i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER BERSUDU TIGA BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER 100 CM, LEBAR SUDU MAKSIMUM 13 CM PADA JARAK 12.5 CM DARI PUSAT POROS,
DENGAN VARIASI LEBAR SIRIP
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan oleh :
PIUS SETIAWAN CANDRA NIM :125214082
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2016
ii
THE PERFORMANCE OF THREE BLADE PROPELLER WIND TURBINE MADE FROM COMPOSITE, DIAMETER OF 100 CM, BLADE
WIDE OF 13 CM AT LENGTH OF 12.5 CM FROM AXIAL CENTER, WITH THE WIDE FINS VARIATIONS
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By :
PIUS SETIAWAN CANDRA Student Number :125214082
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2016
UI\UUK KER.'A
KINCR
ANGIN PROPELER BETTSUDU TIGA BERBAHAN KOMPOSTT, DTAMETER 100 CM,rrBAR
SUDU MAI(SIMT'M 13 CM PAI}A JARAK I2.5 CM I}ARI PUSAT POROS,DENGAN VARIASI LEBAR SIRIP
t; -w 's
gr il *:. I ff:", \\ '3
4ffitu
2,, I'})
-rgt, I ^as
. bG.*o*o$$9
t1I
T}NJT]K IGRJA KINCIR A}IGIN PROPELER BERSUDU TIGA BERBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER lOO CM, LEBAR SUDU MAKSIMUM 13 CM PADA JARAK 12.5 CM DARI PUSAT POROS,
DENGA}I VARIASI LEBAR SIRIP
Yang dipersiapkao dan disusun oleh :
NAMA :PIUS SETIAWAhI CANI}RA NIIM: 125214082
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Pada tanggal 04 November 201 6
Susunan Dewan Penguji
Nama Lengkap
Ketua
: Budi Setyahandana S.T., M.T.Sekretaris
Anggota
: RB Dwiseno Wihadi, S.T., M.SI.
: Doddy hrrwadianto, S.T., M.T.
Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Yogyakarta04 November 20 I 6 Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma
0-/"
lv
,ffi
., M.Math.,Sc., Pho
.
PERI\TYATAAII KEASLIAITT TUGASAKIIIR
Dengan ini penulis menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam tugas akhir denganjudul:
T]NJTTK KERIA MTCm' ATIGIN PROPELER BERST]DU TIGA BE,RBAHAN KOMPOSIT, DIAMETER lOO CM, LEBAR SUI}U MAIGIMTTM 13 CM PADA JARA.K T2.5 CM DARI PUSAT FOROS,
DENGA}I VARIASI LEBAR SIRIP
Yang dibrd untuk melengkapi wajib ditempuh rmtuk meqiadi Sajana Teltrik
@a
Mesin Faknltas Sairs darTeknologi, saya ketahui
bukan di
Pe,tguruan dalam
dafrar
Dibuatdi :
YP6alatmggal:04
Pftr Setiawan Candra
&+
tv
qlrp.,o"
L
:
7.e
=
LEMBAR PER TYATAAIY PERSETUJUAI\T.
PUBLIKA$I KARYA ILMIAH T]NTUK KEPENTINGAI{ AKAI}EMISYaog bertanda tan$ndibawah inr, saya mahasiswa Univetsitas Sanata Dhanna :
Nama : PIUS SETIAA}.I CA}IDRA NomorMahasisqra
:
125214082Dsmi pengembangan ilmu pengetahuao" saya me,mberikan kepada perpustakaan Universitas Saruta Dhamra karya ilmiah iang be{udul :
T}NJT]K KERJA BERSUDU TIGA
BERBAHAN LEBAR ST]DU
T
noRos,
perlu meminta Sanata
mengelolanya
Demikianpernyataan ini yang sayabuat dengan
Dibuat di Yogyakarta
Pada tarrggal 04 November 2016
Universitas
media lain, terbatas, darl akademis tanpa saya selama
\rI Pius SaiawanCandra
vii INTISARI
Kebutuhan energi listrik pada saat ini sangat diperlukan oleh warga masyarakat pada umumnya terutama untuk negara-negara maju dan negara-negara yang sedang berkembang. Jumlah pemakaian yang sangat besar dan terus bertambah ini menyebabkan pemborosan sumber daya energi. Penggunaan energi yang sangat besar disebabkan oleh pertumbuhan dan kebutuhan masyarakat yang tidak diimbangi dengan pemasokan energi yang ada dan menyebabkan kebutuhan pasokan dari energi fosil menjadi semakin besar. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin.
Tujuan penelitian ini adalah untuk menggembangkan kincir angin jenis propeller 3 sudu berbahan komposit, serta mengetahui koefisien daya dan daya keluaran dari kincir angin tersebut metode yang digunakan adalah metode eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin pada 6,2 m/s, 7,2 m/s, dan 8,2 m/s dan variasi sirip dengan lebar 5 cm dan 7 cm dengan panjang 10 cm.
Dari hasil penelitian ini, menunjukan bahwa kincir angin memiliki koefisien daya kincir angin pada variasi kecepatan angin 6,2 m/s dengan lebar sirip 5 cm adalah sebesar 53% pada tip speed ratio 4,5, memiliki daya mekanis sebesar 58,33 watt dan daya listrik sebesar 37,67 watt dan dengan lebar sirip 7 cm adalah sebesar 49,3% pada tip speed ratio 4, memiliki daya mekanis sebesar 55,48 watt dan daya listrik sebesar 39,11 watt. Koefisien daya kincir angin pada variasi kecepatan angin 7,2 m/s dengan lebar sirip 5 cm adalah sebesar 39,1% pada tip speed ratio 4, memiliki daya mekanis sebesar 68,39 watt dan daya listrik sebesar 45,88 watt dan dengan lebar sirip 7 cm adalah sebesar 38,37% pada tip speed ratio 4,6, memiliki daya mekanis sebesar 66,69 watt dan daya listrik sebesar 48,92 watt. Koefisien daya kincir angin pada variasi kecepatan angin 8,2 m/s dengan lebar sirip 5 cm adalah sebesar 34,6% pada tip speed ratio 3,96, memiliki daya mekanis sebesar 87,15 watt dan daya listrik sebesar 57,12 watt dan dengan lebar sirip 7 cm adalah sebesar 30,97% pada tip speed ratio 3,84, memiliki daya mekanis sebesar 77,71 watt dan daya listrik sebesar 59,52 watt.
