UNJUK KERJA KINCIR ANGIN TIPE PROPELER DESAIN KELENGKUNGAN SUDU PVC 8 INCHI BERBAHAN KOMPOSIT, LEBAR MAKSIMUM 11 CM PADA POSISI 20 CM DARI PUSAT POROS,
DENGAN TIGA VARIASI JUMLAH SUDU
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Oleh :
ALUSIUS SANDY PRATAMA PUTRA NIM : 145214096
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF WIND TURBINE PROPELLER, PVC BLADE ARCH DESIGN 8 INCHES COMPOSITE, MAXIMUM WIDTH OF 11 CM AT
A DISTANCE 20 CM FROM THE CENTER OF THE SHAFT, WITH THREE VARIATIONS OF PROPELLER
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By
ALUSIUS SANDY PRATAMA PUTRA Student Number : 145214096
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii ABSTRAK
Potensi angin di Indonesia tersedia hampir sepanjang tahun, sehingga memungkinkan untuk dikembangkannya teknologi turbin angin. Turbin angin merupakan salah satu alat yang digunakan dalam pemanfaatan energi, khususnya pemanfaatan energi angin yang sering digunakan sebagai salah satu pembangkit tenaga listrik, karena energi angin adalah salah satu sumber daya alam yang tentunya tidak akan habis. Hal ini diharapkan menjadi salah satu solusi untuk mengurangi penggunaan energi fosil dan juga mengurangi pemanasan global disamping pengembangan sumber energi alternatif atau terbarukan lainnya seperti Biomassa, Geotermal dll.
Kincir angin yang diteliti dalam penelitian ini adalah kincir angin tipe propeler dengan 3 variasi jumlah sudu yaitu 4 sudu, 3 sudu, dan 2 sudu berporos horizontal dengan diameter 1,1 m. Sudu kincir terbuat dari komposit dengan desain kelengkungan sudu PVC 8 inchi. Penelitian ini dilakukan untuk mencari unjuk kerja dan membandingkan ketiga variasi tersebut guna mengetahui pada varian jumlah sudu berapa didapatkan Cp (koefisien daya) terbaik. Penelitian dilakukan dengan
menggunakan fan blower yang diatur pada kecepatan 5 m/s dan 7 m/s. Data yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, putaran kincir dan gaya pembebanan. Dari data tersebut dapat dihitung nilai daya kincir, torsi, koefisien daya dan tip speed ratio untuk model kincir angin yang diteliti.
Hasil penelitian menunjukan bahwa kincir angin dengan variasi 4 sudu pada kecepatan 5 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal sebesar 17,02 % pada tip speed ratio optimal 2,75. Kincir angin dengan variasi 3 sudu pada kecepatan 5 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal sebesar 16,62 % pada tip speed ratio optimal 2,59 dan kincir angin dengan variasi 2 sudu pada kecepatan 5 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal sebesar 14,49 % pada tip speed ratio optimal 3,02. Dengan demikian dapat ditarik kesimpulan bahwa kincir angin tipe propeler, lebar maksimum 11 cm pada posisi 20 cm dari pusat poros dengan variasi 4 sudu menghasilkan unjuk kerja terbaik diantara ketiga variasi.
viii ABSTRACT
Wind potential in Indonesia is available almost all year round, making it possible to developed wind turbine technology. The wind turbine is one of the tools used in the utilization of energy, in particular wind energy utilization which is often used as one of the power plants, because the utilization of wind energy is one of the natural resources which is certainly not will be exhausted. It is expected to be one of the solutions to reduce fossil energy use and also reduce global warming despite the development of alternative or renewable energy sources such as biomass, geothermal, etc.
The windmill that examined in this research is a type of windmill propeller with the number of 3 variations of propeller which are 4 propellers, 3 propellers, and 2 propellers horizontal axis with a diameter of 1.1 m. Windmill propellers made from composite with 8 inch PVC strip mall. This research was conducted to find performance and compare these variations to find out third on variant number of vanes how acquired Cp (power coefficient). Research conducted using the fan blower that is set at a speed of 5 m/s and 7 m/s. The variables taken in this research are wind speed, rotation speed wind-mill and load force. From the variables can be calculated the value of the wind-mill power, torque, power coefficient and tip speed ratio for the model of the wind-mill that researched.
The results of this research show that windmills with 4 variation of propellers at a speed of 5 m/s produces the maximum power coefficient 17,02% at optimal the tip speed ratio of 2,75. Windmill with 3 variations of propellers at a speed of 5 m/s produces the maximum power coefficient 16,62% at optimal tip speed ratio 2,59. Then the windmill with 2 variations of propeller at a speed of 5 m/s produces the maximum power coefficient 14,49% at optimal tip speed ratio 3,02. As a result, the windmill type propeller horizontal axis, a maximum width of 11 cm at position 20 cm from the Center shaft with 4 variation propellers produces the best performance among the third variation.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan
rahmat-Nya sehingga penyusunan Skripsi yang merupakan salah satu syarat untuk
mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan
Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta ini dapat terselesaikan dengan baik
dan lancar.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan skripsi berjudul “Unjuk Kerja Kincir Angin Tipe Propeler, Desain Kelengkungan Sudu PVC 8 inchi, Berbahan Komposit, Lebar Maksimum 11 cm Pada Posisi 20 cm
Dari Pusat Poros, Dengan Variasi Jumlah Sudu” ini melibatkan banyak pihak, oleh sebab itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan
Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
3. Ir Rines, M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik
4. Doddy Purwadianto S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir
5. Seluruh staf dan pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan
berbagai ilmu pengetahuan yang sangat membantu dalam penyusunan skripsi ini
6. Fransiskus Xaverius Sumaryanto dan Theresia Triyati selaku orang tua yang telah
memberikan dukungan dan motivasi kepada penulis, baik secara materi maupun
spiritual
7. Chrissosthomos Missurdiyanto dan Yustinus Ridwan Dedy Putranto selaku rekan
kelompok penulis, yang telah membantu dalam perancangan, perakitan dan
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ... v
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
xii
2.3.2 Torsi ... 16
2.3.3 Daya Kincir ... 16
2.3.4 Koefisien Daya ... 18
2.3.5 Tip Speed Ratio ... 18
2.3.6 Hubungan Koefisien Daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) ... 19
2.4 Komposit ... 20
2.4.1 Klasifikiasi Bahan Komposit ... 21
2.4.2 Bagian Utama Komposit ... 24
3.5 Pembuatan Sudu Kincir Angin ... 47
3.6 Waktu Penelitian ... 50
3.7 Variabel Penelitian Dan Variabel Ukur ... 50
3.8 Parameter Yang Diukur ... 51
3.9 Langkah Penelitian ... 51
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 53
4.1 Data Hasil Penelitian ... 53
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 56
4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 56
4.2.2 Perhitungan Torsi ... 57
xiii
4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya ... 58
4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 59
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 59
4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ... 66
4.4.1 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros Terhadap Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 7 m/s.. ... 66
4.4.2 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros Terhadap Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 5 m/s.. ... 67
4.4.3 Grafik Hubungan Antara Daya Mekanis terhadap Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 7 m/s.. ... 68
