• Tidak ada hasil yang ditemukan

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, SUDUT SERANG SUDU 20 0, DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Membagikan "UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, SUDUT SERANG SUDU 20 0, DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM"

Copied!
108
0
0

Teks penuh

(1)

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM,

SUDUT SERANG SUDU 200, DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM

SKRIPSI

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

Diajukan oleh : LUKAS DARYADI

NIM : 145214022

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

2018

(2)

ii

THE PERFORMANCE OF COMPOSITE THREE BLADES HORIZONTAL AXIS WINDMILL, DIAMETER 100 CM,

BLADES’ ANGLE OF ATTACK 200, WITH THE MAXIMUM WIDTH

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of The Requirements to Obtain The Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering Study Program

By:

LUKAS DARYADI Student Number : 145214022

DEPARTMENT OFMECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

2018

(3)

iii

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, SUDUT SUDU

SERANG 200, DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM Yang dipersiapkan dan disusun oleh :

NAMA : LUKAS DARYADI NIM : 145214022

Telah dipertahankan di depan dewa penguji Pada tanggal 4 Juli 2018

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Achilleus Hermawan A., M.Eng. ………

Sekertaris : Stefan Mardikus, S.T., M.T. ………

Anggota : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. ………

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik.

Yogyakarta, 4 Juli 2018 Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

(4)

iv

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Marh.Sc., Ph.D.

(5)

v

PERYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR

Dengan ini penulis menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam tugas akhir dengan judul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, SUDUT SUDU

SERANG 200, DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM

Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk menjadi Sarjana Teknik pada program strata-1, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari Tugas Akhir yang sudah dipublikasikan di Perguruan Tinggi manapun. Kecuali bagian informasi yang dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat di : Yogyakarta Pada tanggal : 4 Juli 2018

Penulis

Lukas Daryadi

(6)

vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : LUKAS DARYADI

Nomer Mahasiswa : 145214022

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, SUDUT SUDU

SERANG 200,DENGAN VARIASI LEBAR MAKSIMUM

Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian peryataan ini yang saya buat dengan sebenarnya .

Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal 4 Juli 2018 Yang menyatakan

Lukas Daryadi

(7)

vii

INTISARI

Kebutuhan manusia akan pasokan energi listrik semakin tahun semakin meningkat dan manusia masih tergantung dengan energi konvensional untuk menghasilkan listrik. Namun ketersedian bahan bakar di alam semakin tahun semakin habis, maka setiap negara berusaha mencari sumber energi terbarukan untuk menghasilkan listrik. Salah satu energi terbarukan yang saat ini mulai dikembangkan adalah energi angin. Namun pemanfaatan energi angin untuk dijadikan energi alternatif penghasil listrik memiliki berbagi kendala. Salah satunya kecepatan angin yang tidak merata di setiap daerah.

Penelitian ini membahas tentang “Kincir Angin Poros Horisontal Tiga Sudu Berbahan Komposit Dengan Diameter 100 Cm, Sudut Serang Sudu 200 Dengan Variasi Lebar Maksimun.” Sudu dibuat dari campuran resin dan serat fiber, dengan lebar sudu 8 cm, 9 cm, dan 10 cm. Penelitian menggunakan kecepatan angin 6,3 m/s, dan 8,2 m/s yang diatur dengan blower. Variabel penelitian yang diambil meliputi kecepatan angin, putaran kincir angin, gaya pengimbang, tegangan, dan arus.

Dari hasil penelitian ini, sudu dengan lebar 9 cm dan mengunakan pengujian angin 6,3 m/s memiliki koefisien daya mekanis paling tinggi yaitu 0,26 pada tip speed ratio (tsr) optimal 4,10. Pada kecepatan angin 8,2 m/s dengan sudu maksimal 10 cm diperoleh nilai torsi tertinggi yaitu sebesar 0,93 N.m dan juga diperoleh daya listrik tertinggi sebesar 42,48 Watt. Sedangkan, pada kecepatan yang sama yang mengunakan lebar sudu 9 cm diperoleh daya mekanis tertinggi sebesar 43,52 Watt dan tsr 3,45. Pada kecepatan angin 6,3 m/s dengan sudu maksimal 10 cm dan 9 cm diperoleh nilai torsi tertinggi sebesar 0,72 N.m. Daya listrik tertinggi diperoleh dengan lebar sudu maksimal 10 cm sebesar 24,32 Watt.

Sedangkan, daya mekanis tertinggi diperoleh dengan lebar sudu maksimal 9 cm sebesar 30,08 Watt dan tsr sebesar 4,10.

Kata kunci: kincir angin poros horisontal, koefisien daya, tip speed ratio

(8)

viii

ABSTRACT

The needs of electrical energy is increasing every year and people are still dependent on the conventional energy to generate electricity. Unfortunately, the availability of fuels in the world is limited, therefore every country is trying to find some sources of renewable energy to generate electricity. One of the renewable energy that is being developed currently is the wind energy. However, the use of the wind energy to be an alternative energy generating electricity has several constraints. One of them is the uneven wind velocity in every region.

This research is about “The Performance of Composite Three Blades Horizontal Axis Windmill, Diameter 100 cm, Blades’ Angle of Attact 200, with The Maximum Width.” The blade is made of resin mixture and fiber with a width of 8 cm, 9 cm, and 10 cm. This research uses the wind velocity variations of 6,3 m/s, and 8,2 m/s set by a blower. The variables of this research are wind velocity, windmill rotation, balancing force, Voltage, and current.

The results of this research shows that the blade with the width of 9 cm wind velocity of 6,3 m/s has the highest mechanical power coefficient which is 0,26 at the optimum speed ratio of 4.10. The experiment of the wind velocity of 8,2 m/s with a maximum blade width of 10 cm finds the highest torque, i.e. 0.93 Nm and also gets highest electrical power, i.e. 42,48 Watt. Whereas, the same wind velocity using blade width of 9 cm is found the highest mechanical power, i.e. 43.52 Watt and tsr 3.45. The experiment of the wind velocity of 6,3 m/s with a maximum width of 10 cm and 9 cm finds the highest torque, i.e. 0.72 Nm. The highest electrical power is obtained with a maximum width of 10 cm, i.e. 24.32 Watt. Whereas, the highest mechanical is obtained with a maximum blade width of 9 cm, i.e. 30.08 Watt and tsr of 4.10.

Keywords : the horizontal axis windmill, power coefficient, tip speed ratio

(9)

ix

KATA PENGANTAR

Penulis mengucap puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih serta anugerah-Nya yang telah memberi kesempatan bagi penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir dengan judul “Unjuk Kerja Kincir Angin Poros Horisontal Tiga Sudu Berbahan Komposit, Diameter 100 cm, Sudut Sudu Serang 200,Dengan Variasi Lebar Maksimum.”

Laporan tugas akhir merupakan salah satu persyaratan bagi para mahasiswa/mahasiswi untuk dapat menyelesaikan jenjang pendidikan S1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Laporan tugas akhir ini membahas mengenai perancangan, pembuatan kincir angin sumbu horisontal dan unjuk kerja kincir angin terhadap variasi kecepatan angin.

Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada:

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Marh.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.

