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.
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 64,75 watts at the speed of turn 713 rpm in wind speed 10,3 m / s.
i
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
ii
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
vii 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.
viii
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.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan
berkah-Nya, 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
x
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
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vii
1.3. Tujuan Penelitian ... 2
1.4. Batasan Masalah ... 3
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
xii
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
xiii
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 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
xiv
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
xv
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
xvi
xvii
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
xviii
n Kecepatan putar poros (rpm)
F Gaya pembebanan (N)
Ek Energi kinetic (joule)
� Volume (m3)
V Tegangan (volt)
I Arus (ampere)
� Waktu (s)
ṁ Laju aliran massa udara (kg/s)
1 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
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
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
4
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.
(Sumber : hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. diakses Mei 2016) 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
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 2.1. Angin Laut Gambar 2.2. Angin Darat (Sumber :www.Artikelsiana.com) (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
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
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-dan-macam-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
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-macam-angin.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
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.
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-angin-40416657)
Berikut ini adalah kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Vertikal
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.
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 � A v³ (2)
dimana :
Pin : daya yang disediakan oleh angin (watt). � : massa jenis udara (kg/m³).
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:
= � �
60 (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 = F l (4)
dimana :
T : Torsi (N.m)
F : gaya pembebanan (N).
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 =� � ���
� �
ω =� �
60rad/s
ω =
π 0rad/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 (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 :
�� = PPi % (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.
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
Gambar 2.10. Jenis – Jenis Komposit
(Sumber: http://pengertian-pengertian info.blogspot.co.id/2016/02/pengertian-dan-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
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
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.
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
satu-satunya 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
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 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-mekanika-bahan-komposit.html)
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
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
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
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
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
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.
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
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
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).
33
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.
Gambar 3.1. Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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 3.18. 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
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
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
48
BAB IV
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Hasil Pengujian
Tabel 4.1. Data Empat Sudu dengan Variasi Kecepatan Angin10,3 m/s.
Tabel 4.3. Data Empat Sudu dengan Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s.
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:
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 �l T= 2,45� 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 � ω
Pout = 0,66 �� .
Pout = 0,66 �� .8
Pout = 56,38 watt
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 = 2 � � �60 �
tsr = � , � , � 8
� ,
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
sub bab 4.2.3 sebesar 56,38 watt, maka koefisien daya dapat dihitung:
Cp = �
��
Cp = , 8� 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