4.4.4 Grafik Hubungan Antara Daya Mekanis terhadap Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 5 m/s.. ... 69
4.4.5 Grafik Hubungan Antara Daya Listrik dan Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 7 m/s.. ... 70
4.4.6 Grafik Hubungan Antara Daya Listrik dan Torsi untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 5 m/s.. ... 71
4.4.7 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dan TSR untuk Kincir Angin Bersudu 2, 3, 4 dan Kecepatan Angin 7 m/s.. ... 72
BAB V PENUTUP ... 74
5.1 Kesimpulan ... 74
5.2 Saran ... 75
DAFTAR PUSTAKA ... 76
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kincir angin Savonius ... 11
Gambar 2.2 Kincir angin Darrieus ... 12
Gambar 2.3 Grafik hubungan antara Cp dengan tsr dari berbagai kincir ... 19
Gambar 2.4 Klasifikasi bahan komposit secara umum ... 24
Gmabar 2.5 Serat kaca (fiberglass) ... 27
Gambar 2.6 Resin Poliester ... 30
Gambar 2.7 Resin Phenolic ... 31
Gambar 2.8 Resin Epoksi ... 32
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian kincir angin poros horizontal 2,3,4 sudu berbahan komposit ... 35
Gambar 3.2 Sudu Kincir Angin ... 36
Gambar 3.10 Amperemeter ... 41
Gambar 3.11 Skema pembebanan lampu ... 42
Gambar 3.12 Resin Poliester ... 43
Gambar 3.13 Katalis / Hardener ... 43
Gambar 3.14 Serat kaca (fiberglass) ... 44
Gambar 3.15 Alumunium foil ... 45
Gambar 3.16 Pipa PVC 8 inci ... 45
Gambar 3.17 Kuas Cat ... 46
xv
milimeter ... 47
Gambar 3.19 Skematik dimensi kincir angin ... 47
Gambar 3.19 Skema pengambilan data ... 51
Gambar 4.1 Grafik Hubungan putaran poros dan torsi kincir angin poros horizontal
2, 3, 4 sudu pada kecepatan angin 7 m/s. ... 67
Gambar 4.2 Grafik hubungan putaran poros dan torsi kincir angin poros horizontal
2, 3, 4 sudu pada kecepatan angin 5 m/s. ... 68
Gambar 4.3 Grafik hubungan daya mekanis kincir (Pout) dan torsi kincir angin
poros horizontal 2,3,4 sudu pada kecepatan angin 7 m/s ... 69
Gambar 4.4 Grafik hubungan daya mekanis kincir (Pout) dan torsi kincir angin
poros horizontal 2,3,4 sudu pada kecepatan angin 5 m/s. ... 70
Gambar 4.5 Grafik hubungan daya listrik kincir dan torsi kincir angin poros
horizontal 2,3,4 sudu pada kecepatan angin 7 m/s. ... 71
Gambar 4.6 Grafik hubungan daya listrik kincir dan torsi kincir angin poros
horizontal 2,3,4 sudu pada kecepatan angin 5 m/s. ... 72
Gambar 4.7 Grafik hubungan koefisen daya kincir (Cp) dan tip speed ratio (tsr)
kincir angin poros horizontal 2,3,4 sudu pada kecepatan angin 5 m/s dan
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah ... 6
Tabel 2.2 Potensi angin dengan satuan MW (megawatt) yang terdata dan
dikalkulasi dindonesia ... 8
Tabel 4.1 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
dengan jumlah sudu 4 ... 53
Tabel 4.2 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
dengan jumlah sudu 4 ... 54
Tabel 4.3 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
dengan jumlah sudu 3 ... 54
Tabel 4.4 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
dengan jumlah sudu 3 ... 55
Tabel 4.5 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
dengan jumlah sudu 2 ... 55
Tabel 4.6 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
dengan jumlah sudu 2 ... 56
Tabel 4.7 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
bersudu 4 ... 60
Tabel 4.8 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
bersudu 4 ... 61
Tabel 4.9 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
bersudu 3 ... 62
Tabel 4.10 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
bersudu 3 ... 63
Tabel 4.11 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 7 m/s
bersudu 2 ... 64
Tabel 4.12 Hasil dari pengolahan data dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s
xvii
Laju Aliran Massa Udara (kg/s)
Jarijari kincir
Luas Penampang (m2)
Kecepatan Angin (m/s)
Kecepatan Ujung Sudu (m/s)
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Indonesia yang termasuk dalam negara dengan garis pantai terpanjang
ketiga di dunia hingga data terbaru saat ini mencapai 99.093 kilometer menjadi
salah satu dikembangkannya energi alternatif atau terbarukan yang potensial. Salah
satunya yang cocok untuk dikembangkan yaitu sumber energi yang berasal dari
angin (wind energy). Potensi angin di Indonesia tersedia hampir sepanjang tahun,
sehingga memungkinkan untuk dikembangkanya teknologi kincir angin. Kincir
angin merupakan salah satu alat yang digunakan dalam pemanfaatan energi,
khususnya pemanfaatan energi angin yang sering digunakan sebagai salah satu
pembangkit tenaga listrik, karena pemanfaatan energi angin adalah salah satu
sumber daya alam yang tidak akan habis. Sejak tahun 2010 sampai 2017 pemerintah
Indonesia mencoba mengembangkan sumber energi angin ini di beberapa daerah
seperti Jawa, Nusa Tenggara, Sumatra dan di Sidrap, Sulawesi Selatan. Hal ini
diharapkan menjadi salah satu solusi untuk mengurangi penggunaan energi fosil
dan juga mengurangi pemanasan global disamping pengembangan sumber energi
alternatif atau terbarukan lainnya seperti Biomassa, Geotermal, dll.
Dari data world wind energy association jumlah pembangunan pembangkit listrik tenaga angin mencapai rekor terbanyak tahun 2012 hingga pada
tahun tersebut produksi listrik global mencapai 282 GW sama dengan hasil lebih
dari 500 PLTU. Yogyakarta sebagai salah satu lokasi di Indonesia yang telah
terpasang instalasi kincir angin, menggunakan jenis kincir horizontal 3 sudu NACA
4412 dengan material berasal dari serat fiber buatan pabrikan. Dengan rata-rata
potensi angin diindonesia mencapai 3 m/s hingga 5 m/s
Menurut jenisnya kincir angin terbagi menjadi dua jenis dengan poros
horizontal dan poros vertikal. Peneliti mencoba untuk melakukan beberapa inovasi
pada kincir angin dan diharapkan mendapatkan hasil yang lebih optimum dengan
horizontal 2, 3, 4 sudu dengan modifikasi sudu berjenis propeller menggunakan
material komposit yang berkarakteristik ringan bobotnya, memiliki kekuatan yang
cukup tinggi dan dapat menahan beban yang cukup tinggi pula. Di sini peneliti
menggunakan variasi kecepatan angin, jumlah sudu dan lebar maksimum untuk
mengetahui besar dayanya, tingkat efisiensi hingga kecepatan putar poros.
1.2Rumusan Masalah
Pembuatan Tugas akhir ini menggunakan rumusan :
1. Bagaimana cara membuat bilah kincir angin berbahan komposit hingga
mendapat efisiensi yang cukup optimal untuk pembangkit listrik ?
2. Apakah perlu desain baru untuk pembangkit energi angin, yaitu kincir angin
sumbu horizontal ?
3. Berpengaruhkah posisi Lebar sebuah sudu kincir pada performa kincir tersebut
?
1.3Tujuan Penelitian
Tujuan tugas akhir ini adalah :
1. Merancang dan membuat sudu kincir angin poros horizontal tipe propeler
berdiameter 110 cm berbahan komposit dengan matriks polyester dan serat
kaca.
2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin poros horizontal dengan jumlah 2, 3, 4
sudu.
3. Menentukan Coefisien Performance (Cp) dan tip speed ratio (tsr) terbaik dari
masing – masing variasi jumlah sudu dan kecepatan angin.
1.4Batasan Masalah
Untuk menghindari terlalu banyaknya permasalahan yang muncul, maka penulis
1. Sudu kincir angin menggunakan bahan komposit.
2. Sudu kincir angin menggunakan desain bilah dari potongan pipa pvc 8 inchi.
3. Diameter sudu kincir yang dirancang hanya skala laboratorium yang
berdiameter 110 cm.
4. Dilakukan 2 variasi kecepatan angin yaitu pada kecepatan angin 5 m/s, 7 m/s.
5. Alat ukur yang digunakan adalah anemometer (kecepatan angin), takometer
(putaran poros), volmeter (tegangan), amperemeter (kuat arus)
6. Penelitian dilaksanakan dengan cara meletakan sistem kincir di depan blower
beserta terowongan angin.