3. Doddy Purwadianto, S.T. M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

4. Stefan Mardikus, ST.M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

5. Seluruh dosen program studi Teknik Mesin yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.

6. Seluruh staf Fakultas Sains dan Teknologi atas kerja sama dan dukungan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir.

(10)

x

7. Almatius Paiman dan Atalia Murtiyati sebagai orang tua dari penulis, serta Veronika Andriyati sebagai saudara dari penulis yang selalu berdoa, mendukung secara material dan lain-lain kepada penulis.

8. Sahabat dan rekan–rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2014 khususnya, yang telah memberi saran, kritik, dan dukungan kepada penulis dalam penyelesaian laporan tugas akhir.

9. Semua pihak yang tidak mungkin disebut satu persatu yang telah berperan serta membantu penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki pada pembuatan laporan tugas akhir. Untuk itu, penulis mengharapkan saran dan kritikan yang membangun untuk menyempurnakan laporan tugas akhir. Penulis mengharapkan semoga laporan tugas akhir ini berguna dan bermanfaat untuk dapat memberikan sumbangan ilmu pengetahuan bagi para mahasiswa khususnya, serta bagi para pembaca pada umumnya.

Yogyakarta, Mei 2018

Penulis

(11)

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... iii

HALAMAN PENGESAHAN... iv

PERYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi

INTISARI ... vii

ABSTRACT ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR TABEL ... xvi

DAFTAR SIMBOL... xvii

BAB I PENDAHULUAN ... i

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 4

1.4 Batasan Masalah ... 4

1.5 Manfaat Penelitian ... 5

BAB II TEORI DASAR ... 6

2.1 Energi Angin ... 6

2.2 Jenis – jenis Angin ... 7

2.2.1. Angin Laut ... 7

2.2.2. Angin Darat ... 8

2.2.3. Angin Gunung ... 9

2.2.4. Angin Lembah ... 9

2.3 Kincir Angin ... 10

2.3.1. Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 11

2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 12

2.4 Komposit ... 13

2.4.1. Klasifikasi Bahan Komposit ... 14

(12)

xii

2.4.2. Tipe Komposit Serat ... 16

2.4.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Komposit ... 18

2.4.4. Kelebihan Komposit ... 21

2.4.5. Kekurangan Komposit ... 21

2.5 Serat ... 22

2.5.1. Serat Alami ... 24

2.5.2. Serat Buatan ... 25

2.5.3. Serat Kaca ... 26

2.6 Polimer ... 28

2.6.1. Resin Polyester... 29

2.6.2. Kelebihan dan Kekurangan Resin ... 31

2.7 Faktor – faktor yang Mempengaruhi Kincir Angin ... 31

2.8 Tinjauan Pustaka ... 34

BAB III METODE PENELITIAN ... 37

3.1 Diagram Penelitian... 37

3.2 Objek Penelitian ... 38

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ... 38

3.4 Bahan dan Alat ... 38

3.4.1 Alat Penelitian ... 38

3.5 Desain Sudu Kincir Angin ... 43

3.6 Pembuatan Sudu Kincir Angin ... 44

3.7 Langkah Penelitian... 49

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 51

4.1 Data Hasil Pengujian... 51

4.2 Pengolahan Data Perhituaan ... 51

4.2.1. Perhitungan Daya Angin ... 58

4.2.2. Perhitungan Torsi ... 59

4.2.3. Perhitungan Daya Mekanis ... 59

4.2.4. Perhitungan Daya Listrik ... 60

4.2.5. Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) ... 61

4.2.6. Perhitungan Koefisien Daya (Cp) Mekanis ... 62

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 63

4.4 Data Hasil Perhitungan ... 63

4.5 Pembahasan Grafik ... 70

4.5.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi ... 70

4.5.2 Grafik Daya Mekanis Terhaap Torsi ... 72

(13)

xiii

4.5.3 Grafik Hubungan antara Daya Listrik Terhadap Torsi ... 73

4.5.4 Grafik Cp Mekanis Terhadap tsr ... 75

4.5.5 Gabungan Grafik Hubungan Cp Mekanis Dengan tsr ... 77

BAB V PENUTUP ... 78

5.1 Kesimpulan ... 78

5.2 Saran ... 789

DAFTAR PUSTAKA ... 80

LAMPIRAN... 80

(14)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Grafik kapasitas kincir angin yang terpasang di seluruh duni hingga

tahun 2015 menurut world wind energi association dalam MW ... 2

Gambar 2.1 Proses terjadinya angin laut. ... 8

Gambar 2.2 Proses terjadinya angin darat ... 9

Gambar 2.3 Proses terjadinya angin gunung dan angin lembah ... 10

Gambar 2.4 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 12

Gambar 2.5 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 13

Gambar 2.6 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya. ... 15

Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan matriknya. ... 16

Gambar 2.8 Tipe discontinous fibre. (Gibson, 1994). ... 17

Gambar 2.9 Tipe Komposit Serat (Gibson, 1994). ... 18

Gambar 2.10 Jenis-jenis serat buatan. ... 23

Gambar 2.11 Jenis-jenis serat alami. ... 24

Gambar 2.12 Jenis-jenis serat buatan. ... 27

Gambar 2.13 Hubungan antara koefisien daya (𝐶𝑝) dengan tip speed ratio (tsr) dari berbagai jenis kincir angin. ... 34

Gambar 3.1 Diagram alur penelitian. ... 37

Gambar 3.2 Sudu kincir angin dengan lebar maksimal 8cm, 9cm, 10cm. ... 38

Gambar 3.3 Dudukan Sudu kincir angin. ... 39

Gambar 3.4 Fan Blower. ... 40

Gambar 3.5 tachometer untuk mengukur putaran poros. ... 40

Gambar 3.6 Timbangan Digital. ... 41

Gambar 3.7 Anemometer. ... 41

Gambar 3.8 Voltmeter ... 42

Gambar 3.9 Amperemeter ... 42

Gambar 3.10 Pembebanan lampu. ... 43

Gambar 3.11 Desain sudu kincir angin dengan satuan milimeter. ... 43

Gambar 3.12 Cetakan papan kayu bagian atas ... 44

Gambar 3.13 Cetakan papan kayu bagian bawah ... 45

Gambar 3.14 Pelapisan cetakan papan kayu. ... 46

Gambar 3.15 Resin dan Katalis. ... 46

Gambar 3.16 sekema pengambilan data. ... 50

(15)

xv

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara kecepatan putar poros dan torsi unjuk kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan

diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 8,2 m/s. ... 71 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara kecepatan putar poros dan torsi unjuk kerja

kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan

diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 6,3 m/s. ... 71 Gambar 4.3 Grafik daya mekanis terhaap torsi unjuk kerja kincir angin poros

horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 8,2 m/s. ... 72 Gambar 4.4 Grafik daya mekanis terhaap torsi unjuk kerja kincir angin poros

horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 6,3 m/s. ... 73 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya listrik terhadap torsi unjuk kerja

kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan

diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 8,2 m/s. ... 74 Gambar 4.6 Grafik hubungan antara daya listrik terhadap torsi unjuk kerja

kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan

diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 6,3 m/s. ... 74 Gambar 4.7 Grafik Cp Mekanis terhadap TSR unjuk kerja kincir angin poros

horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 8,2 m/s. ... 76 Gambar 4.8 Grafik Cp terhadap tsr unjuk kerja kincir angin poros horisontal

sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 6,3 m/s. ... 76 Gambar 4.9 Grafik hubungan Cp Mekanis dengan tsr unjuk kerja kincir angin

poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 kecepatan angin 8,2 m/s dan 6,3 m/s. ... 77