Kata kunci: kincir angin propeller dengan variasi sirip, koefisien daya, tip speed ratio
viii ABSTRACT
Nowadays, electricity is needed by many people eapecially for developed and developing countries. The number of big usage which is increasing all the time causes the wastage of energy resources. The big energy usage ia caused by people's growth and need that is not balance with the energy supply and those things make the energy need of fossil grows bigger. At this condition, there is an idea to produce an unlimited alternative energy, the example is wind, which is doing reserch on windmill.
The purpose of this research is to develop the wind turbine as propeller that has 3 angles composite made and know the efficiency and the power output of the turbine. This research uses experimental method with varying the speed of wind at 6,2 m/s, 7,2 m/s, and 8,2 m/s and with the fins variation 5 cm and 7 cm the length is 10 cm.
The result shows, that the windmill has the coefficient power of windmill upon wind speed variation 6,2 m/s with 5 cm wide fins ammounted to 53% on 4, 5 tip speed ratio, it has mechanical power of 58,33 watt and the electricity of 37,67 watt and the wide fins 7 cm is 49,3% on 4 tip speed ratio, having machanical power of 55,48 watt and electricity of 39,11 watt. The coefficient power wind speed variation 7,2 m/s with wide fins 5 cm ammounted to 39,1% on 4 tip speed ratio, having the mechanichal power of 68,39 watt and the electricity of 45,88 watt and the widw fins of 7 cm ammounted to 38, 37% on 4,6 tip speed ratio, having the mechanical power of 66,69 watt and the electricity of 48,92 watt. The windmill coefficient of the wind speed variation 8,2 m/s with the wide fins 5 cm of 34,6 % on 3,96 tip speed ratio, having the mechanical power of 87,15 watt and the electricity of 57,12 watt and the wide fins of 7 cm ammounted to 30,97% to 3,84 tip speed ratio, having the mechanical power of 77,71 watt and electricity of 59,52 watt.
Keywords: windmills propeller with the fins variation, the coefficients power, tipped speed ratio.
ix
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan anugrahnya yang telah memberi kesempatan bagi penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir. Tugas akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Banyak hambatan yang dialami penulis selama proses penulisan tugas akhir. Namun karena kuasa Tuhan Yang Maha Esa, bantuan dan keterlibatan berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas segala bantuan, dukungan dan dorongan, baik secara moril, materil dan spiritual antara lain kepada :
1. Sudi Mungkasih,S.Si., M.Math.,Sc., Pho selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin dan selaku Dosen Pembimbing Akedemik atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin.
3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan tugas akhir.
4. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.
5. Seluruh staff Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas segala kerjasama, pelayanan dan bimbingan selama penulis menempuh kuliah dan proses penulisan tugas akhir.
6. Fx.Murkijo dan ibu Margareta Markamah sebagai orang tua dari penulis.
Serta Evan, Agnes, Celi sebagai kakak yang selalu berdoa serta mendukung secara material dan moril agar study penulis dapat berhasil sesuai harapan.
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvii
DAFTAR SIMBOL ... xviii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
Latar Belakang Masalah ... 1
Rumusan Masalah ... 2
Tujuan Penelitian ... 3
Batasan Masalah ... 3
Manfaat Penelitian ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1 Energi Angin ... 5
2.2 Kincir Angin ... 9
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 10
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 12
2.3 Rumus-Rumus perhitungan ... 14
xii
2.3.1 Energi Daya Angin ... 14
2.3.2 Daya Listrik ... 16
2.3.3 Daya Kincir Angin ... 16
2.3.4 Torsi Kincir Angin ... 18
2.3.5 Tip Speed Ratio (tsr) ... 18
2.3.6 Koefisien Daya ... 19
2.4 Tinjauan Pustaka ... 19
2.5 Komposit ... 20
2.5.1 Klasifikasi Bahan Komposit ... 21
2.5.2 Tipe Komposit Serat ... 23
2.5.3 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Komposit ... 25
2.5.4 Kelebihan Komposit ... 28
2.5.5 Kekurangan Komposit ... 29
2.6 Serat ... 29
2.6.1 Serat Alami ... 30
2.6.2 Serat Buatan ... 31
2.6.3 Serat Kaca ... 32
2.7 Polimer ... 33
2.7.1 Polimer Polyester ... 35
2.7.2 Kelebihan dan Kekurangan Resin ... 35
BAB III METODE PENELITIAN... 36
3.1 Diagram Alir Penelitian ... 36
3.2 Alat Penelitian ... 37
3.3 Desain Kincir ... 43
3.3.1 Desain Sirip ... 43
3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin Serta Sirip ... 44
xiii
3.4.1 Alat dan Bahan ... 44
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu Kincir Angin ... 45
3.4.3 Proses Pembuatan Sirip Kincir Angin ... 52
3.5 Langkah Penelitian ... 53
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 56
4.1 Data Hasil Penelitian ... 56
4.2 Pengolahan Data... 63
4.3 Pembahasan Grafik ... 73
4.3.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi ... 74
4.3.2 Grafik Hubungan Cp (mekanis) dan TSR ... 76
4.3.3 Grafik Hubungan Cp (listrik) dan TSR ... 79
4.3.4 Grafik Hubungan Daya Output dan Torsi ... 83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 89
5.1 Kesimpulan ... 89
5.2 Saran ... 90
DAFTAR PUSTAKA ... 92
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Angin Laut ... 7
Gambar 2.2 Angin Darat ... 7
Gambar 2.3 Angin Lembah ... 8
Gambar 2.4 Angin Gunung ... 9
Gambar 2.5 Kincir Angin Poros Horizontal ... 12
Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Vertikal ... 14
Gambar 2.7 Grafik Hubungan Daya dan tip speed ratio Maksimal Beberapa Jenis Kincir ... 17
Gambar 2.8 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Penguatnya ... 22
Gambar 2.9 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Matriknya ... 23
Gambar 2.10 Tipe discountinus fibre ... 24