7. Penelitian dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata
4 BAB II
DASAR TEORI
2.1Energi Angin
Energi angin merupakan energi yang sangat fleksibel. Lain halnya dengan
energi air, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan dimana-mana, baik di daerah
dataran tinggi maupun di daerah landai, bahkan dapat diterapkan di laut.
Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan
bakar fosil-kecuali energi pasang surut dan panas bumi-berasal dari matahari.
Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke bumi setiap jam. Dengan
kata lain, bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya. Sekitar 1-2 persen dari energi
tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali
lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan
yang ada di muka bumi. Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena
ada perbedaan energi antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar
khatulistiwa yang panas, yaitu pada busur 0°, udaranya menjadi panas,
mengembang dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih
dingin misalnya daerah kutub. Sebaliknya di daerah kutub yang dingin, udaranya
menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran
udara, berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis khatulistiwa menyusuri
permukaan bumi, dan sebaliknya, suatu perpindahan udara dari garis khatulistiwa
kembali ke kutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Udara yang
bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat
digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.
Seperti halnya energi potensial yaitu energi yang dimiliki oleh benda
karena ketinggian/ kedudukan terhadap titik acuan. Energi ini tersembunyi di dalam
benda, tetapi jika diberi kesempatan, energi ini dapat dimanfaatkan. Sebagian
yang berada dalam suatu medan listrik memiliki energi potensial. Elektron-elektron
tersebut bergerak dari titik yang memiliki energi potensial rendah ke titik yang
memiliki energi potensial tinggi. Kaitannya dengan energi potensial angin, ini dapat
disimpulkan sebagai jumlah energi yang dapat dihasilkan oleh arus angin. Energi angin
tersebut diubah menjadi energi kinetik melalui cara-cara seperti seperti turbin angin,
kincir angin, pompa angin, dan layar kapal. Manusia memiliki sejarah panjang
menggunakan energi potensial angin untuk keperluan berbeda-beda: seperti kincir
angin, untuk menggiling gandum, mendorong kapal berlayar di laut dan, baru-baru ini,
untuk menghasilkan listrik.
Salah satu kegunaan dari energi kinetik pada angin adalah untuk menciptakan
energi listrik. Energi angin yang mengenai kincir angin akan menggerakan turbin yang
nantinya akan dikonversikan menjadi energi listrik untuk seluruh daerah di dekatnya.
Namun, pembangkit listrik dengan menggunakan sumber energi angin sangat jarang
digunakan karena proses dalam instalasi awal sangat mahal dan membutuhkan banyak
tenaga manusia untuk membangunnya.
2.1.1 Kondisi Angin
Syarat – syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada tabel berikut. Angin kelas 3 adalah batas minimum dan
angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk
menghasilkan energi listrik. Lebih dari pada kelas 8 adalah angin yang bukan dapat
Tabel 2.1 Tabel tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah. pelan, petunjuk arah angin bergerak
5 5,6 – 7,9 Debu jalan, kertas berterbangan, ranting
(Sumber: Green and Clean Energy for Indonesia).
Kemudian didasarkan pada kecepatan angin rata – rata aktual di suatu lokasi pemanfaatan energi angin dapat dikelompokan sebagai berikut :
2. Kecepatan angin rata – rata 4 m/s untuk pengisi baterai.
3. Kecepatan angin rata – rata 5 m/s untuk interkonesi dengan jaringan listrik umum.
2.2Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk
diubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu memberikan kemudahan berbagai
kegiatan manusia yang memerlukan tenaga yang besar seperti memompa air untuk
mengairi sawah atau menggiling biji-bijian. Kincir angin modern adalah mesin yang
digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin.
2.2.1 Potensi Kincir Angin
Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumber daya energi
angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/detik pada ketinggian 24 meter di atas permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia
termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Hasil
pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) pada 120 lokasi
menunjukkan, beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/s,
masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai
Selatan Jawa. Adapun kecepatan angin 4 m/s hingga 5 m/s tergolong berskala
Tabel 2.2 Potensi angin dengan satuan MW (megawatt) yang terdata dan dikalkulasi
dindonesia
(Sumber : http://setkab.go.id)
2.2.2 Jenis Kincir Angin
Banyak jenis mesin kincir angin yang telah dikembangkan, tetapi secara garis
besar dapat dibedakan menjadi dua tipe, yaitu:
1. Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir Angin Poros Horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)
adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan
arah poros utama dapat memutar 360o agar dapat menyesuaikan dengan
arah angin (biasanya dewasa ini digunakan sensor untuk menangkap arah
angin). Kincir angin poros horisontal ini memiliki jumlah sudu lebih dari
dua atau lebih dan kincir angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya
Ada beberapa jenis HAWT yang sudah umum dikenal dan dikembangkan
di seluruh dunia
a. Kincir Angin Propeler
Kincir angin jenis propeler ini biasanya memilik jumlah 2 sudu atau 3
sudu. Kincir angin ini memeiliki efisensi yanng cukup baik. Pada
umumnya untuk sistem pembangkit listrik tenaga bayu (angin)
digunakan jenis ini karena karakteristiknya yang unggul.
b. Kincir Angin American Multiblade
Kincir angin American Multiblade adalah salah satu jenis kincir angin
yang mempunyai jumlah sudu banyak. Sesuai dengan namanya, kincir
angin jenis ini banyak ditemukan di Amerika Serikat dan biasa
digunakan untuk memompa air, menggiling biji-bijian.
c. Kincir Angin Dutch Four Arm
Kincir angin Dutch Four Arm memiliki jumlah sudu 4 buah. Kincir angin ini biasanya digunakan di Belanda untuk menggerakan pompa
agar dapat mengeringkan lahan dengan cara memompa air tanah keluar
dari lahan yang biasa disebut polder. Sudah berabad-abad kincir jenis ini digunakan di belanda untuk menggiling gandum dan untuk
memompa air demi mengeringkan negerinya yang lebih rendah
daripada laut.
Adapun kelebihan dan kekurangan dari HAWT sendiri, yaitu :
Kelebihan kincir angin sumbu horizontal :
Memiliki konstruksi yang memungkinkan untuk membangun
menara dengan tinggi.
Penempatan turbin angin berada di puncak menara sehingga dapat
menangkap angin berkecepatan tinggi, karena semakin tinggi,
Efisiensi tinggi, bilah-bilah kincir bergerak tegak lurus dengan arah
angin sehingga selalu menerima daya sepanjang putaran.
Relatif memiliki kapasitas daya yang lebih besar.
Kekurangan kincir angin sumbu horizontal :
Konstruksi lebih sulit karena melibatkan komponen yang sangat panjang.
Bagian inti pembangkit (turbin, gearbox, bilah) harus diangkat ke
puncak tower saat pemasangan.
Karena towernya yang tinggi, dapat menyebabkan peningkatan kematian burung akibat terkena bilah.
Membutuhkan sistem pengereman karena turbin akan rusak jika
menerima kecepatan angin yang terlalu tinggi.
Butuh fin atau ekor untuk mengarahkan turbin.
Tidak dapat berputar dengan kecepatan angin yang rendah.
Konstruksi tower harus besar dan kuat agar dapat menopang beban
gearbox dan turbin.
2. Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir Angin Poros Vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
memiliki ciri sumbu putar vertikal terhadap tanah. Kincir angin ini posisi
porosnya tegak lurus dengan arah angin atau kincir jenis ini dapat
mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau
bawah. Kincir jenis ini jarang dipakai untuk kincir komersial. Rotornya
berputar relatif pelan (di bawah 100 rpm), tetapi memiliki momen gaya
yang kuat, sehingga dapat dipakai untuk menggiling biji bijian, pompa air,
tetapi tidak cocok untuk menghasilkan listrik (di atas 1000 rpm cocok untuk
a. Kincir Angin Dorong (Savonius)
Terjadi bila TSR < 1 artinya lebih banyak bagian sudu yang mengalami
gaya dorong, seperti pada mangkuk anemometer. Kincir angin ini
memiliki bentuk yang bervariasi, seperti ember, dayung, layar, tangki.
