35), yaitu “ serat yang molekulnya disusun secara sengaja oleh manusia,
sifat-sifat umum dari serat buatan yaituu kuat dan tahan terhadap gesekan.
2.6.1 Serat Alami
Serat alami meliputi serat yang diproduksi oleh tumbuh-tumbuhan, hewan,
dan proses geologis seperti pada Gambar 2.13 serat jenis ini bersifat dapat
mengalami pelapukan. Serat alami dapat digolongkan ke dalam :
1. Serat tumbuhan/serat pangan biasanya tersusun atas selulosa hemiselulosa,
dan kadang-kadang mengandung lignin. Contoh dari serat jenis ini yaitu
katun dan kain ramie. Serat tumbuhan digunakan sebagai bahan pembuat
kertas dan tekstil. Serat tumbuhan juga penting bagi nutrisi manusia.
2. Serat kayu berasal dari tumbuhan berkayu.
3. Serat hewan, umumnya tersusun atas protein tertentu. Conoh dari serat hewan
yang dimanfaatkan oleh manusia adalah sutra da bulu domba (wol)
2.6.2 Serat Sintetis
Serat sintetis atau serat buatan manusia umumnya berasal dari bahan
petrokimia. Namun demikian ada pula serat sintetis yang dibuat dari selulosa
alami seperti rayon pada Gambar 2.14 menampilkan jenis-jenis serat sintesis
2.6.3 Serat kaca
Serat kaca (fiberglass) atau sering disebut dengan serat gelas adalah kaca
cair yang ditarik menjadi serat tipis dengan garis tengah sekitar 0,005-0,01 mm.
serat ini dapat dipintal menjadi benang atau ditenun menjadi kain yang kemudian
31
Gambar 2.14 menunjukkan gambar dari serat kaca. Sifat-sifat fiber-glass sebagai
berikut :
a. Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc)
b. Tensile strenghtnya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa).
c. Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa).
d. Stabilitas dimensinya baik.
e. Tahan terhadap korosi.
Keuntungan dari penggunaan fiber-glass.
a. Biaya yang relative murah.
b. Tahan terhadap korosi.
c. Biaya lebih relative rendah dari komposit lainnya.
Kerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :
a. Kekuatannya relative lebih rendah.
b. Elongasinya tinggi
c. Kekuatan dan beratnya sedang ( moderate )
Jenis-jenisnya Antara lain :
a. E-glass
b. C-glass
32
Gambar 2. 14 Serat Kaca
33
34
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram penelitian
Langkah kerja penelitian
Mulai
Pembelian alat dan bahan yang digunakan untuk pembuatan kincir angin
Menentukan variabel penelitian Perancangan desain kincir angin
Uji coba sudu
Pembuatan sudu bahan komposit
TIDAK
Penngambilan data
Hasil penelitian, perhitungan, pengolahan data dan pembahasan
Kesimpulan dan saran
35
Ada tiga jenis perlakuan metode untuk melakukan penelitian ini, yaitu :
1. Penelitian Kepustakaan (Library Research)
Penelitian keputakaan dilakukan dengan membaca literature – literature
yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggung
jawabkan kebenarannya.
2. Pembuatan Alat
Pembuatan alat uji kincir angin dilakukan di Laboratorium Konversi
Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir angin yang sudah jadi
dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai suber tenaga untuk emutar
fan blower yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir.
3. Pengamatan Secara langsung (Observasi)
Metode obsevasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung
terhadap objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeller pada wind tunel.
3.2 Alat dan Bahan
Model kincir angin propeler dengan bahan komposit. Kincir ini dibuat
dengan diameter 1 meter.
3.2.1 Sudu kincir angin
Ukuran panjang sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang
menerima energy angin sehingga dapat membuat dudukan sudu atau turbin
berputar. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu kincir angin
36
Gambar 3. 1 Blade atau Sudu
3.2.2 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 3.2.
37 3.2.3 Fan blower.
Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan
blower dengan power sebesar15 Hp. Gambar 3.3 akan menunjukkan bentuk dari
fan blower.
Gambar 3. 3 Fan Blower
3.2.4 Tachometer.
Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran
poros kincir angin yang dinyatakan dalamsatuan rpm (rotation per minute). Jenis
tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup
sedherhana meliputi 3 bagian, yaitu : Sensor, pengolah data dan penampil.
38
Gambar 3. 4 Tachometer
3.4.5 Timbangan digital.
Timbangan digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat
kincir angin berputar. Gambar 3.6 menunjukkan bentuk dari Timbangan Digital
yang digunakan dalam penelitian. Timbangan digital ini diletakkan pada bagian
lengan generator.