Gambar 2.11 Tipe Komposit Serat... 25
Gambar 2.12 Grafik Hubungan Tegangan dan Regangan Antara Komposit, Matriks, dan Serat ... 28
Gambar 2.13 Jenis-jenis Serat ... 30
Gambar 2.14 Jenis-jenis Serat Alami ... 31
Gambar 2.15 Jenis – Jenis Serat Buatan ... 32
Gambar 3.1 Diagram Alir yang Menggambarkan Langkah-langkah penelitian .... 36
Gambar 3.2 Blade / Sudu ... 38
Gambar 3.3 Sirip ... 38
Gambar 3.4 Hub Kincir Angin ... 39
Gambar 3.5 Fan Blower ... 39
Gambar 3.6 Anemometer ... 40
Gambar 3.7 Tachometer ... 40
Gambar 3.8 Neraca Pegas ... 41
Gambar 3.9 Voltmeter ... 41
xv
Gambar 3.10 Amperemeter ... 42
Gambar 3.11 Pembebanan Lampu ... 43
Gambar 3.12 Desain Sudu Kincir Angin ... 43
Gambar 3.13 Desain sudu kincir angin dengan tambahan variasi sirip lebar 5 cm ... 43
Gambar 3.14 Desain sudu kincir angin dengan tambahan variasi sirip lebar 7 cm ... 44
Gambar 3.15 Desain Sirip Kincir Angin ... 44
Gambar 3.16 Proses Pemotongan Pipa ... 46
Gambar 3.17 Mal / Cetakan Kertas ... 46
Gambar 3.18 Pembentukan Sudu Dengan Mal kertas ... 47
Gambar 3.19 Sudu yang Sudah dihaluskan ... 47
Gambar 3.20 Pelapisan Mal dengan Alumunium Foil ... 48
Gambar 3.21 Resin dan Khatalis ... 48
Gambar 3.22 Pengolesan Awal diatas Permukaan Alumuniu Foil ... 51
Gambar 3.23 Proses Pelapisan dan Perataan Serat Kaca ... 51
Gambar 3.24 Peletakan Plat Alumunium ... 51
Gambar 3.25 Finishing Sudu ... 52
Gambar 3.26 Skema Pembebanan ... 54
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi untuk Ketiga Variasi Kecepatan Angin, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) variasi Lebar Sirip 7 cm. ... 75
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Cp (mekanis) Dengan Tip Speed Ratio Untuk Ketiga Variasi Kecepatan Angin, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) Variasi Lebar Sirip 7 cm. ... 76
Gambar 4.3Grafik Hubungan Antara Cp (listrik) Dengan Tip Speed Ratio Untuk Ketiga Variasi Kecepatan Angin, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) Variasi lebar sirip 7 cm. ... 80
xvi
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Antara Daya Output Dengan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 6,2 m/s, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) Variasi Lebar Sirip 7 cm ... 84 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Daya Output Dengan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 7,2 m/s, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) Variasi Lebar Sirip 7 cm... 86 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Antara Daya Output Dengan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s, (a) Variasi Lebar Sirip 5 cm dan (b) Variasi Lebar Sirip 7 cm... 87
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1Tingkat Kecepatan Angin ... 5
Tabel 2.2 Sifat-sifat Serat ... 33
Tabel 2.3 Karakteristik Serat E-glass ... 33
Tabel 3.1Alat dan Bahan Pembuatan Sudu dan Sirip ... 44
Tabel 4.1Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 6,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 5 cm. ... 57
Tabel 4.2Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 6,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 7 cm. ... 58
Tabel 4.3Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 7,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 5 cm ... 59
Tabel 4.4Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 7,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 7 cm ... 60
Tabel 4.5Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 8,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 5 cm ... 61
Tabel 4.6 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata-rata 8,2 m/s dengan Variasi Lebar Sirip 7 cm ... 62
Tabel 4.7 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 6,2 m/s dengan variasi lebar sirip 5 cm ... 68
Tabel 4.8Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 6,2 m/s dengan variasi lebar sirip 7 cm ... 69
Tabel 4.9 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 7,2 m/s dengan variasi lebar sirip 5 cm ... 70
Tabel 4.10 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 7,2 m/s dengan variasi lebar sirip 7 cm ... 71
Tabel 4.11 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s dengan variasi lebar sirip 5 cm ... 72
Tabel 4.12 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s dengan variasi lebar sirip 5 cm ... 73
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
Massa jenis (kg/m3)
r Jari-jari kincir (m)
A Luas penampang (m2)
Kecepatan angin (m/s)
Kecepatan sudut (rad/s)
n Kecepatan putar poros (rpm)
F Gaya pembebanan (N)
T Torsi (Nm)
Daya angin (Watt)
Daya listrik (Watt)
Daya kincir (Watt)
Tip Speed Ratio
Koefisien daya (%)
Koefisien daya maksimal (%)
m massa (kg)
Energi kinetic (wH)
V Tegangan (Volt)
I Arus (Ampere)
Waktu (s)
ṁ Laju aliran massa udara (kg/s)
Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)
L Panjang lengan torsi (m)
Lebar maksimal (m)
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemakaian energi terutama energi listrik pada saat ini sangat diperlukan oleh warga masyarakat pada umumnya terutama di negara-negara maju dan negara- negara yang sedang berkembang. Menurut Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, Direktorat Jendral Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (EBTKE), sumber daya energi yang ada di indonesia dan di dunia semakin langka dan semakain mahal dengan konsumsi energi rata-rata 7% pertahun. Jumlah pemakaian yang sangat besar dan terus bertambah ini menyebabkan pemborosan sumber daya energi. Penggunaan energi yang sangat besar disebabkan oleh pertumbuhan dan kebutuhan masyarakat yang tidak diimbangi dengan pemasokan energi yang ada dan menyebabkan kebutuhan pasokan dari energi fosil menjadi semakin besar. Pengunaan dari energi fosil ini juga berakibat menimbulkan efek samping yang berakibat pada perubahan iklim global yang disebabkan oleh meningkatnya Gas rumah kaca (GRK) yang terjadi di atmosfir bumi.