Rotornya berbentuk S (bila dilihat dari atas). Kecepatan maksimum
sudu yang dihasilkan hampir sama dengan kecepatan angin. Ujung sudu
tidak pernah bergerak lebih cepat dari pada kecepatan angin. kincir jenis
ini memiliki efisiensi daya yang rendah. Kincir angin savonius
ditunjukan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Kincir angin Savonius
(Sumber : http://hi-techsolutions.eu)
b. Kincir Angin Angkat (Darrieus)
Terjadi bila TSR > 1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami
gaya angkat, seperti pada kincir angin Darrieus. Masing-masing sudu
memperlihatkan momen gaya angkat maksimum hanya dua kali setiap
besar dan tinggi, sehingga menimbulkan getaran. Biasanya memakai
dua atau tiga sudu. Kincir angin jenis ini menghasilkan lebih banyak
daya output dan memiliki efisiensi tinggi. Kincir angin Darrieus
ditunjukan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kincir angin Darrieus
(Sumber : https://hamhamtaro.wordpress.com)
Adapun kelebihan dan kekurangan dari VAWT yaitu,
Kelebihan kincir angin sumbu vertikal :
Tidak perlu sensor arah angin karena bisa menerima angin dari
arah mana saja
Tidak perlu menggunakan konstruksi menara yang tinggi
Dapat dibangun di lokasi mana saja
Dapat berputar dengan kecepatan angin yang rendah
Lebih fleksibel untuk dihibridkan dengan pembangkit listrik atau komponen lain
Memiliki efisiensi yang relatif lebih rendah dibanding turbin
angin horizontal axis
Memiliki rugi-rugi karena memiliki sebagian arah putaran yang
melawan arah angin
Rotor terletak di dekat tanah, oleh karena itu tidak bisa
memanfaatkan angin berkecepatan tinggi
2.2.3 Konsep Jumlah Sudu
Jumlah sudu pada rotor kincir angin bervariasi, dan tidak ada tinjauan teoritis
yang benar sebagai konsep terbaik, tetapi lebih ditentukan oleh jenis penggunaannya,
misalnya untuk pembangkit listrik atau pompa air, serta kecepatan angin saat rotor
mulai berputar.
a. Konsep satu sudu, sulit setimbang, membutuhkan angin yang sangat
kencang untuk menghasilkan gaya angkat memutar, dan menghasilkan
noise di ujungnya. Konsep ini telah dikembangkan sukses di Jerman. b. Konsep dua sudu, mudah untuk setimbang, tetapi kesetimbangannya masih
mudah bergeser. Desain sudu harus memiliki kelengkungan yang tajam
untuk dapat menangkap energi angin secara efektif, tetapi pada kecepatan
angin rendah (sekitar 3 m/s) putarannya sulit dimulai.
c. Konsep tiga sudu, lebih setimbang dan kelengkungan blade lebih halus
untuk dapat menangkap energi angin secara efektif. Konsep ini paling
sering dipakai pada kincir angin komersial.
d. Konsep multi sudu (misalnya 12 sudu), justru memiliki efisiensi rendah,
tetapi dapat menghasilkan momen gaya awal yang cukup besar untuk mulai
berputar, cocok untuk kecepatan angin rendah. Memiliki profil sudu yang
tipis, kecil, kelengkungan halus, dan konstruksi yang solid. Konsep ini banyak dijumpai pada kincir angin untuk keperluan memompa air,
angin rendah sehingga menara tidak perlu terlalu tinggi dan air dapat
dipompa secara kontinu.
Konsep dua dan tiga sudu membutuhkan momen gaya awal yang cukup tinggi
untuk mulai proses putaran dan dapat menjadi kendala bila mesin memiliki rasio
transmisi gear lebih dari 1:5 pada kecepatan angin rendah. Pada kincir angin skala besar, diperlukan mesin (diesel) untuk memulai berputar (sebagai motor) sampai rotor
memiliki daya yang cukup untuk mengimbangi beban mekanik dan beban induksi
generator.
2.3Rumus Perhitungan
Rumus – rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan dan analisis data yang didapat selama atau setelah pengujian dilakukan. Dalam penelitian unjuk kerja
kincir angin poros horisontal tipe propeler adalah sebagi berikut:
2.3.1 Daya Angin
Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik. Energi kinetik ialah
energi yang di miliki oleh suatu benda yang bergerak dan dapat dirumuskan sebagai
berikut :
E
k= ½ m v
(1)dengan :
Ek = energi kinetik angin (joule)
Daya merupakan energi persatuan waktu, maka dari persamaan di atas dapat
dituliskan :
P
in= ½ .
ṁ
. v
2 (2)dengan :
Pin : daya yang dihasilkan angin J/s (watt)
ṁ : massa udara yang mengalir persatuan waktu (kg/s) v : kecepatan angin (m/s)
massa udara yang mengalir persatuan waktu dirumuskan :
ṁ
= ρ . A . v
(3)dengan :
ρ : massa jenis udara (kg/m3) A : luas penampang sudu (m2)
Dengan menggunakan persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat dirumuskan
menjadi :
P
in= ½ ( ρ . A . v ) v
2,
Disederhanakan menjadi :
2.3.2 Torsi
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong
pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhaap sumbu poros yang
berputar, dengan persamaan sebagai berikut :
T = F l
(5)dengan :
T : torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (N.m)
F : gaya pembebanan (N)
l : jarak lengan torsi ke poros (m).
2.3.3 Daya Kincir
Daya Kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan oleh kincir sebagai akibat
adanya angin yang melintasi sudu kincir sehingga sudu kincir bergerak melingkar.
Daya yang dihasilkan oleh sudu kincir yang berputar adalah :
P
out Mekanis= T ω
(6)dengan :
T : torsi dinamis (N.m) ω : kecepatan sudut (rad/s)
Untuk menentukan kecepatan sudut (ω), digunakan persamaan :
ω = n
𝒑𝒖𝒕𝒂𝒓𝒂𝒏 𝒎𝒆𝒏𝒊𝒕= n
𝟐 𝝅=
𝝅 𝒏𝟑𝟎
rad/s
Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan
persamaan :
P
out Mekanis= T ω
P
out Mekanis= T
𝝅 𝒏𝟑𝟎
rad/s
(7)Dengan :
Pout : daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt)
n : putaran poros (rpm)
Daya yang dihasilkan (Pout) adalah daya yang dihasilkan oleh generator
sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakan melingkari kincir dapat dirumuskan
sebagai berikut :
P
out Listrik= V . I
(8)Dimana :
V : tegangan Output Generator (volt) I : arus output generator (ampere)
2.3.4 Koefisen Daya
Koefisen Daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh
kincir angin (Pout) dengan daya yang tersedia oleh angin (Pin), Sehingga Cp bisa
Cp =
𝑷𝒐𝒖𝒕𝑷𝒊𝒏 (9)
Dengan :
Cp : Koefisien daya (%)
Pout : daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt).
Pin : daya yang tersedia oleh angin (watt).
2.3.5 Tip Speed Ratio (TSR)
Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan diujung sudu kincir
angin yang berputar dengan kecepatan angin.
