vii INTISARI
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan turbin angin berjenis propeller 4 sudu berbahan komposit. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengetahui daya keluaran, koefisien daya, dan tip speed ratio dari turbin angin tersebut.
Penelitian ini menggunakan turbin angin berjenis propellerdengan diameter kincir 100 cm, dan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros. Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu adalah material komposit. Metode yang digunakan adalah metode eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin pada 7,3 m/s; 8,3 m/s; dan 9,4 m/s dengan menggunakan blower. Variable yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s turbin angin dapat bekerja optimal dibanding pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s dan 9,4 m/s. Koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s adalah sebesar 43% yang bekerja padatip speed ratiosebesar 3,8; koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah sebesar 31% yang bekerja pada tip speed ratio sebesar 3,3; dan koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 9,4 m/s adalah sebesar 22% yang bekerja pada tip speed ratiosebesar 2,9.
viii ABSTRACT
The aim of this study was to develop a four-blade propeller wind turbine made from composite. Other than that, this study also aimed for knowing the output power, the coefficient of power andtip speed ratioof this wind turbine.
This study used a propeller wind turbine with diameter of 100 cm, and maximum blade width of 13 cm at length of 19 cm from axial center. The material that used for making the blade was composite material. This study used an experimental method with the wind-velocity variations of 7,3 m/s; 8,3 m/s; and 9,4 m/s by usingblower. The variables taken in this study are the wind-velocity, turbine rotation, the force, the voltage, and electric current.
The result showed that the wind turbine could work optimally at the wind-velocity variation of 7,3 m/s than the other wind-wind-velocity variations. The coefficient of power at the wind-velocity variation of 7,3 m/s was about 43% in tip speed ratio of 3,8; the coefficient of power at the wind-velocity variation of 8,3 m/s was about 31% intip speed ratio of 3,3; and the coefficient of power at the wind-velocity variation of 9,4 m/s was about 22% intip speed ratioof 2,9.
i
UNJUK KERJA TURBIN ANGINPROPELLER
4 SUDU BERBAHAN KOMPOSIT BERDIAMETER 100 CM, DENGAN LEBAR MAKSIMUM SUDU 13 CM PADA JARAK 19 CM
DARI PUSAT SUMBU POROS
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan Memperoleh gelar Sarjana Teknik
Di Jurusan Teknik Mesin
Disusunoleh :
DWI ANDIKA KURNIAWAN 125214062
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF FOUR BLADEPROPELLER
WIND TURBINE MADE FROM COMPOSITE IN
DIAMETER OF 100 CM, WITH MAXIMUM BLADE WIDTH OF 13CM AT LENGTH OF 19 CM FROM AXIAL CENTER
FINAL PROJECT
As a partial fulfillment of the requirements To obtain theSarjana Teknikdegree in Department of Mechanical Engineering
Arranged by :
DWI ANDIKA KURNIAWAN 125214062
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
vii INTISARI
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan turbin angin berjenis propeller 4 sudu berbahan komposit. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengetahui daya keluaran, koefisien daya, dan tip speed ratio dari turbin angin tersebut.
Penelitian ini menggunakan turbin angin berjenis propellerdengan diameter kincir 100 cm, dan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros. Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu adalah material komposit. Metode yang digunakan adalah metode eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin pada 7,3 m/s; 8,3 m/s; dan 9,4 m/s dengan menggunakan blower. Variable yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s turbin angin dapat bekerja optimal dibanding pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s dan 9,4 m/s. Koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s adalah sebesar 43% yang bekerja padatip speed ratiosebesar 3,8; koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah sebesar 31% yang bekerja pada tip speed ratio sebesar 3,3; dan koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 9,4 m/s adalah sebesar 22% yang bekerja pada tip speed ratiosebesar 2,9.
viii ABSTRACT
The aim of this study was to develop a four-blade propeller wind turbine made from composite. Other than that, this study also aimed for knowing the output power, the coefficient of power andtip speed ratioof this wind turbine.
This study used a propeller wind turbine with diameter of 100 cm, and maximum blade width of 13 cm at length of 19 cm from axial center. The material that used for making the blade was composite material. This study used an experimental method with the wind-velocity variations of 7,3 m/s; 8,3 m/s; and 9,4 m/s by usingblower. The variables taken in this study are the wind-velocity, turbine rotation, the force, the voltage, and electric current.