(http://ebtke.esdm.go.id/post/2012/05/31/14/, diakses 1 April 2015).
Dalam ilmu energi terbarukan saat ini muncul banyak ide-ide yang bermunculan untuk mencari energi alternatif yang tidak bisa habis dan mudah di dapatkan. Di indonesia banyak energi alternatif yang tidak bisa habis salah satunya adalah sumber energi yang ada di alam yaitu angin. Angin di indonesia banyak terdapat pada pesisir-pesisir pantai dan di daerah pegunungan. Dengan
adanya energi angin yang melimpah ini masarakat di wilayah pesisir dan pegunungan masih bisa menggunaan listrik tanpa harus menghabiskan energi dari bumi yang pasokannya sudah mulai menipis. Akan tetapi sumber energi angin tersebut tidak bisa menghasilkan listrik tanpa menggunakan sebuah alat konversi yang bisa menggubah energi angin tersebut menjadi energi listrik.
Alat yang digunakan untuk bisa mendapatkan energi alternatif dari alam terutama energi angin adalah kincir angin. Penulis mencoba melakukan penelitian dengan merancang dan membuat sebuah kincir angin berporos Horisontal 3 sudu yang mempunyai diameter sebesar 100 cm, berbahan komposit dan mempunyai sebuah variasi dengan menambahkan sirip pada ujung sudu. Pada penelitian ini penulis mencoba mencari berapa energi yang bisa di dapat dengan kincir angin dengan menggunakan variasi pada ujung sudu tersebut apakah lebih besar atau akan lebih kecil juga torsi yang didapat.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dapat dirumuskan pada penelitian ini adalah : 1. Alat untuk mengkonversikan energi angin masih perlu di kembangkan.
2. Angin merupakan sumber energi terbarukan yang murah dan tidak menimbulkan efek samping pada lingkungan.
3. Indonesia merupakan negara dengan potensi angin yang besar akan tetapi di indonesia energi angin belum dimanfaatkan secara maksimal.
4. Diperlukan bentuk atau tipe kincir angin yang cocok dan mampu mengkonversi energi dengan efisiensi maksimal.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan melakukan penelitian ini adalah :
1. Membuat kincir angin sumbu horisontal 3 sudu yang berbahan komposit berdiameter 100 cm, dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 12,5 dari pusat poros dan menambahkan variasi sirip yang memiliki lebar 5 cm dan 7 cm dengan panjang 10 cm pada setiap ujung sudu.
2. Mengetahui nilai koefisien daya mekanis tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin dan dari kedua variasi sirip.
3. Mengetahui nilai koefisien daya listrik tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin dan dari kedua variasi sirip.
4. Mengetahui nilai Torsi tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin angin dan dari kedua variasi sirip
5. Mengetahui daya mekanis tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin dan dari kedua variasi sirip.
6. Mengetahui daya listrik tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin dan dari kedua variasi sirip.
1.4 Batasan Masalah
Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada :
1. Model kincir yang di gunakan adalah kincir angin Horisontal memiliki 3 sudu berbahan komposit memiliki diameter sebesar 100 cm, lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros, dengan variasi sirip lebar 5 cm dan 7 cm dengan panjang 10 cm.
2. Penelitian dilakukan dengan mengoprasikan model kincir angin tersebut dengan bantuan blower yang tersedia di Universitas Sanata Dharma.
3. Variasi kecepatan angin dilakukan sesuai keperluan pengujian yang diperlukan.
4. Menggunakan kincir angin propeler tiga sudu dengan tipe horizontal axis wind turbine (HAWT).
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :
1. Bisa mengetahui unjuk kerja kincir angin dengan variasi penambahan sirip pada ujung tiap sudu.
2. Bisa menjadi lahan informasi bagi masyarakat yang membutuhkan energi alternatif selain energi dengan menggunakan fosil.
3. Dapat menjadi refrensi bagi masyarakat yang daerahnya berpotensi dengan angin agar bisa mengembangkan energi terbarukan dengan menggunakan bantuan angin.
4. Dapat menambah literatur (pustaka) mengenai kincir angin yang dapat dikembangkan sebagai pembangkit listrik dan bagi energi terbarukan, khususnya energi terbarukan dengan menggunakan bantuan angin.
5 BAB II DASAR TEORI
2.1 Energi Angin
Angin adalah suatu energi yang sangat berlimpah yang tersedia di alam, pembangit listrik tenaga angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan sebuah alat yang di sebut 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.
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 : http://www.kincirangin.info/pdf/kondisi-angin.pdf,diakses mei 2016.
Angin kelas 3 adalah batas minimun angin untuk menggerakan sebuah kincir angin dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin yang dapat dipergunakan untuk menghasilkan energi listrik.
Jenis – jenis angin antara lain : 1. Angin laut
Angin laut adalah angin yang berhembus dari dari arah laut ke arah darat dan biasanya ngain laut ini terjadi pada siang hari. Hal ini disebabkan karena daratan memiliki temperatur yang lebih tinggi dibandingkan temperatur di laut seperti yang didapat dilihat pada gambar 2.1 angin laut biasanya digunakan oleh para nelayan untuk pulang sehabis menangkap ikan.