(16)

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin. ... 6

Tabel 2.2 Sifat-sifat serat. ... 28

Tabel 2.3 Karakteristik serat. ... 28

Tabel 2.4 kekuatan resin thermoset ... 30

Tabel 4.1 Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 8cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 52

Tabel 4.2Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 8cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 53

Tabel 4.3 Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 9cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 54

Tabel 4.4Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 9cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 55

Tabel 4.5Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 10cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 56

Tabel 4.6Data pengujian kerja kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm, sudu serang 200 dengan lebar maksimum 10cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 57

Tabel 4.7Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 8 cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 64

Tabel 4.8 Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 9 cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 65

Tabel4.9 Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 10cm, dengan kecepatan angin 8,2 m/s. ... 66

Tabel 4.10 Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 8cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 67

Tabel4.11 Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 9cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 68

Tabel4.12 Data hasil perhitungan kincir angin dengan lebar maksimum 10cm, dengan kecepatan angin 6,3 m/s. ... 69

(17)

xvii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

𝜌 Massa jenis (kg/m3)

r Jari-jari kincir (m)

A Luas penampang (m2)

𝑣 Kecepatan angin (m/s)

𝜔 Kecepatan sudut (rad/s)

n Kecepatan putar poros (rpm)

F Gaya pembebanan (N)

T Torsi (Nm)

𝑃𝑖𝑛 Daya angin (Watt)

𝑃𝑙𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘 Daya listrik (Watt)

𝑃𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑠 Daya kincir (Watt)

𝑇𝑆𝑅 Tip Speed Ratio

𝐶𝑝 Koefisien daya (%)

𝐶𝑝 𝑚𝑎𝑥 Koefisien daya maksimal (%)

m massa (kg)

𝐸𝑘 Energi kinetik (J/s)

V Tegangan (Volt)

I Arus (Ampere)

𝑡 Waktu (s)

Laju aliran massa udara (kg/s)

𝑉𝑡 Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)

L Panjang lengan torsi (m)

(18)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan manusia akan pasokan energi listrik semakin tahun semakin meningkat dan manusia masih bergantung pada energi konvensional untuk menghasilkan energi listrik. Bahan bakar fosil, batuan, gas alam masih menjadi sumber utama pembangkit listrik. Namun, ketersedian bahan bakar konvensional semakin lama semakin habis karena ketersedian yang sedikit dan kebutuhan yang terus meningkat, maka setiap negara berusaha mengembangkan energi terbarukan untuk menggantikan energi konvensional penghasil energi listrik.

Salah satu energi terbarukan yang mulai dikembangkan saat ini adalah energi angin. Energi angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan dan ketersediaanya melimpah di alam. Oleh karena itu energi angin mempunyai potensi untuk dikembangkan dan prospek perkembanganya yang bagus karena pasokan energinya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan di dalam kebutuhan industri maupun rumah tangga, salah satunya sebagi sumber pasokan listrik.

Total kapasitas energi angin yang telah diinstal mencapai 435 GW, Pengamatan mendapati bahwa pertumbuhan rata-rata penginstalannya berkisar 17,2%

lebih tinggi dibanding tahun 2014 (16,4%). Seperti terlihat di Tabel 1.1, hal ini terlihat

(19)

jelas bahwa energi angin merupakan energi terbarukan yang layak untuk diterapkan secara masal. Di Indonesia, penginstalan energi angin masih rendah yaitu sekitar 1.6 MW yang sudah terinstal, diikuti dengan beberapa proyek yang baru selesai 735 kW di Nusa Penida-Bali dan 540 kW di Sulawesi (Soeripno Martosaputro, 2013).

Gambar 1.1 Grafik kapasitas kincir angin yang terpasang di seluruh dunia hingga tahun 2015 menurut world wind energi association dalam MW

(sumber : www.wwindea.org)

Dilihat dari letak geografisnya, Indonesia juga mempunyai potensi untuk menerapkan penginstalan energi angin sebagai pemecahan masalah energi di waktu mendatang. Hal ini menunjukkan bahwa masih banyak daerah di Indonesia yang memiliki potensi untuk mengembangkan teknologi turbin angin sehingga dibutuhkan suatu kincir yang mampu mengolahnya menjadi energi listrik secara efisien.

(20)

Kincir angin dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan sumbu putarnya yaitu kincir angin sumbu vertikal dan kincir angin sumbu horizontal. Pada penelitian ini, kincir angin yang digunakan untuk pengujian adalah kincir angin sumbu horizontal dengan sedikit memodifikasi pada lebar maksimum penampang sudunya yang dibuat menggunakan komposit paduan antara serat dan resin sebagai sudu. Untuk mendapatkan hasil yang efisien, kita mendesain ulang kincir angin poros horisontal sudu berbahan komposit dengan diameter 100 cm. Sudu terbuat dari campuran resin dan serat fiber. Sudut serang sudu 200 dibuat dengan variasi lebar maksimun dan kecepatan angin. Penelitian ini menggunakan variasi lebar maksimum sudu, dengan lebar sudu 8 cm, 9 cm, dan 10 cm yang akan menimbulkan perbedan kecepatan putaran poros kincir angin dengan variasi kecepatan angin 6,3 m/s, dan 8,2 m/syang diatur dari blower. Masing-masing kincir dengan lebar sudu yang berbeda-beda akan diambil datanya kemudian dibandingkan dan diketahui kincir dengan efisiensi paling baik di antara variasi yang sudah diterapkan dan sudah diuji unjuk kerjanya.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian ini. Beberapa masalah tersebut yaitu:

1. Perlunya model kincir angin yang dapat mengonversikan energi angin menjadi energi mekanik dengan unjuk kerja yang maksimal pada kecepatan angin yang rendah dan tinggi.

(21)

2. Pengaruh penggunaan penambahan lebar penampang maksimum pada sudu dengan kincir angin poros horizontal.

3. Penggunaan bahan komposit dalam pembuatan sudu.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Membuat model kincir angin poros horizontal tiga sudu, diameter 1 meter berbahan komposit, sudut serang sudu 200.

2. Mengetahui koefisien daya tertinggi dari variasi kecepatan angin dan lebar sudu maksimal.

3. Mengetahui unjuk kerja kincir angin: torsi, daya mekanis, daya listrik, dengan sudut serang sudu 200, dengan variasi lebar maksimum dan kecepatan angin.

1.4 Batasan Masalah

Untuk menghindari terlalu banyaknya permasalahan yang muncul, maka penulis memberikan batasan – batasan masalah yang sesuai dengan judul penelitian ini.

Adapun batasan masalah tersebut yaitu:

1. Kincir angin yang digunakan adalah kincir angin model poros horizontal dengan 3 sudu berbahan komposit, sudut serang sudu 200, diameter kincir angin 100 cm, lebar sudu maksimum adalah 8 cm, 9 cm, dan 10 cm.