39 3.2.6 Anemometer.
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, Gambar 3.6
menunjukkan bentuk dari anemometer.
Gambar 3. 6 Anemometer
3.2.7 Voltmeter.
Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan yang dihailkan kincir
angin oleh setiap variasinya. Gambar Voltmeter seperti ditujukkan pada Gambar
3.7.
40 3.2.8 Amperemeter.
Amperemeter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh kincir
angin dengan setiap variasinya. Gambar amperemeter seperti ditunjukkan pada
Gambar 3.8.
Gambar 3. 8 Amperemeter
3.2.9. Potensio.
Potensio bersfungsi untuk mengatur peningkatan atau pengurangan arus
yang masuk pada lampu pembeban yang ditunjukkan pada Gambar 3.9
41 3.2.10.Lampu pijar
Lampu pijar ini berfungsi sebagai beban atau pengereman putaran kincir, dimana
jika lampu semakin teranng maka putaran kincir akan semakin rendah. Gambar
lampu pijar ditunjukkan pada Gambar 3.10
Gambar 3. 10 Lampu Pijar
3.2.11.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. Lampu yang digunakan
adalah lampu 60 watt sebanyak 5 buah, lampu 40 watt sebanyak 5 buah. Gambar
pembebanan lampu seperti ditunjukkan pada Gambar 3.11
SUMBER
V
Beban A
Beban
42 3.3 Desain Sudu
Desain kincir angin yang dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar
3.10. Gambar tersebut menunjukkan bahwa kincir angin yang dibuat panjang
diameternya berukuran 1 m dengan lebar maksimum sudu 16 cm. Gambar 3.12
menunjukkan desain dari sudu kincir angin. Dengan kelengkungan pipa pvc 8
inch dari tampak depan
Gambar 3. 12 Desain Sudu
3.4 Pembuatan sudu atau Blade Kincir Angin
Pada pembuatan sudu ini ada beberapa tahapan :
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
43
Tabel 3. 1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu
ALAT BAHAN
Bor Tepumg
Kuas Resin
penjepit Harderner
Gerinda Serat gelas
Amplas Isolasi
Timbangan Pipa 8 inchi
Kertas karton Plat besi
Gunting
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu atau Blade
Dalam proses pembuatan sudu atau 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 atau cetakan dari proses pembuatan sudu
kincir angin yang berbahan dari komposit. Proses memotong menggunakan
gerinda dengan panjang pipa yang diinginkan adalah 50 cm. setelah pipa
44
pembentukan pipa dengan mal kertas agar lebih mudah dilakukan. Pipa yang
digunakan adalah Pipa Wavin D 8 inchi ditunjukkan pada Gambar 3.13
Gambar 3. 13 Pemotongan Pipa
2. Membentuk Mal atau cetakan kertas
Mal atau cetakan kertas mempermudah pembentukan pipa menjadisebuah
sudu / blade. Mal ditempelkan pada pipa kemudian pipa ditandai sesuai mal
menggunakan spidol. Ditunjukkan pada Gambar 3.14
45 3. Membentuk pipa dengan mal kertas.
Pipa yang telah ditandai oleh mal kertas, kemudian dipotong menggunakan
gerinda. Proses pembentukan ini dilakukan secara bertahap, pemotongan di mulai
dari garis mal yang mudah dipotong ditunjukkan pada Gambar 3.15
Gambar 3. 15 Membentuk Pipa dengan Kertas
4. Menghaluskan pipa.
Setelah pipa yang telah dibentuk sesuai dengan bentuk dari mal kertas,
kemudiantepi - tepi pipa dihaluskan menggunakan amplas. Hal ini bertujuan
untuk mencapai sebuah presisi ukuran dan estetika dari pipa.
B. Proses pencetakan sudu :
1. Pelapisan cetakan pipa.
Setelah cetakan dari pipa telah siap, kemudian dilanjutkan pada tahap dua
yaitu pembuatan sudu atau blade. Sebelum perpaduan dari resin dan hardener
46
bertujuan agar sudu yang sudah jadi tidak menempel pada cetakan dan
mempermudah untuk melepas sudu dari cetakan ditunjukkan pada gambar 3.16
Gambar 3. 16 Pelapisan Cetakan dengan Plester
2. Pencampuran Resin dan Harderner.
Pencampuran resin dan harderner dilakukan dengan perbandingan 5 : 1. Resin
berfungsi untuk mengeraskan campuran, hardener adalah bahan yang dikeraskan.
47
Gambar 3. 17 Proses Pencampuran Resin dan Hardener 3. Pembuatan Sudu atau Blade.