Gambar 2.1 Angin Laut
Sumber: http://imangeografi10.blogspot.co.id diakses mei 2016.
2. Angin darat
Angin darat adalah angin yang berhembus dari arah daratan ke arah lautan dan biasanya angin darat ini berlangsung pada malam hari. Hal ini terjadi karena temperatur laut lebih tinggi dari pada temperatur yang ada didaratan seperti yang ditunjukan pada gambar 2.2 angin darat ini biasa dimanfaatkan oleh para nelayan untuk berangkat mencari ikan dengan menggunakan perahu layar.
Gambar 2.2 Angin Darat
Sumber:http://imangeografi10.blogspot.co.id diakses mei 2016.
3. Angin lembah
Gambar 2.3 Angin Lembah
Sumber: http://imangeografi10.blogspot.co.id diakses mei 2016.
Angin lembah adalah angin yang berhembus dari lembah ke puncak gunung dan biasanya angin jenis ini terjadi pada siang hari. Arah hembusan angin yang disebabkan karna adanya perbedaan temperature antara puncak gunung dan lembah, puncak gunung lebih dahulu menerima panas matahari sehingga tekanan yang ada dipuncak menjadi turun dan terjadi aliran udara.
4. Angin gunung
Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan di atas permukaan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan lembah menjadi lebih rendah di atas permukaan gunung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Angin Gunung
Sumber : http://imangeografi10.blogspot.co.id diakses mei 2016.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh energi angin yang digunakan untuk mengkonversi energi ke energi yang lain. Kincir angin pada awalnya dimanfaatkan oleh para petani untuk menumpuk hasil pertanian, irigasi, memompa air dan penggiling gandum. Kincir angin awalnya banyak dibuat di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya yang lebih dikenal dengan nama windmill. Kincir angin modern adalah kincir angin yang saat ini banyak digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Kini kincir angin lebih banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang tidak dapat habis yaitu angin. Walaupun saat ini pembangunan kincir angin belum bisa mengimbangi pembangkit listrik konvensional (contoh : PLTU, PLTD dan lain – lain) akan tetapi kincir angin saat ini terus dikembangkan oleh para ilmuwan dikarenakan dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui ( Batu bara, minyak bumi, gas) sebagai bahan dasar pembangkit listrik.
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibagi menjadi dua kelompok utama yaitu : kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal. Dalam penelitian ini akan dikembangkan mengenai kincir angin poros horisontal.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir angin poros horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) adalah kincir angin yang poros utamnya sejajar dengan arah datangnya angin.
Kincir angin jenis ini banyak digunakan oleh para petani garam di Indonesia untuk memompa air laut. Adapun kelebihan dari kincir angin jenis HAWT antara lain :
1. Adanya gaya angkat yang di berikan angin sehingga membuat kecepatan sudu kincir bisa lebih besar dari pada kecepatan angin.
2. Kincir jenis ini dapat mengkonversi angin pada saat kecepatan angin tinggi.
3. Tidak memerlukan sudut orientasi.
4. Setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
5. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.
6. Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju rotor.
7. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.
Dari beberapa kelibihan diatas kincir jenis HAWT ini juga mempunyai beberapa kekurangan antara lain :
1. Karna arah datangnya angin yang tidak menentu dibutuhkan mekanisme lain antara lain penambahan ekor pengarah angin.
2. Kontruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah – bilah yang berat (Gearbox dan Generator).
3. Pembuatan dan pemasangan sudu kincir angin poros horisantal yang sulit sehingga membutuhkan waktu yang lama untuk proses pengerjaannya.
Beberapa jenis kincir angin poros horisontal antara lain : American windmill, cretan sail windmill, Dutch four arm dan Rival calzonil, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.5.
(a) (b)
(a) Sumber : http://www.awwasc.comdiakses mei 2016.
(b) Sumber : http://www.dilos.comdiakses mei 2016.
(c) (d)
(c) Sumber : https://s-media-cache-ak0.pinimg.comdiakses mei 2016.
(d) Sumber : http://aerotrope.comdiakses mei 2016.
Gambar 2.5 Kincir Angin Poros Horisontal
(a) American windmill, (b) cretan sail windmill, (c) Dutch four arms, (d) Rival calzoni
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal atau vertical axis wind turbine (VAWT) adalah salah satu kincir angin yang arah posisi porosnya tegak lurus dengan datangnya angin atau dengan pengertian lain jenis kincir seperti ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah. Adapun kelebihan dari kincir angin jenis VAWT antara lain :
1. Dapat menerima angin dari arah manapun.
2. Memiliki torsi yang besar walaupun putaran porosnya rendah.
3. Mampu bekerja pada putaran yang rendah.
4. Memiliki luasan frontal yang besar karna dalam perhitungan luasan berbentuk persegi panjang.
Dari beberapa kelebihan yang terdapat pada kincir angin jenis VAWT di atas namun kincir angin jenis VAWT ini juga memiliki beberapa kekurangan yaitu :
1. Bekerja pada angin rendah, sehingga energi yang dihasilkan sangat kecil.
2. Pemasangan kincir angin poros vertikal yang rendah membuat resiko kecelakaan yang besar bagi manusia.
3. Sudu yang mampu mendapatkan energi angin dinamakan downwind dan sudu yang menolak angin dinamakan upwind, sudu bagian ini cenderung menghambat putaran poros.
4. Dari desainnya, berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan (bearing) menjadi suatu beban tambahan dari beberapa desain kincir angin poros vertikal yang ada.
(a) (b)
(a) Sumber : http://www.bdonline.co.uk diakses mei 2016.
(b) Sumber : http://www.alternativeconsumer.com diakses mei 2016.
(c) (d) (c) Sumber : https://en.wikipedia.org diakses mei 2016.
(d) Sumber : www.pinterest.com diakses mei 2016.
Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Vertikal.