2. Pengujian kincir angin dilakukan dengan kecepatan angin 6,3 m/s dan 8,2 m/s.

3. Pengujian kincir angin mengunakan pembebanan lampu.

(22)

4. Beberapa alat yang digunakan diantaranya sebagai berikut: fan blower dengan kekuatan 15 Hp, anemometer, tachometer, timbangan digital, Voltmeter, amperemeter.

5. Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat pembuatan kincir angin adalah:

1. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi bagi masyarakat luas khususnya para mahasiswa yang mempelajari tentang rekayasa tenaga angin.

2. Menambah pengetahuan pembuatan sudu kincir angin berbahan komposit bagi mahasiswa.

3. Menambah kepustakaan di bidang energi terbarukan.

(23)

6

BAB II TEORI DASAR

2.1 Energi Angin

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin.

Tingkat Kecepatan Angin 10 meter diatas Permukaan Tanah Kelas

Angin

Kecepatan angin (m/d)

Kondisi Alam di Daratan

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-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin bergerak.

5 5.5 – 7.9 Debu dijalan, 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 berombak kecil.

8 13.9 – 17.1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa ditelinga.

9 17.2 – 20.7 Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin.

10 20.9 – 24.4 Dapat mematahkanranting pohon, rumah rubuh.

11 24.5 – 28.4 Dapat merubuhkan pohon, dapat menimbulkan kerusakan.

12 28.5 – 32.5 Dapat menimbulkan kerusakan parah.

13 32.6 – 42.3 Tornado

(Sumber :www.kincirangin.info/).

(24)

Angin adalah suatu gerakan udara yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah (Surya Bagaskara, dkk,2010). Angi menjadi pengerak pompa air dan generator. Angin terbentuk karena perbedan suhu atau temperature antara udara panas dan udara dingin (Sunarwo dan Bambang Sumiyarso,2011). Pembangit listrik tenaga angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan sebuah alat yang disebut kincir angin atau turbin angin. Caranya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin atau kincir angin dan diteruskan pada rotor pada generator dibagian belakang kincir angin, sehingga akan menghasilkan listrik yang biasanya akan disimpan kedalam sebuah baterai terlebih dahulu sebelum di manfaatkan.

Syarat- syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada Tabel 2.1.

2.2 Jenis – jenis Angin 2.2.1. Angin Laut

Angin laut adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di sepanjang tepian danau dan di sepanjang garis – garis pantai diseluruh dunia. Angin ini bergerak dari laut atau danau menuju daratan. Hal ini dikarenakan udara di atas daratan mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan udara di permukaan laut atau danau, sehingga tekanan di atas daratan lebih rendah dibandingkan dengan permukaan laut atau danau.

Selama udara hangat di atas daratan bergerak naik keatas, udara yang lebih dingin dari permukaan laut yang bertekanan lebih tinggi akan berhembus ke daratan yang

(25)

tekanannya lebih rendah dan hembusan angin tersebut dikenal sebagai angin laut.

Siklus terjadinya angin laut dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Proses terjadinya angin laut.

(Sumber : www.cuacajateng.com)

2.2.2. Angin Darat

Angin darat adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di tepian danau dan di sepanjang garis pantai di seluruh dunia. Hal ini terjadi karena udara di atas daratan mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan udara di atas permukaan laut atau danau, sehingga tekanan udara di atas permukaan laut atau danau lebih rendah dibandingkan di atas daratan. Udara yang lebih dingin dan bertekanan lebih tinggi akan berhembus dari daratan ke perairan di malam hari dan inilah yang menyebabkan munculnya angin darat. Siklus terjadinya angin darat dapat dilihat pada Gambar 2.2.

(26)

Gambar 2.2 Proses terjadinya angin darat (Sumber : www.cuacajateng.com)

2.2.3. Angin Gunung

Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan pegunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah. Hal ini terjadi karena udara di atas gunung mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan diatas permukaan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan lembah lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara diatas gunung. Siklus terjadinya angin gunung dapat dilihat pada Gambar 2.3.

2.2.4. Angin Lembah

Angin lembah adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan pegunungan di seluruh dunia. Angin ini berhembus dari lembah menuju gunung. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pemanasan lebih cepat

(27)

dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan gunung lebih rendah dibandingakan diatas permukaan lembah. Gambar 2.3 menggambarkan angin lembah

Gambar 2.3 Proses terjadinya angin gunung dan angin lembah (Sumber : www.sapakabar.blogspot.co.id)

2.3 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mengonversikan energi angin menjadi energi mekanis. Tidak diketahui secara pasti kapan dan siapa yang pertama kali memanfaatkan tenaga angin dengan kincir angin, namun beberapa catatan sejarah mengungkap bahwa teknologi tua kincir angin telah dimanfaatkan oleh peradaban bangsa - bangsa besar. Bangsa Babilonia (abad 17 SM) yang terkenal dengan rajanya Hammurabi memiliki rancangan irigasi yang memanfaatkan tenaga angin. Bangsa Yunani pada abad ke-1 melalui ilmuannya 'Heron' telah menemukan kincir angin yang menggerakkan roda bermesin. Hal yang sama pula telah ada di Cina sejak abad ke-4 (www.bangongo.blogspot.co.id)

Pada jaman sekarang ini kincir angin sudah dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik. Kincir angin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik disebut dengan

(28)

turbin angin (wind turbine). Turbin angin mampu mengubah energi angin menjadi energi mekanik dengan memanfaatkan putaran kincir untuk memutar generator sehingga akan dihasilkan energi listrik. Berdasarkan arah porosnya, secara umum kincir angin dibagi menjadi dua jenis yaitu kincir angin sumbu horizontal dan kincir angin sumbu vertikal.

2.3.1. Kincir Angin Sumbu Horizontal

Kincir angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang mempunyai poros yang sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah datangnya angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360°

terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Terdapat beberapa jenis kincir angin poros horizontal di antaranya ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Kelebihan kincir angin sumbu horizontal adalah:

1. Menara penyangga yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar.

2. Efisiensi lebih tinggi, karena sudu selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin, menerima daya sepanjang putaran.

3. Dapat dibuat dengan kemampuan pitch control untuk sudu – sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan bila terkena badai.

Kelemahan kincir angin sumbu horizontal adalah :

1. Dibutuhkan konstruksi menara penyangga yang kuat untuk menopang beban sudu, gear box dan generator.

(29)

2. Komponen - komponen dari kincir angin seperti pada poin pertama, harus diangkat ke posisinya pada saat pemasangan.

3. Membutuhkan yaw control sebagai mekanisme untuk mengarahkan sudu ke arah angin.

4. Kincir angin sulit dioperasikan dekat dengan permukaan tanah karena adanya angin turbulen.

Gambar 2.4 Kincir Angin Sumbu Horizontal (Sumber : mit.ilearning.me)

2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal

Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus dengan tanah atau arah datangnya angin.

Terdapat beberapa jenis kincir angin sumbu vertikal diantaranya ditunjukan pada Gambar 2.5.

(30)

Kelebihan kincir angin sumbu vertikal adalah :

1. Kincir angin ini mudah dirawat karena letaknya yang dekat dengan permukaan tanah.

2. Memiliki kecepatan pengawalan angin yang rendah dibandingkan dengan kincir sumbu horizontal.

3. Kincir angin ini dapat menerima hembusan angin dari segala arah.

4. Tidak memerlukan menara yang tinggi sehingga lebih murah dan lebih kuat.

Kelemahan kincir angin sumbu vertikal adalah :

1. Memiliki kecepatan putaran kincir angin yang rendah, karena letaknya dekat dengan tanah.

2. Karena pada umumnya dipasang dekat dengan permukaan tanah maka kualitas angin yang diterima kurang baik sehingga kincir angin mudah rusak.