Dalam membuat sudu dengan bahan komposit yang terdiri dari Resin,
Hardener dan Serat Glass. Proses pembuatan sudu atau blade dilakukan secara
berulang dan cepat. Karena saya mengharapkan sebuah sudu yang jadi nantinya
terdiri dari beberapa lapis glass sesuasi variasi yang ditentukan. Diantara lapisan
kedua dan ketiga serat glass diberikan sebuah plat besi 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 isolasi menggunakan kuas.
b. Menempelkan lapisan pertama serat gelas pada cetakan yang telah
48
c. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat glass
pertama
d. Menempelkan serat glass untuk lapisan kedua.
e. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat glass kedua.
f. Menempelkan plat besi diantara lapisan kedua dan ketiga serat glass.
g. Menempelkan lapisan ketiga serat glass.
h. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan ketiga serat glass.
i. Menempelkan cetakan setelah dioles lapisan ketiga
j. Setelah itu cetakan dijepit dengan penjepit. Penjepitan dilakukan agar tidak
ada gelembung udara pada proses pencetakan.
4. Pengeringan Sudu atau Blade.
Setelah proses pembuatan sudu selesai dilakukan, kemudian sudu atau blade
dikeringkan dengan cara dijemur dibawah matahari. Proses pengeringan yang
dilakukan dibawah matahari memerlukan waktu 2 – 3 hari.
5. Finishing Sudu atau Blade.
Proses finishing sudu atau blade meliputi : pemotongan, penghalusan,
pengurangan berat sudu. Yang dimaksud pengurangan berat sudu adalah
menyamakan berat sudu menjadi 200 gram menggunakan timbangan duduk
49 6. Pembuatan Lubang Baut.
Pembuatan lubang pada sudu dilakukan menggunakan bor dengan diameter
lubang baut 10mm.
3.5 Langkah Penelitian
Gambar 3. 18 Skema Penelitian
Langkah yang dilakukan sebelum pengembilan data penelitian adalah
pemasangan kincir angin di depan fan blower, pemasangan komponen poros
penhubung 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, penelitian mengunakan
3 sudu ada beberapa hal yang perlu dilakukan yaitu :
1. Poros kincir dihubungkan dengan ekanisme pembebanan lampu.
2. Memasang Blade / Sudu pada dudukan sudu.
50 kecepatan angin.
4. Memasang timbangan digital gantung pada lengan generator.
5. Memasang generator pada poros kincir angin.
6. Merngkai pembebanan lampu pada generator.
7. Jika sudah siap, fan blower dihidupkan untuk memutar kincir angin.
8. Percobaan pertama kincir angin dua sudu dengan kecepatan angin 5 m/s,
percobaan kedua kincir angin dengan kecepatan 7 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.
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 menggunakan tachometer.
51
BAB IV
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
4.1.
Data hasil pengujianDari hasil pengujian sudu ditunjukkan pada tabel 4.1, tabel 4.2, tabel 4.3, tabel 4.4, tabel 4.5, dan tabel 4.6
Tabel 4. 1 Data pengujian tiga sudu dengan massa 0.20 kg dan kecepatan 5 m/s
52
Tabel 4. 2 Data pengujian tiga sudu dengan massa 0.24 kg dan kecepatan 5 m/s
NO Kec.Angin Putaran Gaya Tegangan Arus
Tabel 4. 3 Data pengujian tiga sudu dengan massa 0.33 kg dan kecepatan 5 m/s
53
54
55
Tabel 4. 6 Data pengujian tiga sudu dengan massa 0.33 kg dan kecepatan angin 7 m/s
NO Kec.Angin rerata
Putaran kincir Gaya pengimbang Tegangan Arus
m/s n (rpm) F (gram) Volt Ampere
4.2Pengolahan data dan perhitungan
Dalam pengolahan data yang digunakan beberapa asumsi untuk
mempermudah pengolahan dan perhitungan data sebagai berikut :
a. Percepatan gravitasi bumi (ɡ) = 9,81 m/s2
b. Massa jenis udara (ρ) = 1,18 kg/m3
56 4.2.1 Perhitungan daya angin
Sebagai contoh perhitungan di bawah ini menggunakan data pengujian kincir angin dua sudu variasi berat 0,20 kg dan kecepatan angin 5 m/s. maka diketahui
bahwa massa jenis udara (ρ) = 1,18 kg / m3, luas penampang (Α) = 0,785 m2 dan
kecepatan angin (v) = 5 m/s. Sehingga dapat dihitung angin sebesar: Pin = ½ ρ A v3
Pin = ½ × 1,18 × 0,785 × 53 Pin = 58 Watt
Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 58 Watt.