(a) Quet Revolution , (b) Wepower, (c) Darrieus wind turbine , (d) Savonius wind turbine.
2.3 Rumus-Rumus Perhitungan
Dalam penelitian kerja kincir angin sangat diperlukan beberapa rumus perhitungan, antara lain sebagai berikut.
2.3.1 Energi dan Daya Angin
Energi angin adalah energi yang dimiliki angin karna adanya kecepatan, karna adanya tenaga yang dimiliki angin maka dinamakan energi kinetik angin.
Maka secara umum energi kinetik angin dapat dirumuskan :
Ek= 1/2 m v 2 (1)
yang dalam hal ini :
Ek : Energi kinetik, J (joule) m : massa udara, kg
v : kecepatan angin, m/s
Dari persamaan (1), didapat daya yang dihasilkan angin adalah energi kinetik angin tiap satuan waktu ( J/s ) sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :
Pa = 1/2 ṁ v2 (2)
yang dalam hal ini :
Pa
:
daya yang dihasilkan angin, J/s (watt)ṁ : massa udara yang menggalir dalam satuan waktu, kg/s v : kecepatan angin, m/s
Aliran udara yang menggalir per satuan waktu adalah :
ṁ = ρ A v (3)
yang dalam hal ini :
ρ : massa jenis udara, kg/m3 A : daerah sapuan angin, m2 v : kecepatan angin, m/s
Dengan cara mensubtitusikan Persamaan (3) ke Persamaan (2), maka dapat diperoleh rumusan daya angin :
Pa= 1/2( ρ A v) v2 dapat disederhanakan menjadi :
Pa= 1/2 ρ A v3 (4)
2.3.2 Daya Listrik
Daya listrik adalah daya yang dihasilkan oleh putaran generator, daya listrik dapat ditulis dengan persamaan sabagai berikut :
PL = V.I (5)
yang dalam hal ini : PL : daya listrik, Watt V : tegangan, Volt
I : arus yang menggalir pada beban, Ampere
2.3.3 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin adalah suatu daya yang dihasilkan oleh kincir angin akibat adanya kerja yang dilakukan oleh sudu dengan cara mengkonversi energi kinetik menjadi energi potensial. Daya kincir angin tidak sama dengan daya angin, karna daya kincir angin dipengaruhi oleh koefesien daya angin. Pada suatu penelitian yang dilakukan oleh seorang insiyur dari Jerman yang bernama Albert Bets telah ditemukan efisiensi maksimum kincir angin, yaitu sebesar 59,3%.
Angka ini dikatakan Bets Limits, pada gambar 2.7 disajikan koefisien daya beberapa kincir.
Gambar 2.7 Grafik hubungan Koefisien daya dan tip speed ratio maksimal beberapa jenis kincir.
Sumber : http://mcensustainableenergy.pbworks.com diakses 16 mei.
Secara teori daya kincir yang dihasilkan oleh gerak melingkar pada poros kincir angin dapat dirumuskan :
Pk = T ω (6)
yang dalam hal ini :
Pk : daya yang dihasilkan kincir angin, watt T : torsi, Nm
ω : kecepatan sudut, rad/s
Kecepatan sudut adalah adalah radian per detik (rad/det), satuan lain yang digunakan adalah putaran per menit (rpm). Konvesi satuan yang menghubungkan (rpm) dan (rad/s) adalah 1 rpm = 2 /60 rad/det, maka persamaan (6) dapat di konfersi menjadi :
Pk = T (7)
yang dalam hal ini : : putaran poros, rpm
2.3.4 Torsi Kincir Angin
Gaya yang bekerja pada poros baik itu pada jenis kincir angin poros horizontal maupun kincir angin poros vertikal, ditimbulkan karna adanya gaya dorong pada sudu-sudu kincir dikurangi dengan gaya-gaya hambat (arah putaran yang berlawanan). Gaya dorong pada sudu ini memiliki lengan atau jarak terhadap smbu putaran (poros). Hasil kali kedua gaya ini disebut dengan torsi (τ). Secara teori dapat dirumuskan :
T = F l (8)
yang dalam hal ini :
T : torsi akibat putaran poros, Nm l : panjang lengan torsi ke poros, m F : gaya yang di berikan pada kincir, N
2.3.5 Tip Speed Ratio (tsr)
Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin yang melewatinya, tsr dapat dirumuskan :
TSR = (9)
yang dalam hal ini : r : jari-jari kincir, m
n : putaran poros, rpm v : kecepatan angin, m/s
2.3.6 Koefisien Daya
Koefisien daya atau power coeffisient (Cp) adalah bilangan daya tak berdimensi yang menunjukan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan angin sesuai teori yang sudah ada, maka dapat dirumuskan :
Cp = (10)
yang dalam hal ini :
Pout : daya yang dihasilkan kincir, watt Pin : daya yang dihasilkan angin, watt
2.4 Tinjauan Pustaka
Kebutuhan listrik di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia.
Namun peningkatan kebutuhan energi ini tidak diikuti dengan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batu bara sebagai sumber energi pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis.
Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan
penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja kincir angin yang diteliti seperti besar torsi, perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio. Kincir angin propeller berbahan komposit tiga sudu diameter 1m, lebarmasksimal sudu 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros. Terdapat tiga variasi perlakuan kecepatan angin:kecepatan angin 10,3 m/s, 8,3 m/s dan 6,4 m/s. Karakteristik kincir angin maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu. Besarnya torsi diperoleh dari mekanisme timbangan digital, putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan anemometer dan ketersediaan angin dengan menggunakan wind tunnel 15 Hp. Dari hasil penelitianini, kincir angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 14,1% pada tip speed ratio 4,35,daya outputsebesar71,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 8,3 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 23,4% pada tip speed ratio 4,28, daya output sebesar 62,1watt dan torsi sebesar 0,87 N.m.Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 36,9% pada tip speed ratio 4,43, daya output sebesar 45,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m pada kecepatan angin 6,4 m/s. Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.