Gambar 2.5 Kincir Angin Sumbu Vertikal ( Sumber : //benergi.com)

2.4 Komposit

Komposit adalah penggabungan dua atau lebih material yang berbeda sebagai suatu kombinasi yang menyatu dan mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang

(31)

berbeda dari bahan material pembentuknya. Bahan komposit pada umumnya terdiri dari dua unsur, yaitu :

a. Filler (pengisi)

Filler mempunyai fungsi sebagai pengisi, filler digunakan untuk menahan gaya yang bekerja pada komposit dan juga berfungsi untuk menentukan karakteristik dari komposit seperti kekakuan, kekuatan, serta sifat mekanik lainnya.

b. Matrik

Matrik berfungsi untuk melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik terhadap gaya-gaya yang terjadi. Oleh karena itu, untuk bahan filler sebaiknya menggunakan bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan untuk bahan matrik sebaiknya menggunakan bahan-bahan yang liat dan tahan terhadap perlakuan kimia.

2.4.1. Klasifikasi Bahan Komposit

Klasifikasi komposit berdasarkan penguat yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 2.6.

a. Fibrous Composites (Komposit Serat)

Komposit ini merupakan komposit yang terdiri dari satu lapisan atau dua lapisan yang menggunakan penguat berupa serat (fiber). Serat yang digunakan bisa berupa glass fiber, carbon fiber, dan aramid fiber. Serat ini bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu, bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih komplek seperti anyaman.

b. Laminated Composites (Komposit Laminat)

(32)

Komposit ini merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisannya memiliki karakteristiknya sendiri.

c. Particulate Composite (Komposit Partikel)

Komposit ini merupakan komposit yang menggunakan partikel atau serbuk sebagai bahan penguatnya dan terdistribusikan secara merata dalam matriknya.

Gambar 2.6 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya.

(Sumber: www.google.co.id)

Berdasarkan matriks yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, seprti ditunjukan pada Gambar 2.7.

a. Polymer Matrik Composites (komposit matrik polimer)

Komposit jenis ini adalah komposit yang sering digunakan. Komposit jenis ini menggunakan suatu polimer berbahan resin sebagai matriknya. Kelebihan dari komposit jenis ini adalah mudah untuk dibentuk mengikuti profil yang digunakan, memiliki kekuatan yang baik, dan lebih ringan dibandingkan jenis komposit yang lainnya.

(33)

b. Metal Matrik Composites (Komposit Matrik Logam)

Komposit jenis ini adalah jenis komposit yang menggunakan suatu logam seperti alumunium sebagai matriknya. Kelebihan dari jenis komposit model ini adalah tahan terhadap suhu tinggi, memiliki kekuatan tekan dan geser yang baik, dan tidak menyerap kelembaban udara.

c. Ceramic Matrik Composites (Komposit Matriks keramik)

Komposit jenis ini merupakan komposit yang menggunakan bahan keramik sebagai bahan matriknya. Kelebihan dari jenis ini adalah memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik, tahan terhadap korosi serta tahan terhadap suhu yang tinggi.

Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan matriknya.

(Sumber : www.google.co.id).

2.4.2. Tipe Komposit Serat

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu:

1. Continuous Fibre Composite

Tipe ini mempunyai susunan serat panjang dan lurus serta membentuk lamina di antara matriknya. Tipe ini mempunyai kelemahan pemisahan antara lapisan.

(34)

2. Woven Fibre Composite (bi-directional)

Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya mengikat antar lapisan. Susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan melemah.

3. Discontinous Fibre Composite

Discontinous Fibre Composite adalah tipe komposit dengan serat pendek, tipe ini dibedakan lagi menjadi 3, ditunjukan di Tabel 2.8.

a. Aligned discontinous fibre

b. Off-axis aligned discontinous fibre c. Randomly oriented dicontinous fibre

a) aligned b) off-axis c) randomly

Gambar 2.8 Tipe discontinous fibre. (Gibson, 1994).

4. Hybrid Fibre Composite

Hybrid Fibre Composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak seperti keterangan di gambar 2.9. Tipe ini digunakan supaya dapat menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.

(35)

Continous Fibre Composit Woven Fibre Composite

Randomly Oriented Discontinous Fibre Hybrid Fibre Composite Gambar 2.9 Tipe Komposit Serat (Gibson, 1994).

2.4.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Komposit 1. Faktor Serat

Serat adalah bahan pengisi matrik yang digunakan untuk dapat memperbaiki sifat dan struktur matrik yang tidak dimilikinya, juga diharapkan mampu menjadi bahan penguat matrik pada komposit untuk menahan gaya yang terjadi.

2. Letak Serat

a. One dimensional reinforcement, mempunyai kekuatan pada arah axis serat.

b. Two dimensional reinforcement (planer), mempunyai kekuatan pada arah atau pada masing-masing arah orientasi serat.

(36)

c. Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic yang kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya. Pada pencampuran dan arah serat mempunyai beberapa keunggulan, jika orientasi serat semakin acak (random) maka sifat mekanik pada 1 arahnya akan melemah, bila arah tiap serat menyebar maka kekuatannya juga akan menyebar kesegala arah maka kekuatan akan meningkat.

3. Panjang Serat

Panjang serat dalam pembuatan komposit serat pada matrik sangat berpengaruh terhadap kekuatan. Ada dua pengunaan serat dalam campuran komposit yaitu serat pendek dan serat panjang. Serat panjang lebih kuat dibandingkan serat pendek.

Serat alami dibandingkan serat sintetis mempunyai panjang dan diameter yang tidak seragam pada setiap jenisnya. Oleh karena itu, panjang dan diameter sangat bepengaruh pada kekuatan maupun modulus komposit. Ditinjau dari teorinya, serat panjang dapat mengalirkan beban maupun tegangan dari titik tegangan ke arah serat yang lain. Pada struktur continous fiber yang ideal, serat akan bebas tegangan atau mempunyai tegangan yang sama. Selama fabrikasi, beberapa serat akan menerima tegangan yang tinggi dan yang lain mungkin tidak terkena tegangan sehingga keadaan di atas tidak dapat tercapai.

4. Bentuk Serat

Bentuk serat yang digunakan untuk pembuatan komposit tidak begitu mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Pada umumnya, semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang lebih tinggi. Selain bentuknya kandungan seratnya juga mempengaruhi.

(37)

5. Faktor Matrik

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 terhadap cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi pertimbangan dalam pemilihan material matrik. Bahan yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada dua macam, yaitu thermoplastik dan termoset.

Macam-macam jenis dari thermoplstik dan termoset yaitu : 1) Thermoplastik

a. Polyamide (PI) b. Polysulfone (PS)

c. Poluetheretherketone (PEEK) d. Polyhenylene Sulfide (PPS) e. Polypropylene (PP)

2) Termoset a. Epoksi b. Polyester

(38)

c. Phenolic d. Plenol e. Resin Amino 6. Katalis

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.