4.2.2 Perhitungan torsi
Sebagai contoh perhitungan diambil dari pengujian yang dilkukan besar torsi dapat kita hitung. Diambil dari tabel 4.7 pada pengujian kesebelas. Dari data yang diperoleh besaran gaya (F) = 1,86 N dan jarak lengan torsi ke poros sebesar 0,27 m, maka torsi dapat dihitung :
T = F × l T = 1,86 × 0,27 T = 0,50 N.m
Jadi torsi yang dihasilkan sebesar 0,50 N.m.
4.2.3 Perhitungan daya kincir mekanis
Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.7 pada pengujian kesebelas diperoleh putaran poros (n) sebesar 238 rpm, dan torsi yang telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar (T) = 0,33 N.m, maka besarnya daya kincir dapat dihitung:
57 4.2.4 Perhitungan daya listrik
Sebagai contoh perhitungan daya listrik diambil dari Tabel 4.7 pada pengujian kesebelas. Diperoleh tegangan sebesar 15,5 volt dan arus sebesar 0,46 ampere, maka daya listrik dapat dihitung :
Plistrik = V × I Plistrik = 15,5 × 0,46 Plistrik = 7,13 Watt
Jadi daya listrik yang dihasilkan sebesar 7,13Watt
4.2.5 Perhitungan tip speed ratio (tsr)
Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.7 pad pengujian kesebelas diperoleh putaran poros kincir angin sebesar 238 rpm, jari – jari kincir angin sebesar (r) = 0,5 m, dan kecepatan angin sebesar 5 m/s, maka tip speed ratio dapat dihitung :
Jadi tip speed ratio yang diperoleh sebesar 2,45
4.2.6 Perhitungan koefisien daya (cp)
Sebagai contoh pehitungan diambil dari perhitungan diatas yakni, daya
angin pada sub bab 4.2.1 sebesar 50 Watt dan daya yang dihasilkan kincir angin
pada sub bab 4.2.3 sebesar 12,54 watt, maka koefisien dapat dihitung :
Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛
Cp = 12,5450 × 100 %
58 4.3 Data hasil perhitungan
Parameter telah didapat dari penelitian diolah dengan software Microsoft
Excel untuk menampilkan tabel dan grafik hubungan antara beban torsi (F) dan
putaran poros kincir (n), grafik hubungan antara torsi (F) dan daya kincir mekanis
(Pout), grafik hubungan antara torsi (F) dan daya listrik (Plistrik), dan grafik
hubungan antara tip speed ratio (tsr) dan koefisien daya (Cp). Ditunjukkan pada
Tabel 4.7
59
60
61
62
63
64 4.4 Grafik hasil perhitungan
pengolahan data pada sub Bab 4.1, 4.2 dan 4..3 mendapatkan hasil
grafik-grafik hubungan Antara grafik-grafik hubungan dengan putaran poros kincir (n) dan torsi
(F), grafik hubungan antara daya kincir mekanis (Pout) dan torsi (F), grafik
hubungan antara daya listrik (Plistrik) dengan torsi (F) dan grafik hubungan antara
koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr). Penjelasan untuk grafik diatas
lebih lengkapnya dapat dilihat pada grafik berikut
4.4.1 Grafik hubungan Antara putaran kincir (n) dan torsi (T) pada
tiga variasi berat sudu dengan kecepatan 5 m/s.
Grafik dari data tabel 4.7, 4.8 dan 4.9 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelunya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan Antara
putaran poros kincir (n) dan torsi (T) pada gambar 4.1 menunjukkan bahwa nilai
putaran poros kincir (n) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0.20 kg sebesar
318 rpm pada torsi (T) sebesar 0,21 N.m sedangkan nilai putaran poros kincir (n)
yang dihasilkan pada berat sudu 0,24 sebesar 283 rpm pada torsi (T) sebesar 0,23
N.m dan nilai puncak putaran poros kincir (n) yang dihasilkan dengan variasi
berat 0,33 kg sebesar 262 pada torsi (T) sebesar 0,21 N.m. ditunjukkan pada
65
Grafik 4. 1 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dengan torsi pada kecepatan angin 5 m/s
4.4.2 Grafik Hubungan antara Daya Mekanis Pout (watt) dan Torsi (T) pada
Tiga Variasi Berat Sudu dengan kecepatan 5 m/s
Data dari tabel 4.7, 4.8 dan tabel 4.9 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan Antara
daya mekanis (Pout) dan torsi (T). pada gambar 4.2 menunjukkan bahwa nilai
puncak daya mekanis (Pout) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0,20 kg
adalah 12,66 watt pada torsi (F) sebesar 0,52 N.m sedangkan nilai puncak daya
mekanis (Pout) yang dihasilkan dengan variasi berat 0,24 kg adalah 10,02 watt
pada torsi (T) sebesar 0,44 N.m dan nilai puncak daya mekanis (Pout) yang
dihasilkan dengan variasi berat 0,33 kg adalah 7,86 watt pada torsi (T) sebesar
0,36 N.m ditunjukkan pada Gambar grafik 4.2 0
100 200 300 400
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
66
Grafik 4. 2 Grafik hubungan antara daya mekanis (Pout) dengan torsi (T) pada
kecepatan angin 5 m/s
4.4.3 Grafik Hubungan antara Daya Listrik (Watt) dan Torsi (T) pada Tiga
Variasi Berat Sudu dengan Kecepatan 5 m/s.