Kecepatan diujung sudu (Vt) dapat dirumuskan sebagai berikut :
(Vt) = ω r
(10)Dengan :
Vt : kecepatan ujung sudu ω : kecepatan sudut (rad/s) r : jari – jari kincir (m)
Sehingga TSR-nya dapat dirumuskan sebagai berikut :
tsr =
𝟐 𝝅 𝒓 𝒏𝟔𝟎 𝒗
=
𝝅 𝒏 𝒓𝟑𝟎 𝒗
(11)
tsr : tip speed ratio
n : kecepatan putar poros kincir angin (rpm) r : jari-jari sudu kincir angin (m)
v : kecepatan angin (m/s)
2.3.6 Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr)
Hubungan koefisien daya (Cp ) dengan tip speed ratio (tsr) dari berbagai jenis
kincir anggin adalah 59 %. Menurut Albert Betz, teorinya tersebut dinamakan Betz
limitz dengan grafik sebagai berikut :
Gambar 2.3 Grafik hubungan antara Cp dengan tsr dari berbagai kincir
(Web:jurnal.ftumj.ac.id/index.php/semnastek)
Pada Gambar 2.3 menunjukan hubungan antara rasio perbandingan daya yg
dihasilkan oleh kincir dengan daya yang tersedia oleh angin (Cp), sebagai fungsi dari
tip speed ratio λ atau perbandingan kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin. Dilihat bahwa kincir angin horisontal (three, two bladed
lainnya bahwa kincir angin sumbu vertikal dengan tipe savonius memiliki kofisien
daya yang rendah dibandingkan dengan kincir angin sumbu horisontal.
2.4Komposit
Komposit adalah suatu material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih
material sehingga dihasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan
karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Komposit memiliki sifat
mekanik yang lebih bagus dari logam, kekakuan jenis (modulus young/density) dan
kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk
dengan arah orientasi serat yang berbeda, gabungan lamina ini disebut sebagai laminat.
Komposit dibentuk dari dua jenis material yang berbeda, yaitu:
a. Penguat (reinforcement), yang mempunyai sifat kurang ductile tetapi lebih rigid serta lebih kuat, dalam penguat komposit yang digunakan yaitu dari serat alam.
b. Matriks, umumnya lebih ductile tetapi mempunyai kekuatan dan rigiditas yang
lebih rendah.
Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang
digunakannya, yaitu :
1. Fibrous Composites (Komposit Serat) merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu laminat atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa
serat atau fiber. Fiber yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon fibers,
aramid fibers (poly aramide), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara acak
maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih
kompleks seperti anyaman.
2. Laminated Composites (Komposit Laminat) merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya
3. Particulalate Composites (Komposit Partikel) merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara
merata dalam matriksnya.
Sehingga komposit dapat disimpulkan sebagai dua macam atau lebih material yang
digabungkan atau dikombinasikan dalam sekala makroskopis (dapat terlihat langsung
oleh mata) sehingga menjadi material baru yang lebih berguna. Komposit terdiri dari 2
bagian utama yaitu :
a. Matriks berfungsi untuk perekat atau pengikat dan pelindung filler (pengisi)
dari kerusakan eksternal. Matriks yang umum digunakan : carbon, glass, kevlar,
dll.
b. Filler (pengisi), berfungsi sebagai Penguat dari matriks. Filler yang umum
digunakan : carbon, glass, aramid, kevlar
2.4.1 Klasifikasi Bahan Komposit
Klasifikasi bahan komposit dapat dibentuk dari sifat dan strukturnya. Bahan
komposit dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa jenis. Secara umum klasifikasi
komposit yang sering digunakan antara lain seperti :
1. Klasifikasi menurut kombinasi material utama, seperti metal-organic atau
metal anorganik.
2. Klasifikasi menurut karakteristik bult-from, seperti system matrik atau
laminate.
3. Klasifikasi menurut instribusi unsur pokok, seperti continous dan
dicontinous.
4. Klasifikasi menurut fungsinya, seperti elektrikal atau struktural
(Schwartz,1984)
Sementara itu klasifikasi menurut komposit serat (fiber-matrik composites)
1. Fiber composite (komposit serat) adalah gabungan serat dengan matrik 2. Filled composite adalah gabungan matrik continous skeletal dengan matrik
yang kedua
3. Flake composite adalah gabungan serpih rata dengan metrik 4. Particulate composite adalah gabungan partikel dengan matrik
5. Laminate composite adalah gabungan lapisan atau unsur pokok lamina (Schwartz, 1984 : 16)
Secara umum bahan komposit terdiri dari dua macam, yaitu bahan komposit
partikel (particulate composite) dan bahan komposit serat (fiber composite). Bahan
komposit partikel terdiri dari partikel–partikel yang diikat oleh matrik. Bentuk partikel ini dapat bermacam–macam seperti bulat, kubik, tetragonal atau bahkan berbentuk yang tidak beraturan secara acak sedangkan bahan komposit serat terdiri dari serat – serat yang diikat oleh matrik. Bentuknya ada dua macam yaitu serat panjang dan serat
pendek.
a) Bahan Komposit Partikel
Dalam struktur komposit, bahan komposit partikel tersusun dari partikel– partikel disebut bahan komposit partikel (particulate composite) menurut
definisinya partikel ini berbentuk beberapa macam seperti bulat, kubik,
tetragonal atau bahkan berbentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi
rata–rata berdimensi sama. Bahan komposit partikel umumya digunakan sebagai pengisi dan penguat bahan komposit keramik (ceramic matrik
composites). Bahan komposit partikel pada umumnya lebih lemah dibanding bahan komposit serat. bahan komposit partikel mempunyai
keunggulan, seperti ketahanan terhadap aus, tidak muda retak dan
mempunyai daya pengikat dengan matrik yang baik. Bahan komposit
partikel merupakan jenis dari bahan komposit dimana bahan penguatnya
adalah terdiri dari partikel-partikel. Secara definisi partikel itu sendiri
sementara pada bahan komposit ukuran dari bahan penguat menentukan
kemampuan bahan komposit menahan gaya dari luar, dimana semakin
panjang ukuran serat maka semakin kuat bahan menahan beban dari luar,
begitu juga dengan sebaliknya. Bahan komposit partikel pada umumnya
lemah dan fracture-toughness-nya lebih rendah dibandingkan dengan serat
panjang, namun disisi lain bahan ini mempunyai keunggulan dalam
ketahanan terhadap aus. Pada bahan komposit keramik ( Ceramic Matrik Composite ), partikel ini umumnya digunakan sebagai pengisi dan penguat, sedangkan keramik digunakan sebagai matrik.
b) Bahan Komposit Serat
Unsur utama komposit adalah serat yang mempunyai banyak keunggulan,
oleh karena itu bahan komposit serat yang paling banyak dipakai. Bahan
komposit serat terdiri dari serat–serta yang terikat oleh matrik yang saling berhubungan. Bahan komposit serat ini terdiri dari dua macam, yaitu serat
panjang (continous fiber) dan serat pendek (short fiber dan whisker). Dalam
penelitian ini diambil bahan komposit serat (fiber composite). Penggunaan
bahan komposit serat sangat efisien dalam menerima beban dan gaya.
Karena itu bahan komposit serat sangat kuat dan kaku bila dibebani searah
serat, sebaliknya sangat lemah bila dibebani dalam arah tegak lurus serat.
Komposit serat dalam dunia industri mulai dikembangkan daripada
menggunakan bahan partikel. Bahan komposit serat mempunyai
keunggulan yang utama yaitu strong (kuat), stiff (tangguh), dan lebih tahan
terhadap panas pada saat didalam matrik (Schwartz, 1984). Dalam
penggembangan teknologi pengolahan serat, membuat serat sekarang
semakin diunggulkan dibandingkan material–material yang digunakan. Cara yang digunakan untuk mengkombinasi serat berkekuatan tarik tinggi
dan bermodulus elastisitas tinggi dengan matrik yang bermassa ringan,
dikembangkan guna untuk memperoleh hasil yang maksimal. Komposit
pada umumnya mengunakan bahan plastik yang merupakan material yang
paling sering digunakan sebagai bahan pengikat seratnya selain itu plastik
mudah didapat dan mudah perlakuannya, daripada bahan dari logam yang
membutuhkan bahan sendiri.