2.4.4. Kelebihan Komposit

Menurut Malau (2010) dalam jurnal Karakterisasi Sifat Mekanis dan Fisis Komposit E-Glass dan Resin Eternal 2504 Dengan Variasi Kandungan Serat, Temperatur dan Lama Curing dijelaskan bahwa kelebihan-kelebihan menggunakan bahan komposit yaitu:

1. Komposit dapat dirancang dengan kekakuan dan kekuatan yang tinggi.

2. Komposit dapat terhindar dari korosi,

3. Komposit memiliki mampu redam yang baik, 4. Komposit lebih ringan dan kuat.

2.4.5. Kekurangan Komposit

Disamping itu, Malau (2010) menjelaskan beberapa kekuranngan dari komposit yaitu :

(39)

1. Komposit bersifat anisotropik yang memiliki sifat berbeda antara satu lokasi / orientasi dengan lokasi / orientasi lainnya,

2. Komposit tidak aman terhadap serangan zat-zat tertentu, 3. Komposit relatif mahal,

4. Komposit memerlukan pembuatan yang relatif lama.

Komposit dari bahan serat (fibrous composite) terus diteliti dan dikembangkan guna menjadi bahan alternatif pengganti bahan logam, hal ini disebabkan sifat dari komposit serat yang kuat dan mempunyai berat yang lebih ringa dibandingkan logam. (Hendriwan Fahmi, dkk., 2011)

2.5 Serat

Serat adalah suatu jenis bahan yang berupa potongan-potongan komponen yang berbentuk seperti jaringan yang memanjang yang utuh. Serat ini dibagi menjadi dua kategori, yakni serat alam dan serat buatan. Serat alam menurut Jumaeri (1997:5) yaitu

“serat yang langsung diperoleh di alam”. Sedangkan serat buatan menurut Jumaeri, (1979:35), yaitu “serat yang molekulnya disusun secara sengaja oleh manusia. Sifat- sifat umum dari serat buatan, yakni kuat dan tahan terhadap gesekan”. Klasifikasi serat dapat dilihat pada Gambar 2.10.

(40)

Gambar 2.10 Jenis-jenis serat buatan.

(Sumber: www.teknologitekstil.com )

(41)

2.5.1. Serat Alami

Serat alami meliputi serat yang diproduksi oleh tumbuh-tumbuhan, hewan, dan proses giologis. Serat jenis ini memiliki sifat yang dapat lapuk atau dapat mengalami pelapukan. Serat alami dapat digolongkan ke dalam beberapa jenis:

Gambar 2.11 Jenis-jenis serat alami.

(Sumber: www.teknologitekstil.com/).

(42)

1. Serat tumbuhan/ serat pangan, biasanya tersusun atas selulosa, hemiselulosa dan kadang-kadang mengandung pula lignin. Contoh dari serat jenis ini yaitu, katun dan kain rami. Saat tumbuhan digunakan sebagai bahan pembuat kertas dan tekstil serta serat tumbuhan itu juga penting bagi nutrisi bagi manusia.

2. Serat kayu pada umumnya didapat dari tumbuhan yang memiliki batang yang besar dan tumbuhan yang berkayu.

3. Serat hewan, umumnya serat ini tersusun atas protein tertentu. Contoh serat hewan yang digunakan oleh manusia adalah serat ulat (sutra) dan bulu domba (woll).

4. Serat mineral, pada umumnya serat ini dibuat dari asbetos. Saat ini asbestos adalah satu-satunya mineral yang secara alami terdapat dalam bentuk serat yang panjang.

Jenis – jenis serat alami dapat dilihat pada Gambar 2.11.

2.5.2. Serat Buatan

Serat buatan atau serat sintesis umumnya berasal dari bahan petrokimia.

Namun, ada pula serat sintetis yang dibuat dari selulosa alami seperti rayon. Serat sintetis dapat diproduksi secara murah dalam jumlah yang besar. Serat buatan terbentuk dari polimer-polimer yang berasal dari alam maupun polimer-polimer buatan yang dibuat dengan cara kepolimeran senyawa-senyawa kimia. Semua proses pembuatan serat dilakukan dengan menyemprotkan polimer yang berbentuk cairan melalui lubang- lubang kecil (spinneret).

Serat buatan mempunyai sifat-sifat umum antara lain:

1. Sangat kuat dan tahan gesekan,

2. Dalam keadaan kering atau basah kekuatannya tetap sama kecuali asetat,

(43)

3. Sulit mengisap air karena memberi rasa lembab,

4. Tahan alkali, tahan ngengat, jamur, serangga, dan lain-lain, 5. Peka terhadap panas.

2.5.3. Serat Kaca

Serat kaca atau yang biasa disebut fiberglass 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. Serat kaca adalah bahan yang paling sering digunakan sebagai bahan penguat. Sebagai bahan baku penguat, pada umumnya dipakai gelas-non alkali (gelas jenis E). Serat gelas ini memiliki kekuatan tarik yang tinggi, kira-kira 1000 kali lebih kuat dari kawat baja (90 kgf/mm2).

Selanjutnya massa jenisnya kira-kira 2,5 lebih rendah dibandingkan dengan baja 7,9 sedangkan modulus elastiknya agak rendah.

Serat gelas terbagi menjadi 3 jenis yaitu serat E-glass, serat C-glass dan serat S- glass. Sifat - sifat serat gelas dapat dilihat pada Tabel 2.2 sedangkan Tabel 2.3 berisi karakteristik mekanik komposit dari beberapa serat.

(44)

Gambar 2.12 Jenis-jenis serat buatan.

(Sumber: www.teknologitekstil.com)

(45)

Tabel 2.2 Sifat-sifat serat.

(Sumber: Daniel Andri Purwanto (2009))

Tabel 2.3 Karakteristik serat.

Serat Kekuatan

Tarik

Perpanjangan Patah

Massa Jenis

Modulus Young

Modulus Jenis (GN/m2) (%) (g/cm3) (GN/M2) (MJ/Kg) Karbon (Dasar Rayon

Viskus) 2 0,6 1,66 350 210

Karbon* (Dasar PAN) 1,8 0,5 1,99 400 200

Gelas (Jenis E) 3,2 2,3 2,54 75 30

Baja 3,5 2 7,8 200 26

Kevlar 3,2 6,5 1,44 57 40

Nilon 66 0,9 14 1,14 7 6

Poliester 1,1 9 1,38 15 11

( Sumber : Tata surdia (2005))

2.6 Polimer

Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunkan biasa disebut polimer penguat serat (FRP-Fibre Reinforced Polymers of Plastic). Klasifkasi jenis-jenis polimer berdasarkan ketahanan terhadap perlakuan panas antara lain sebagai berikut:

a. Polimer Thermosplastic

Polimer thermoplastic adalah polimer yang dapat digunakan berulang kali dengan menggunakan bantuan panas, karena polimer jenis ini tidak tahan terhadap perlakuan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan

(46)

menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic akan meleleh pada suhu panas tertentu dan mengeras seiring perubahan suhu serta mempunyai sifat dapat kembali ke sifat aslinya yaitu kembali mengeras apabila didinginkan.