2.5 Komposit
Komposit adalah penggabungan dua atau lebih material yang berbeda sebagai suatu kombinasi yang menyatu dan mempunyai sifat mekanik dan karakteristik
yang 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.
2.5.1 Klasifikasi Bahan Komposit
Klasifikasi komposit berdasarkan penguat yang digunakannya : 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)
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 2.8 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya.
Berdasarkan matriks yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, yaitu : 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.
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 temperature 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 temperature yang tinggi.
Gambar 2.9 klasifikasi komposit berdasarkan matriknya.
2.5.2 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 diantara matriknya. Tipe ini mempunyai kelemahan pemisahan antara lapisan.
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, yaitu :
a. Aligned discontinous fibre
b. Off-axis aligned discontinous fibre c. Randomly oriented dicontinous fibre
a) aligned b) off-axis c) randomly Gambar 2.10 Tipe discontinous fibre.
4. Hybrid Fibre Composite
Hybrid Fibre Composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
Continous Fibre Composit Woven Fibre Composite
Randomly Oriented Discontinous Fibre Hybrid Fibre Composite Gambar 2.11 Tipe Komposit Serat (Gibson, 1994).
2.5.3 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.
c. Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic yang kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya. Pada pencapuran 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.
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)
f. Polyethylene (PE) 2) Termoset
a. Epoksi b. Polyester 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.
Gambar 2.12 Grafik hubungan tegangan dan regangan antara komposit, matriks, dan serat.
2.5.4 Kelebihan Komposit
Kelebihan-kelebihan menggunakan bahan komposit yaitu :
1. Komposit dapat dirancang dengan kekakuan dan kekuatan yang tinggi sehingga bahan ini memberi kekakuan dan kekuatan spesifik tinggi yang dapat melebihi kemampuan baja atau alumunium,
2. Komposit dapat terhindar dari korosi,
3. Komposit memiliki mampu redam yang baik,
4. Komposit lebih ringan dan kuat. (Viktor Malau, 2010)
2.5.5 Kekurangan Komposit
Disamping dari kelebihan yang dipunyai oleh komposit, komposit ini juga mempunya beberapa kekuranngan yaitu :
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. (Viktor Malau, 2010) 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, et all., 2011)
2.6 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 diproleh dialam”. 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 2.8.
Gambar 2.13 Jenis-jenis serat buatan.
Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam- Serat-Sintetis.bmp. diakses juni 2016.
2.6.1 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 kedalam :
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 ramie. Saat tumbuhan digunakan sebagai bahan pembuat kertas dan tekstil serta serat tumbuhan itu juga penting bagi nutrisi bagi manusia.
2. Serat kayu, umumnya serat kayu 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 di pergunakan 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.
Gambar 2.14 Jenis-jenis serat alami.
Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam- Serat-Alam.bmp. Diakses Juni 2016.
2.6.2 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, 3. Sulit mengisap air karena memberi rasa lembab,
4. Tahan alkali, tahan ngengat, jamur, serangga, dan lain-lain, 5. Peka terhadap panas.
Gambar 2.15 Jenis-jenis serat buatan.
Sumber:http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam- macam-Serat-Sintetis.bmp. diakses mei 2016.
2.6.3 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 elastikya 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 table 2.3 berisi karakteristik mekanik komposit dari beberapa serat glass.
Tabel 2.2 Sifat-sifat serat.
sumber : Istanto (2006) dalam Daniel Andri Purwanto, dkk, 2009 Tabel 2.3 karakteristik serat E-glass.
sumber : Istanto (2006) dalam Daniel Andri Purwanto, dkk, 2009.
2.7 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. Pelimer 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 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 plastic, mainan, ember, drum, pipa saluran, kantong plastic dan jas hujan
2. Polivinilklorida (PVC) antara lain pipa air, pipa kabel listrik, kulit sintetis, ubin plastic, dan botol detergen
3. Polipropena (PP) antar lain karung, tali, bak air, kursi plastic 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 melaikan membetuk arang dan terurai karena sifat-sifat yang demikian maka
thermoset sering digunakan sebagai penutup ketel. Contoh dari termoset yaitu fitting lampu listrik, steker listrik, dan asbak.
2.7.1 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 sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya.
(Hendriwan Fahmi, et all., 2011).
Resin polyester terbagi menjadi beberapa jenis antara lain : 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.
2.7.2 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.
36 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perencanaan kincir hingga analisis data. Langkah kerja dalam penelitian ini dalam bentuk gambar diagram alir seperti yang ditunjukan dalam gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir yang menggambarkan langkah-langkah penelitian.
Perancangan kincir angin propeler 3 sudu dengan variasi sirip Mulai
Pembuatan kincir angin sumbu horisontal 3 sudu berbahan komposit dengan diameter sebesar 100 cm, lebar maksimum sudu
12 cm pada jarak 12,5 cm dari pusat poros dengan variasi sirip lebar 5 cm dan 7 cm dengan panjang 10 cm.
Pengambilan data, untuk mengetahui kecepatan putaran kincir, kecepatan angin, dan data pembebanan dengan lampu pada kincir
angin.
Pengolahan data untuk mencari Cp mekanis dan Cp listrik pada TSR optimal, daya output mekanis dan daya output listrik pada torsi
dan putaran poros
Analisa serta pembahasan data dan pembuatan laporan
Selesai
Ada tiga jenis perlakuan metode yang dilakukan untuk penelitian ini, yaitu : 1. Penelitan kepustakaan (Library Research)
Penelitian kepustakaan ini dilakukan dengan membaca literatur-literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggung jawabkan kebenarannya.
2. Pembuatan Alat
Pembuatan alat untuk menguji kincir angin tipe propeler dilakukan di Laboratorium Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Kincir yang sudah dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk memutar fan blower yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir.
3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi)
Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeler pada wind tunnel.