Gambar 2.4. Klasifikasi bahan komposit secara umum
Dari Gambar 2.4 menunjukan klasifikasi bahan komposit secara umum dari
material penguatnya
2.4.2 Bagian utama komposit 1. Reinforcement
Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yang
berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit seperti contoh
serat. Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan-potongan
komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Serat dapat
digolongkan menjadi dua jenis yaitu :
a. Serat Alam
Jenis-jenis serat
Jenis-jenis serat yang banyak tersedia untuk menggunakan komposit dan
jumlahnya hampir meningkat. Kekakuan spesifik yang tinggi (kekakuan
dibagi oleh berat jenisya) dan kekuatan spesifik yang tinggi (kekuatan
dibagi oleh berat jenisnya) serat-serat tersebut yang disebut Advanced Composit. Pembahasan yang mendalam dari jenis-jenis serat dan cara-cara pembuatannya dapat ditemukan dalam buku (Chawla 1987).
2. Matriks
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi
volume terbesar (dominan). Matrik mempunyai fungsi sebagai berikut :
Mentransfer tegangan ke serat secara merata.
Melindungi serat dari gesekan mekanik.
Memegang dan mempertahankan serat pada posisinya.
Melindungi dari lingkungan yang merugikan.
Tetap stabil setelah proses manufaktur.
Sifat-sifat matrik (Ellyawan, 2008) : • Sifat mekanis yang baik.
• Kekuatan ikatan yang baik. • Ketangguhan yang baik. • Tahan terhadap temperatur.
Pada umumnya komposit yang dibuat dapat dibagi ke dalam tiga
kelompok utama:
disebut, Polimer Berpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymer) – bahan ini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti glass, karbon dan
aramid (Kevlar) sebagai penguatannya.
b. Komposit Matrik Logam ( Metal Matrix Composites – MMC). 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.
c. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC) 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 nitrida.
2.4.3 Serat
Kaca serat (fiberglass) atau sering diterjemahkan menjadi serat
gelas adalah kaca cair yang ditarik menjadi serat tipis dengan garis tengah sekitar 0,005
mm - 0,01 mm. Serat ini dapat dipintal menjadi benang atau ditenun menjadi kain, yang
kemudian diresapi dengan resin sehingga menjadi bahan yang kuat dan
tahan korosi untuk digunakan sebagai badan mobil dan bangunan kapal. Serat ini juga
digunakan sebagai agen penguat untuk banyak produk plastik; material komposit yang
dihasilkan dikenal sebagai plastik diperkuat-gelas (glass-reinforced plastic, GRP)
atau epoksi diperkuat glass-fiber (GRE), disebut "fiberglass" dalam penggunaan umumnya. Apabila bahan fiberglass dicampurkan atau dilapisi dengan bahan resin
maka akan menjadi bahan yang kuat dan tahan terhadap korosi.fiber glass ditunjukan
Gambar 2.5 Serat kaca (fiberglass)
Fiber Glass merupakan salah satu material komposit yang cocok untuk
renforcing pada pembuatan part-part di bidang industri yang memerlukan ketahanan dan kekuatan. Fiber Glass mempunyai sifat-sifat secara umum sebagai berikut :
a) Kekuatan tarik yang tinggi / High Tensile Strength
b) Tahan terhadap panas dan api / tidak terbakar atau menyokong pembakaran
c) Dan tidak rusak karena :
Bahan kimia
Jamur, bakteri / serangga
Tahan terhadap Moisture
Tidak busuk
Tahan panas
d) Keuntungan yang spesifik :
Kuat
Tidak korosi
Fleksible
Sinar matahari tidak mempengaruhi terhadap warna
Variasi dalam fabrikasi
Bentuk Fiber Glass
Staple Matte : Tersusun dari fiber terpotong-potong / discontinue dan fiber lurus continue. Ukuran panjang discontinue 25mm – 50mm.
Woven Roving :Merupakan tenunan Filamen / benang glass yang
menghasilkan tenunan bentuk kain.
Rovimet : Gabungan antara woven Roving dan Steaple Matte. Antara
anyaman Woven Roving terdapat benang-benang Steple Matte atau dua
permukaan, permukaan Woven Roving dan permukaan Steaple Matte.
Penggunaan Fiber Glass Lebih sering digunakan dalam material Composite karena memiliki sifat-sifat yang baik dan harga lebih murah dari fiber lain.
Glass fiber dibagi menjadi tiga kelas, yaitu E-glass, S-glass dan glass. C-glass ditujukan untuk penggunaan pada aplikasi kelistrikan, S-glass digunakan untuk kekuatan tinggi dan E-glass digunakan untuk ketahanan korosi yang tinggi. Dari ketiga
serat tersebut, E-glass adalah material penguat yang paling umum digunakan dalam struktur sipil.
2.4.4 Resin
Resin merupakan polimer zat organil yang terdiri dari unsur-unsur carbon,
hidrogen dan oksigen yang berbentuk padat atau cair. Ditinjau dari sifatnya resin
berfungsi sebagai bahan pengikat / lem.
Fungsi pokok resin dalam komposit adalah :
a. Memberikan daya ikat antara benang-benang fiber
c. Melindungi fiber dari pengaruh lingkungan seperti daya gesek dan
kelembaban
d. Memberikan kekakuan pada arah tegak lurus fiber.
Pada dasarnya resin dapat digolongkan menjadi 2 golongan besar :
a. Resin Thermosetting
Dalam bentuk padat, termoset membentuk ikatan silang (cross linked) antar
benang-benang polimer dalam bentuk tiga dimensi yang tidak mencair pada
temperatur tinggi. Jenis-jenis termoset yaitu phenol formaldehyde, epoxy,
melamine formaldehyde, urea formaldehyde, Resin Poliester, dan lain-lain.
b. Resin Thermoplastik
Termoplastik merupakan polimer yang memiliki struktur berupa rantai
panjang yang lurus, akan melunak dan mencair jika dipanaskan, dan
mengeras lagi jika didinginkan. Beberapa jenis termoplastik yaitu
polyethylene, polyprophylene, nylon, dan lain-lain.
Secara umum resin dibagi menjadi 3 bagian:
1. Resin Poliester
Resin ini telah dipakai secara meluas dan mudah diperoleh di pasaran secara
umum. Resin ini merupakan resin cair seperti yang ditunjukan di Gambar
2.6 dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar
dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas saat pengesetan,
sehingga tidak perlu diberi tekanan untuk pencetakan. Poliester memiliki
kekuatan mekanik yang cukup bagus, ketahanan terhadap bahan kimia,
selain itu harganya relatif cukup murah. Sifat-sifat resin ini adalah sebagai
berikut :
Isolator Listrik
Flexible
Daya Adhesive baik
Harga relative murah
Gambar 2.6 Resin Poliester
(Sumber : https://tianmagroup.en.made-in-china.com)
2. Resin Phenolic
Sifat mekanik dari resin phenolic ditunjukan pada Gambar 2.7 lebih rendah
dari resin epoksi dan poliester, tetapi resin ini tahan benturan dan panas.
Dari jenis-jenis resin tersebut di atas masih banyak lagi jenis resin lain,
biasanya sudah diproduksi langsung bersatu dengan material fiber glass
Gambar 2.7 Resin Phenolic
(Sumber : https://www.indiamart.com)
3. Resin Epoksi
Resin epoksi merupakan resin yang paling sering digunakan. Resin epoksi
adalah cairan organik dengan berat molekul rendah yang mengandung
gugus epoksida. Epoksida memiliki tiga anggota di cincinnya: satu oksigen
dan dua atom karbon. Reaksi epichlorohydrin dengan phenols atau aromatic amines membuat banyak epoksi. Pengeras (hardener), pelunak (plasticizer), dan pengisi (filler) juga ditambahkan untuk menghasilkan
epoksi dengan berbagai macam sifat viskositas, impact, degradasi, dan
lain-lain (Kaw, 2006).