Contoh polimer thermoplastic sebagai berikut:

1. Poliestilena (PE) antara lain botol plastik, mainan, ember, drum, pipa saluran, kantong plastik dan jas hujan.

2. Polivinilklorida (PVC) antara lain pipa air, pipa kabel listrik, kulit sintetis, ubin plastik, dan botol detergen.

3. Polipropena (PP) antar lain karung, tali, bak air, kursi plastik dan pembungkus tekstil.

4. Polistirena antar lain penggaris dan gantungan baju (hanger).

b. Polimer thermosetting

Polimer thermosetting adalah polimer yang mempunyai sifat tahan terhadap panas. Jika polimer ini dipanaskan tidak akan meleleh sehigga tidak dapat dibentuk ulang kembali. Susunan polimer jenis ini bersifat permanen.

Pemanasan dengan suhu tinggi tidak akan melunakan polimer thermoseting melainkan membentuk arang dan terurai karena sifat-sifat yang demikian maka thermoset sering digunakan sebagai penutup ketel. Contoh dari thermoset yaitu fitting lampu listrik, steker listrik, dan asbak.

2.6.1. Resin Polyester

Resin Polyester merupakan jenis resin termoset atau lebih populernya sering disebut polyester. Resin ini berupa cairan dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas

(47)

sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya. (Hendriwan Fahmi, et all., 2011). Tabel 2.4 menunjukan kekuatan resin thermoset.

Tabel 2.4 Kekuatan resin thermoset

Resin Thermoset

Kekuatan Tarik (kgf/mm2)

Perpan- jangan (%)

Modulus Elastik (kgf/mm2

X 102)

Kekuatan Tekan (kgf/mm2)

Kekuatan Lentur (kgf/mm2)

Resin Fenol (Bakelit) :

Tanpa pengisi 4,9 - 5,6 1,0 - 1,5 5,2 – 7 7,0 - 21 8,4 - 10,5 Dengan bubuk kayu 4,5 – 7 0,4 - 0,5 5,6 – 12 15,4 - 25,2 5,9 - 8,4 Dengan asbes 3,8 - 5,2 0,18 - 0,5 7,0 – 21 14 - 24 5,6 - 9,8 Dengan serat glass 3,6 – 7 0,2 23,1 12 - 24,0 7,0 – 42 Resin Melamin :

Dengan pengisi --- --- --- --- ---

Dengan selulosa 4,9 - 9,1 0,6 - 1,0 8,4 - 9,8 17,5 - 30,1 7 - 11,2 Resin Urea :

Dengan selulosa 4,2 - 9,1 0,4 - 1,0 7 - 10,5 17,5 - 31 7 - 11,2 Resin Poliester :

Dengan pengisi

(coran kaku) 4,2 - 9,1 < 5 2,1 - 4,2 9,1 - 25 5,9 - 16,1 Dengan serat glass 17,5 - 2,1 0,5 - 5,0 5,6 - 14 10,5 - 21 7,0 – 28 Dengan serat sintetik 3,1 4,2 --- --- 14 - 21 7,0 - 8,4 Resin Epoksi :

Dengan pengisi (coran)

2,8 - 9,1 3,0 - 6,0 2,4 10,5 - 17,5 9,3 - 14,7

Dengan serat glass 9,8 - 2,1 4 2,1 21 - 26 14 – 21

Resin Silikon :

Dengan serat glass 2,8 - 3,5 --- --- 7,0 - 10,5 7 - 9,8

(Sumber : Tata surdia (2005))

Resin polyester terbagi menjadi beberapa jenis antara lain:

(48)

1. Polyester (Orthophtalic)

Merupakan salah satu tipe resin yang memiliki daya tahan yang baik terhadap proses korosi air laut dan reaksi kimia.

2. Polyester (Isophtalic)

Sifat resin ini memiliki daya tahan yang baik terhadap panas dan larutan asam, memiliki kekerasan yang lebih tinggi, serta kemampuan menahan resapan air (abesion) yang lebih baik bila dibandingkan dengan resin tipe Orthophtalic.

2.6.2. Kelebihan dan Kekurangan Resin

Jenis polimer yang sering dipakai adalah resin polyester yang memiliki kelebihan: ringan, mudah dibentuk, tahan korosi dan murah. Tetapi polyester juga memiliki kekurangan karena sifat dasarnya kaku dan rapuh sehingga sifat mekaniknya lemah terutama ketahanan terhadap uji impact.

2.7 Faktor – faktor yang Mempengaruhi Kincir Angin

Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi unjuk kerja kincir angin:

1. Energi Kinetik

Energi angin adalah energi yang terkandung dalam massa udara yang bergerak.

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat gerakanya.

Pergerakan benda tersebut yang dapat dirumuskan : 𝐸𝑘 = 1

2 𝑚. 𝑣2 (1)

dengan m adalah massa udara (kg), dengan v adalah kecepatan angin (m/s).

(49)

2. Daya Angin

Daya angin adalah daya yang tersedia oleh angin dimana daya ini berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya dan dapat dirumuskan sebagai berikut

𝑃𝑖𝑛= 1

2 𝜌. 𝐴. 𝑣3 (2)

dengan Pin adalah daya yang tersedia pada angin (Watt), A adalah lebar penampang sudu (m2), ρ adalah massa jenis udara (kg/m3), v adalah kecepatan angin (m/s).

3. Torsi

Torsi (T) adalah hasil perkalian besarnya gaya pembebanan dengan panjang lengan torsinya sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝑇 = 𝐹. ℓ (3)

dengan T adalah torsi (N.m), F adalah gaya pembebanan (N), ℓ adalah panjang lengan torsi (m).

4. Daya Kincir

Daya kincir adalah daya yang dihasilkan oleh knicir sebagai akibat adanya angin yang menghantam sudu kincir sehingga sudu kincir bergerak melingkar.

Daya yang dihasilkan oleh sudu kincir yang berputar adalah:

Dengan 𝑃0𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan kincir (Watt), T adalah torsi (N.m), n adalah putaran poros kincir (rpm).

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 (2. 𝜋. 𝑛

60) (4)

(50)

5. Koefisien Daya

Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin dengan daya yang tersedia oleh angin. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh ilmuwan jerman yang bernama Albert Betz, didapatkan efisiensi maksimum turbin angin sebesar 59,3% angka tersebut disebut Betz Limit.

Sehingga bisa dirumuskan sebagai berikut : 𝐶𝑝 = 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛

(5)

dengan 𝐶𝑝 adalah koefisien daya, 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Watt), 𝑃𝑖𝑛 adalah daya yang tersedia oleh angin (Watt).

6. Tip Speed Ratio

Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan di ujung sudu kincir angin dengan kecepatan anginnya sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝑣𝑡= 𝜔. 𝑟 Keterangan vt = kecepatan ujung sudu

𝑇𝑆𝑅 = 2 π r n

60 v

(6)

dengan tsr adalah tip speed ratio, n adalah kecepatan putar poros kincir angin (rpm), 𝜔 adalah kecepatan sudut sudu kincir angin (rad/s), 𝑅 adalah jari-jari kincir (m), dan v adalah kecepatan angin (m/s).

(51)

Gambar 2.13 Hubungan antara koefisien daya (𝐶𝑝) dengan tip speed ratio (tsr) dari berbagai jenis kincir angin.

(Sumber : www.mcensustainableenergi.pbworks.com).