3.2 Alat Penelitian
Model kincir angin ini mempunyai tipe propeler dengan menggunakan bahan komposit, kincir angin ini dibuat dengan diameter 100 cm.
1. Sudu Kincir Angin
Ukuran panjang sudu kincir angin menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga membuat dudukan sudu atau turbin berputar.
Semua sudu memiliki ukuran yang sama, sudu kincir angin yang dibuat dapat dilihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Blade / Sudu 2. Sirip pada kincir angin
Sirip dibuat dengan 2 variasi lebar yang berbeda dan panjang yang sama.
Sirip dibuat dengan panjang 10 cm dan lebar 5 cm dan 7 cm dan memiliki tebal yang sama yaitu 1 mm. Penelitain yang dilakukan menggunakan variasi dari lebar sirip yang bertujuan untuk mengetahui apa perbedaan dari kedua variasi tersebut. Bentuk sirip dapat dlihat pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sirip 3. Hup
Dudukan sudu merupakan salah satu bagian komponen kincir yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Dudukan sudu ini memiliki dua belas lubang yang berfungsi untuk pemasangan sudu yang memiliki variasi sudu lebih dari 4. Posisi plat atau posisi penyambung
antara sudu dengan dudukan dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan, dudukan sudu dapat dilihat pada gambar 3.4.
Gambar 3.4 Hup turbin angin 4. Fan Blower
Fan blower berfungsi untuk menghisap udara yang akan disalurkan untuk memutar kincir angin, fan blower ini memiliki daya penggerak motor sebesar 15 hp. Gambar 3.5 akan menunjukan bentuk dari fan blower.
Gambar 3.5 Fan Blower 5. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk menggur kecepatan angin.
Anemometer ini diletakkan di depan fan blower. Alat ini terdiri dari dua
komponen utama, yaitu sensor elektrik yang diletakkan pada arah datangnya angin dari fan blower menuju kincir angin dan modul degital yang berfungsi untuk menerjemahkan data dari sensor dan kemudian ditampilkan pada layar digital. Gambar 3.6 akan menunjukan bentuk dari anemometer.
Gambar 3.6 Anemometer
6. Tachometer
Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (revolution per minute). Jenis dari tachometer yang digunakan adalah jenis tachometer digital light, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu : sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.7 akan menunjukan bentuk dari tachometer.
Gambar 3.7 Tachometer
7. Neraca Pegas
Neraca pegas ini berfungsi untuk mengetahui beban yang diterima dari generator pada saat kincir angin berputar. Timbangan digital ini diletakkan pada bagian lengan generator. Gambar 3.8 akan menunjukan bentuk dari Timbangan digital yang digunakan pada saat penelitian.
Gambar 3.8 Neraca pegas 8. Voltmeter
Voltmeter berfungsi untuk mengukur besaran tegangan atau beda potensial listrik yang dihasilkan kincir angin oleh setiap variasinya. Gambar 3.9 akan menunjukan bentuk dari Voltmeter.
Gambar 3.9 Voltmeter
9. Ampermeter
Ampermeter berfungsi untuk mengukur besarnya kuat arus atau tegangan yang dihasilkan kincir angin oleh setiap variasinya. Gambar 3.10 akan menunjukan bentuk dari Ampermeter.
Gambar 3.10 Ampermeter
10. Lampu Pembebanan
Pembebanan yang digunakan dalam pengambilan data tugas akhir adalah lampu. Lampu yang digunakan dalam pembebanan adalah lampu 75 Watt, 60 Watt, 40 Watt, dan 25 Watt. Jumlah lampu ditentukan sesuai dengan kebutuhan dan dilihat dari rpm dan torsi yang dihasilkan oleh kincir angin sumbu horizontal. Pemberian beban pada kincir angin sumbu horizontal bertujuan untuk mengetahui perfoma dan daya makimal yang dihasilkan oleh kincir angin sumbu horizontal dengan masing-masing variasi. Gambar pembebanan lampu bisa dilihat pada gambar 311.
Gambar 3.11 Pembebanan lampu
3.3 Desain Kincir
Desain sudu kincir angin yang dibuat memiliki ukuran panjang yang bisa dilihat pada gambar 3.12 dan gambar 3.13, 3.14 adalah gambar sudu yang menggunakan vaiasi sirip.
Gambar 3.12 Desain sudu kincir angin
Gambar 3.13 Desain sudu kincir angin dengan tambahan variasi sirip lebar 5 cm
Gambar 3.14 Desain sudu kincir angin dengan tambahan variasi sirip lebar 7 cm
3.3.1 Desain Sirip
Desain sirip pada kincir angin yang dibuat memiliki ukuran yang bisa dilihat pada gambar 3.15.
Gambar 3.15 Desain sirip kincir angin.
3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin Serta Sirip 3.4.1 Alat dan Bahan
Pembuatan sudu kincir angin serta pembuatan sirip merupakan proses yang dilakukan secara bertahap serta membutuhkan alat dan bahan. Alat dan bahan bisa ditunjukakan pada tabel 3.1
Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu dan Sirip
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu Kincir Angin
Dalam proses pembuatan sudu dan sirip dilakukan dengan beberapa tahapan. Tahapan-tahapan yang dilakukan seperti berikut :
A. Pembuatan cetakan pipa
1. Memotong pipa 8 inchi dangan panjang 50 cm.
Pipa 8 inchi berfungsi sebagai cetakan awal dari proses pembuatan sudu kincir angin yang dibuat dengan bahan komposit. Pemotongan pipa dilakukan dengan alat gerinda dengan panjang pipa yang ingin dibuat yaitu 50 cm.
ALAT BAHAN
Mesin Bor Pipa 8 inchi
Gerinda Hardener
Amplas Resin
Timbangan Digital Serat Glass Kertas Karton Alumunium Foil
Kuas Cat Semprot
Skrap Dempul
Gergaji Besi Plat 2 mm Gunting Plat Alumunium Cuting Plat