Meskipun epoksi ini lebih mahal dari matriks polimer lain, namun epoksi
ini adalah matriks dari polimer matrix composite yang paling populer. Lebih
dari dua pertiga dari matriks polimer yang digunakan dalam aplikasi
industri pesawat terbang adalah epoksi. Alasan utama epoksi paling sering
digunakan sebagai matriks polimer yaitu:
2) Viskositas dan tingkat alirannya rendah, yang memungkinkan
membasahi serat dengan baik dan mencegah ketidakberaturan serat
selama pemrosesan.
3) Ketidakstabilan rendah.
4) Tingkat penyusutan rendah yang mengurangi kecenderungan
mendapatkan tegangan geser yang besar ikatan antara epoksi dan
penguatnya.
5) Tersedia lebih dari 20 tingkatan untuk memenuhi sifat spesifik dan
kebutuhan pengolahan.
Resin epoksi pada Gambar 2.8 memiliki karakteristik yang langsung
ditunjukan dalam hubungan antara ciri struktur :
Tahan terhadap panas
Daya adhesive baik
Tahan korosi
Harga relative lebih tinggi dari resin Poliester
Gambar 2.8 Resin Epoksi
2.5Tinjauan Pustaka
Siregar (2018) mengkaji“ unjuk kerja model kincir angin petani garam sumenep dengan tiga variasi jumlah sudu “. Hasil penelitian menunjukan bahwa kincir angin dengan variasi 4 sudu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 20,42 % pada tip
speed ratio optimal 3,3101. Kincir angin dengan variasi 3 sudu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 19,42 % pada tip speed ratio optimal 3,7932 dan kincir angin
dengan variasi 2 sudu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16 % pada tip
speed ratio optimal 4,2557. Dengan demikian dapat ditarik kesimpulan bahwa kincir angin model petani garam di sumenep dengan variasi 4 sudu menghasilkan unjuk kerja
terbaik diantara ketiga variasi.
Yerikho (2016) meneliti“ Unjuk kerja kincir angin poros horisontal 2 sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan lebar maksimal 10 sentimeter dari pusat poros “. Hasil penelitian terhadap kincir angin poros horisontal 2 sudu adalah a) daya terbesar yang dihasilkan dari kincir angin yaitu 23,08 watt pada torsi 0,64 N.m dengan
kecepatan angin 9 m/s. b) Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin 0,7 N.m
pada kecepatan putar kincir 398 rpm terjadi pada kecepatan angin 9 m/s. c) Koefisien
daya tertinggi yang didapatkan 13,02 % pada tsr 3,9 dengan kecepatan angin 7 m/s. d)
tip speed ratio tertinggi yang didapatkan 4,8 pada kecepatan putar kincir 629 rpm terjadi pada kecepatan angin 7m/s.
Wijayanto (2016) mengkaji “ unjuk kerja angin propeller tiga sudu berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal sudu 10 sentimeter dari pusat poros “. Hasil penelitian kincir angin menunjukan bahwa dengan kecepatan angi 7 m/s didapatkan
koefisien daya yang lebih besar daripada ketika kecepatan angin 8 dan 9,5 m/s.
Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6 % pada tsr 3,6 dengan
kecepatan angin 7 m/s. pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar yang dihasilkan
oleh kincir angin yaitu 0,9 N.m dengan kecepatan putar kincir 465 rpm. Pada kecepatan
angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yaitu 44,88 watt
Jiang (2017) meneliti“ unjuk kerja kincir angin poros horisontal empat sudu, berbahan pvc 8 inchi, diameter 1m, lebar maksimal sudu 14 cm berjarak 20 cm dari sumbu poros “. Dari hasil penelitian ini, kincir angin pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s, menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 18,15 % pada tip speed
ratio 2,54 dengan daya output sebesar 46,37 W dan torsi sebesar 1,11 N.m. Kincir angin dengan variasi kecepatan angin 7,2 m/s, menghasilkan koefisien daya mekanis
maksimal sebesar 25,08 % pada tip speed ratio 2,47 dengan daya output sebesar 43,38
W dan torsi sebesar 1,22 N.m. Kincir angin dengan variasi kecepatan angin 6,1 m/s,
menghasilkan koefisien daya output sebesar 23,19 W dan Torsi sebesar 1,17 N.m. Dari
ketiga variasi kecepatan angin yang telah diteliti, dapat disimpulkan bahwa putaran
kincir angin pada variasi kecepatan angin 7,2 m/s memiliki nilai koefisien daya
35 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1Diagram Alir
Langkah kerja dalam penelitian yang penulis laksanakan tersaji dalam diagram
alur di bawah ini.
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian kincir angin poros horizontal 2,3,4 sudu berbahan
3.2Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal 2, 3, 4 sudu diameter 110
cm berbahan komposit dengan lebar maksimum 11 cm dan 20 cm pada posisi pangkal
sudu dari pusat poros, yaitu campuran antara resin poliester dan serat fiberglass sebagai
fasa penyusun kompositnya. Campuran tersebut memiliki perannya masing-masing,
polyester sebagai matriksnya dan serat fiberglass sebagai reinforced.
3.3Alat dan Bahan 3.3.1 Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian tugas akhir dengan bahan komposit ini
antara lain :
1. Sudu kincir angin
Sudu kincir angin yang ditunjukan pada Gambar 3.2 akan menerima sapuan
angin sehingga nantinya berawal dari sudu inilah energi angin diubah
menjadi energi listrik. Sudu kincir angin pada penelitian ini berjumlah 4,
jenis propeler dan terbuat dari bahan komposit yaitu poliester dan serat
fiberglass. Dimensi dari kincir angin yang dipakai yaitu memiliki radius 55
cm, lebar pangkal 11 cm dan lebar ujung sudu 4,5 cm
2. Dudukan sudu (Rotor hub)
Rotor hub yang ditunjukan pada Gambar 3.3 merupakan bagian dari rotor
yang berfungsi menghubungkan sudu-sudu dengan shaft (poros) utama.
Komponen ini juga berfungsi mengatur sudut kemiringan sudu sesuai
keingiinan peneliti. Rotor hub disini berupa piringan aluminium dengan
tebal 4 cm berbentuk persegi 12 dan masing-masing sisi memiliki lubang
baut, sudut kemiringan diatur dengan sambungan L-plat yang
menghubungkan sudu dengan rotor hub
Gambar 3.3 Rotor Hub
3. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin.
Alat ini diletakkan didepan kincir angin. Anemometer ditunjukkan pada
Gambar 3.4 Anemometer
4. Takometer
Takometer (tachometer) adalah alat yang digunakan untuk mengukur
kecepatan putar poros kincir angin. Jenis yang digunakan adalah digital light takometer. Takometer ditunjukkan pada Gambar 3.5.
5. Timbangan Digital
Merupakan alat atau komponen yang berfungsi untuk mengetahui beban
pada generator saat poros kincir berputar. Timbangan digital ditunjukan
pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Timbangan digital
6. Generator
Generator yang ditunjukan pada gambar 3.7 adalah alat untuk mengubah
energi mekanis menjadi energi listrik sehingga melalui generator ini
Gambar 3.7 Generator
7. Fan Blower
Fan Blower adalah alat yang digunakan untuk menciptakan hembusan angin
dengan kecepatan tertentu. Fan Blower yang digunakan selama penelitian
digerakan oleh motor listrik berdaya 11,000 kW dan dihubungkan
menggunakan transmisi sabuk dan puli. Fan Blower ditunjukkan pada
Gambar 3.8.
8. Voltmeter
Voltmeter merupakan komponen yang berfungsi untuk mengetahui dan
mengukur tegangan yang dihasilkan kincir angin tersebut. Ditunjukan pada
Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Voltmeter
9. Amperemeter
Amperemeter merupakan komponen untuk mengetahui dan mengukur
besarnya kuat arus yang dihasilkan oleh kincir angin tersebut. Ditunjukan
pada Gambar 3.10.