Menurut ilmuwan asal Jerman, Albert Betz, efisiensi atau koefisien daya maksimal sebuah kincir angin adalah sebsar 59 %. Teorinya tersebut kemudian dinamakan dengan Betz limit yang grafiknya dapat dilihat pada Gambar 2.13

2.8 Tinjauan Pustaka

Menurut Kurniawan (2016), “Turbin angin berbahan komposit dengan lebar maksimun sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros”. Mengunakan variasi kecepatan angin 7,3 m/s, 8,3 m/s dan 9,4 m/s dengan mengunakan blower. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi 7,3 m/s turbin angin dapat bekerja secara optimal jika dibandingkan dengan variabel lainnya. Hal tersebut dapat dilihat dari

(52)

koefisien daya maksimum yang dapat dicapai turbin angin propeller ini untuk variasi kecepatan angin rata- rata 7,3 m/s adalah sebesar 43 % pada tipspeed ratio sebesar 3,8.

Daya keluaran berupa daya listrik yang dihaslikan generator turbin angin untuk variasi kecepatan angin rata-rata 7,3 m/s adalah sebesar 52,8 Watt pada torsi sebesar 1,4 Nm, untuk variasi kecepatan angin rata-rata 8,3m/s adalah 63,7 Watt pada torsi sebesar 1,5 Nm, dan untuk variasi kecepatan angin rata-rata 9,4 m/s adalah 61,2 Watt pada torsi sebesar 1,5 Nm.

Menurut Anggeriyantopo (2015) “Unjuk Kerja Kincir Angin Model American Multi-Blade Sembilan Sudu Dengan Tiga Variasi Pitch Angle”, Menyimpulkan bahwa Unjuk kerja optimal yang dapat dicapai model kincir angin dengan pitch angle 100 memliliki koefisien daya maksimal 4,2 % pada tip speed ratio optimal 0,86. Model kincir angin dengan pitch angle 200 memliliki koefisien daya maksimal 11,5 % pada tip speed ratio optimal 1,09. Variasi pitch angle 300 memliliki koefisien daya maksimal 14,5 % pada tip speed ratio optimal 1,03.

Menurut Widi (2015) “Unjuk Kerja Kincir Angin Propeler Tiga Sudu Datar Dengan Lebar 11.5 cm Dari Bahan Triplek Serta Variasi Lapisan Permukaan Alumunium Dan Anyaman Bambu”, menyimpulkan bahwa Model kincir angin dengan sudu kincir tanpa lapisan menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,38 %, pada tip speed ratio optimal 2,19. Model kincir angin dengan lapisan permukaan plat aluminium bagian depan sudu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,05

%, pada tip speed ratio optimal 2,40. Model kincir angin dengan lapisan permukaan plat aluminium bagian depan dan belakang menghasilkan koefisien daya maksimal

(53)

sebesar 13,52%, pada tip speed ratio optimal 2,57. Model kincir angin dengan lapisan permukaan plat aluminium bagian belakang dan anyaman bambu bagian depan sudu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 9,39 %, pada tip speed ratio optimal sebesar 2,16.

(54)

37

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Penelitian

Langkah kerja penelitian ini ditunjukan di Gambar 3.1 sebagai berikut:

Gambar 3.1 Diagram alur penelitian.

Proses dimulai

Pembelian alat dan bahan yang digunakan untuk pembuatan kincir angin

Perancangan desain kincir angin

Pembuatan sudu bahan komposit

Uji coba sudu

Menentukan variabel penelitian

Penngambilan data

Hasil penelitian, perhitungan, pengolahan data dan pembahasan

Kesimpulan dan saran

Selesai

(55)

3.2 Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah kincir angin horizontal berbahan komposit dengan sudut serang 200 dengan variasi lebar maksimum dan kecepatan angin.

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian

Pembuatan kincir angin dilakukan pada bulan Desember 2017 sampai Januari 2018 dan pengambilan data dilakukan pada bulan Februari 2018 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

3.4 Bahan dan Alat

3.4.1 Alat Penelitian

Model kincir angin propeler dengan bahan komposit, kincir dibuat dengan diameter 1 meter.

1. Sudu kincir angin

Gambar 3.2 Sudu kincir angin dengan lebar maksimal 8cm, 9cm, 10cm.

(56)

Ukuran sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu berputar. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.2.

2. Dudukan sudu

Dudukan sudu yang merupakan bagian komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Dudukan sudu ini memiliki dua belas lubang untuk pemasangan sudu, untuk mengatur sudu 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 kincir angin.

3. Fan blower

Fan blower berfungsi untuk menghisap udara dan menghembuskannya ke arah kincir angin. Fan blower dengan kekuatan 15 Hp. Gambar 3.4 menunjukkan bentuk dari fan blower.

(57)

Gambar 3.4 Fan Blower.

4. Tachometer

Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengatur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (revolutions per minute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup sederhana, kita hanya menekan tombol utama dan mengarahkan cahaya merah ke arah yang sudah ditentukan. Gambar 3.5 menunjukan tachometer.

Gambar 3.5 tachometer untuk mengukur putaran poros.

(58)

5. Timbangan Digital

Timbangan digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat kincir angin berputar. Gambar 3.6 menunjukkan bentuk dari timbangan digital yang digunakan dalam penelitian. Timbangan digital ini diletakkan pada bagian lengan generator.

Gambar 3.6 Timbangan Digital.

6. Anemometer.

Anemometer berfungsi unutk mengukur kecepatan angin dari fan blower.

Anemometer diletakkan diantara fan blower dan kincir. Gambar 3.7 menunjukkan bentuk dari anemometer.

Gambar 3.7 Anemometer.

Referensi

Garis besar

Dokumen terkait

Banyak dari para buruh yang merupakan pelarian dari Penang maupun Singapura yang ingin bekerja di perkebunan di Sumatera Timur, karena dijanjikan dengan upah dan masa depan

Tabulasi Pengaruh Pemberian Labu Siam Terhadap Perubahan Tekanan Darah Ibu Hamil Hipertensi di Wilayah Kerja Puskesmas Wonorejo Kecamatan Ngadiluwih kabupaten Kediri

Setelah dilakukan uji t-test terhadap sampel penderita partus prematurus imminens yang berhasil tokolitik dan penderita partus prematurus imminens yang gagal tokolitik menunjukkan

Berdasarkan hasil pene- litian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa seba- gian besar ibu nifas adalah multipara yaitu sebanyak 18 responden (60%), akan tetapi

Dengan diterapkanya manajemen pendidikan kecakapan hidup vokasional ( life skill vocational ) agar pesantren Baitul Hidayah Bandung mampu memberikan bekal dasar dan

Berdasarkan Tabel 6, dengan nilai signifikansi 0,001 &lt; 0,05 ditambah dengan nilai F hitung (111,526) yang jauh lebih besar dari F tabel (2,71), maka dapat

Suami yang berpengetahuan baik dan aktif, hal ini menunjukan hal yang positif karena suami sangat menyayangi istrinya sehingga dapat memberikan perhatian dan kasih sayang

8 Sedangkan untuk analisis hubungan faktor risiko terhadap luaran perinatal didapatkan hasil terdapat hubungan antara usia ibu terhadap kematian perinatal, jumlah paritas