Data dari tabel 4.7 4.8 dan tabel 4.9 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelumnya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan
Antara daya listrik (Watt) dan torsi (T) pada gambar 4.3 menunjukkan bahwa nilai
puncak daya listrik (Watt) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0,20 kg
adalah 7,50 watt pada torsi (T) sebesar 0,52 N.m sedangkan nilai puncak daya
listrik (watt) yang dihasilkan dengan variasi berat 0,24 kg adalah 5,59 watt pada
torsi (T) sebesar 0,44 N.m dan nilai puncak daya listrik (Watt) yang dihasilkan
dengan variasi berat 0,33 kg adalah 2,65 Watt pada torsi (T) sebesar 0,36 N.m.
ditunjukkan pada Gambar grafik 4.3. 0
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
67
Grafik 4. 3 Grafik hubungan antara daya listrik (Watt) dengan torsi (T) pada kecepatan angin 5 m/s
4.4.4 Grafik hubungan Antara putaran poros kincir (n) dan torsi (T) pada
Tiga variasi berat sudu dengan kecepatan 7 m/s.
Grafik dari data tabel 4.10, 4.11 dan 4.12 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelunya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan Antara
putaran poros kincir (n) dan torsi (T) pada gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai
putaran poros kincir (n) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0.20 kg sebesar
412 rpm pada torsi (T) sebesar 0,24 N.m sedangkan nilai putaran poros kincir (n)
yang dihasilkan pada berat sudu 0,24 sebesar 414 rpm pada torsi (T) sebesar 0,21
68
Grafik 4. 4 Grafik hubungan antara putaran poros kincir (n) dan torsi (T) pada kecepatan angin 7m/s
4.4.5 Grafik hubungan Antara daya mekanis Pout dan torsi (T) pada tiga
variasi
berat sudu dengan kecepatan angin 7 m/s.
Data dari tabel 4.10, 4.11 dan tabel 4.12 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan Antara
daya mekanis (Pout) dan torsi (T). pada gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai
puncak daya mekanis (Pout) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0,20 kg
adalah 25,05 watt pada torsi (T) sebesar 0,79 N.m sedangkan nilai puncak daya
mekanis (Pout) yang dihasilkan dengan variasi berat 0,24 kg adalah 25,80 watt
pada torsi (T) sebesar 0,0,81 N.m dan nilai puncak daya mekanis (Pout) yang
dihasilkan dengan variasi berat 0,33 kg adalah 18,97 watt pada torsi (F) sebesar
0,75 N.m ditunjukkan pada Gambar grafik 4.5. 0
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90
69
Grafik 4. 5 Grafik hubungan antara daya mekanis Pout Watt dan torsi (T) pada
kecepatan angin 7 m/s
4.4.6 Grafik hubungan Antara daya listrik (Watt) dan torsi (T) pada tiga
Variasi berat sudu dengan kecepatan 7 m/s.
Data dari tabel 4.10 4.11 dan tabel 4.12 yang sudah diperoleh pada
perhitungan sebelumnya, dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan
Antara daya listrik (Watt) dan torsi (T) pada gambar 4.6 menunjukkan bahwa nilai
puncak daya listrik (Watt) yang dihasilkan dengan variasi berat sudu 0,20 kg
adalah 18,22 watt pada torsi (T) sebesar 0,79 N.m sedangkan nilai puncak daya
listrik (watt) yang dihasilkan dengan variasi berat 0,24 kg adalah 24,41 watt pada
torsi (T) sebesar 0,81 N.m dan nilai puncak daya listrik (Watt) yang dihasilkan
dengan variasi berat 0,33 kg adalah 16,07 Watt pada torsi (T) sebesar 0,75 N.m.
ditunjukkan pada Gambar grafik 4.6. 0
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