10.Pembebanan
Pembebanan yang dilakukan dengan menggunakan lampu bermaksud
untuk mengetahui performa kincir angin. Variasi rang voltase lampu yang
diberikan bermaksud supaya datayang dihasilkan lebih bervariasi. Skema
beban lampu ditunjukan pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 skema pembebanan lampu
3.3.2 Bahan
1. Resin Poliester
Merupakan resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada
suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas saat
pengesetan, sehingga tidak perlu diberi tekananuntuk pencetakan. Poliester
memiliki kekuatan mekani yang cukup bagus, ketahanan terhadap bahan
kimia, selain itu harganya relatif cukup murah. Resin Poliester ditunjukan
Gambar 3.12 Resin Poliester
2. Katalis (Hardener)
Katalis /Hardener adalah suatu zat yang dapat mempercepat atau
memperlambat reaksi. Katalis sengaja ditambahkan dalam jumlah sedikit
ke dalam suatu sistem reaksi untuk mempercepat reaksi. Katalis ditunjukan
pada Gambar 3.13.
3. Fiberglass
Fiberglass yang ditunjukan pada Gambar 3.14 adalah kaca cair yang ditarik
menjadi serat tipis dengan garis sekitar 0,005 mm – 0,01. Serat ini dapat dipintal menjadi benang atau ditenun menjadi kain, yang kemudian
diselimuti dengan resin sehingga menjadi bahan yang kuat dan tahan korosi.
Gambar 3.14 Serat kaca (fiberglass)
4. Alumunium Foil
Alumunium foil adalah bahan berupa lembaran logam alumunium yang
padat dan tipis. Pada penelitian ini, alumunium foil digunakan melapisi pipa
PVC sebelum mendapat sapuan resin poliester. Alumunium foil ditunjukan
Gambar 3.15 Alumunium foil
5. Pipa PVC 8 inchi
Pipa PVC 8 inchi digunakan sebagai pembuat mal cetakan pada saat
pembuatan kincir dengan desain yang diinginkan peneliti. Pipa PVC
ditunjukan pada Gambar 3.16
6. Kuas Cat
Kuas cat dalam penelitian ini digunakan sebagai alat sapuan resin polyester
pada mal cetakan yang sudah terlapisi fiber. Kuas cat ditunjukan pada
Gambar 3.17.
Gambar 3.17 Kuas Cat
3.4Desain Kincir Angin
Desain kincir angin yang peneliti pilih memilik penampang silinder dari potongan
pipa pvc 8 inchi. Posisi paling lebar sebagai penangkap angin berada 11,5 cm diatas
pusat poros. Lebar ujung sudu 4,5 cm. Seperti ditunjukan pada Gambar 3.18 dan
Gambar 3.18 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan milimeter
Gambar 3.19 Skematik dimensi kincir angin
3.5Pembuatan Sudu Kincir Angin
Dalam Proses Pembuatan sudu dilakukan dengan beberapa langkah,
langkah-langkah sebagai berikut :
A. Pembuatan cetakan
Ini cukup penting karena ini dasar dari proses pembuatan sudu kincir angin.
Pembuatan mal dengan kertas akan lebih memudahkan peneliti daripada
langsung membuat langsung pada pipa. Mal yang telah dibuat digunakan
untuk mencetak mal pada pipa wavin 8 inchi.
2) Pemotongan pipa PVC 8 inchi sesuai dengan mal kertas
Pada langkah ini, pipa PVC 8 inchi yang memilik panjang 50 cm dipotong
menjadi 3 bagian. Setelah terpotong menjadi 3 bagian, tempelkan mal dari
kertas pada permukaan luar pipa yang sudah dipotong tandai dengan garis
memakai pensil atau spidol. Usahakan mal yang dibuat lebih besar diameter
dari desain asli sudu agar saat proses finishing hanya tinggal mengurangi
sudu dan tidak mengulang membuat sudu tersebut. Setelah gambaran dari
mal terbuat, potong pipa sesuai gambaran mal tersebut dengan
menggunakan gergaji besi atau gerinda tangan (serkel).
3) Menghaluskan pipa
Amati hasil potongan pipa tersebut apakah sesuai dengan mal yang
diinginkan. Dalam tahap ini apabila potongan tidak sesuai dengan mal maka
potongan pipa harus sedikit dimodifikasi ditambahi atau mungkin jika perlu
harus memotong kembali pipa 8 inchi. Masing-masing model dibuat 2
spesimen agar mempermudah proses pembuatan atau pencetakan sudu
nantinya.
B. Pembuatan sudu kincir angin
1) Pelapisan cetakan pipa
Potongan pipa yang sudah siap harus dilapisi dengan oli atau minyak pada
bagian dalam lengkungan pipa lalu di tutupi dengan menggunakan
alumunium foil. Pelapisan dengan penutupan pipa tersebut berguna untuk
mempermudah dalam proses pelepasan campuran resin yang sudah kering
2) Pencampuran poliester / resin dengan hardener /katalis.
Sebelum langkah selanjutnya, campurkan terlebih dahulu resin dengan
katalis, dengan perbandingan 1kg resin dengan 10 ml katalis (bisa
disesuaikan sendiri). Karena semakin banyak campuran katalis pada adonan
tersebut maka akan semakin cepat mengering dan mengeras campurannya.
Adapun kekurangan campuran katalis yang berlebih membuat cetakan pipa
bisa mengalami pelengkungan dan dapat mempengaruhi proses hasil untuk
cetakan berikutnya.
3) Pembuatan atau pencetakan sudu
Proses pembuatan sudu dengan menggunakan komposit yang terdiri dari
poliester resin, katalis dan fiberglass harus dilakukan dengan cepat, karena
ketika poliester resin sudah tercampur dengan katalis maka adonan tersebut
akan cepat mengering dan mengeras. Pada lapisan ini dibutuhkan 4 lembar
fiberglass dan disetiap lembar fiberglass mendapatkan sapuan/ olesan
adonan poliester resin pada bagian bawah dan atas lembaran fiberglass agar
berat dan kekuatan dari komposit tersebut sesuai dengan desain yang
diharapkan. Adapun langkah-langkah pembuatan sudu dari komposit :
a. Oleskan campuran poliester resin dengan katalis tersebut pada
alumunium foil yang sudah ditempelkan lembaran serat fiberglass pada
atas lengkungan dalam cetakan pipa.
b. Lalu tempelkan kembali serat fiberglass tersebut dan kembali berikan
campuran poliester resin dan katalis, ulang proses tersebut hingga
mencapai 4 lapisan serat fiberglass.
c. Setelah mencapai 4 lapisan serat fiberglass dan tentunya diolesi lagi
dengan campuran resin dengan katalis tadi. Tutup dengan potongan pipa
yang satunya dengan model yang sama dan sudah dilapisi dengan
aluminium foil tentunya dibagian lengkungan pipa luar.
4) Pengeringan dan finishing sudu
Setelah proses pembuatan telah selesai, keringkan sudu dibawah matahari
agar sudupun lebih cepat kering. Jemur kira-kira 2-3 hari. Kemudian
apabila sudu sudah kering, potong dengan gerinda tangan / serkel sesuai
dengan mal pipa sesuai dengan mal pipa pada bagian paling dasar dan
rapikan dengan amplas jika masih kurang sesuai dengan mal pipa.
3.6Waktu Penelitian
Proses pembuatan kincir angin berbahan material komposit ini dilakukan pada
semester ganjil tahun ajaran hingga pergantian semester ganjil ke genap 2017/2018.
Sedangkan pengambilan data, pengolahan hasil, serta pembuatan analisis juga
pembahasan dilakukan pada pertengahan semester genap tahun ajaran 2017/2018.
Pembuatan penelitian dan pengambilan data dilakukan di Laboratorium Konversi
Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3.7Variabel Penelitian dan Variabel Ukur A. Variabel Penelitian
1. Variasi jumlah sudu
2. Variasi kecepatan angin
B. Variabel Ukur
Variable ukur yang dilakukan pada penelitian kincir angin berbahan komposit
ini adalah
1. Kecepatan Angin
2. Kecepatan Putar Poros Kincir Angin
3. Gaya pengimbang
4. Tegangan output Generator