The result showed that the wind turbine could work optimally at the wind-velocity variation of 7,3 m/s than the other wind-wind-velocity variations. The coefficient of power at the wind-velocity variation of 7,3 m/s was about 43% in tip speed ratio of 3,8; the coefficient of power at the wind-velocity variation of 8,3 m/s was about 31% intip speed ratio of 3,3; and the coefficient of power at the wind-velocity variation of 9,4 m/s was about 22% intip speed ratioof 2,9.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul “Unjuk Kerja Turbin Angin Propeller 4 Sudu Berbahan Komposit Berdiameter 100 cm, dengan Lebar Maksimum Sudu 13 cm pada Jarak 19 cm Dari Pusat Sumbu Poros”. Penyusunan skripsi ini merupakan syarat menyelesaikan jenjang pendidikan S-1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa selama penelitian dan penyusunan skripsi ini tidak lepas dari dukungan beberapa pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing penulis selama melakukan pengujian hingga penulisan skripsi ini, terimakasih atas bimbingan, nasihat, motivasi dan pelajaran yang sangat berarti.
x
5. Seluruh staff dan Laboran di jurusan Teknik Mesin, terimakasih atas bantuannya dalam mempelancar penelitian dan penyusunan skripsi.
6. Kedua orangtua penulis tercinta yang telah mendidik penulis dengan sabar, memberikan kasih sayang, motivasi, dukungan baik moral maupun materiil serta doa restu yang tak henti – hentinya diberikan kepada penulis.
7. Aditya Indra Pratama selaku kakak penulis yang selalu memberikan semangat, bantuan dan dukungan dalam penyusunan skripsi.
8. Vincentius Anggi dan Oktafianus Damar selaku rekan kelompok Tugas Akhir yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, pengujian, dan penyusunan skripsi.
9. Teman – teman seperjuangan jurusan Teknik Mesin angkatan 2012, terimakasih atas dukungan dan kebersamaannya selama ini.
10. Semua pihak yang turur membantu dan mendukung dalam penulisan skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu – persatu.
Penulis menyadari bahwa baik isi maupun bentuk penyajian skripsi ini masih jauh dari sempurna, namun penulis tetap berharap skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu, semoga Tuhan Yang Maha Esa selalu melimpahkan berkat dan rahmat-Nya kepada kita semua.
xi DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Title Page ... ii
Halaman Pengesahan ... iii
Daftar Dewan Penguji... iv
Pernyataan Keaslian Karya ... v
Lembar Pernyataan Persetujuan Karya Ilmiah... vi
Intisari ... vii
Abstract... viii
Kata Pengantar... ix
Daftar Isi ... xi
Daftar Gambar... xiii
Daftar Tabel ... xv
Daftar Lampiran... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Angin... 6
2.2 Turbin Angin... 7
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 9
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 14
2.3 Komposit... 16
2.3.1 Polimer ... 20
2.3.2 Serat (Fiber)... 22
xii
2.4.1 Energi Angin dan Daya Angin... 24
2.4.2 Daya Mekanis... 26
2.4.3 Daya Listrik... 27
2.4.4 Koefisien Daya... 27
2.5 Perhitungan Torsi danTip Speed Ratio... 28
2.5.1 Torsi ... 28
2.5.2 Tip Speed Ratio... 29
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 30
3.2 Tahapan Penelitian... 30
3.3 Bahan dan Alat... 31
3.4 Langkah – Langkah Pembuatan Sudu Kincir Angin... 37
3.5 Langkah – Langkah Penelitian... 42
3.6 Langkah – Langkah Pengolahan Data... 44
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengujian ... 46
4.2 Pengolahan Data... 48
4.3 Pembahasan Grafik ... 54
4.3.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi... 55
4.3.2 Grafik Hubungan Daya Ouput dan Torsi... 56
4.3.3 Grafik Hubungan Cp (mekanis) dan TSR... 61
4.3.4 Grafik Hubungan Cp (listrik) dan TSR... 64
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 68
5.2 Saran ... 69
Daftar Pustaka... 71
xiii
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 American Windmill... 12
Gambar 2.2 Cretan Sail... 13
Gambar 2.3 Dutch Four Arm... 13
Gambar 2.4 Turbin Angin Darrieus ... 15
Gambar 2.5 Turbin Angin Savonius ... 16
Gambar 2.6 Grafik hubungan tegangan dan regangan antara komposit, matriks, dan serat... 18
Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya... 19
Gambar 2.8 Klasifikasi komposit berdasarkan matriksnya... 20
Gambar 2.9 Grafik hubungan antara CP dan TSR... 28
Gambar 3.1 Diagram alir yang menggambarkan langkah – langkah penelitian ... 30
Gambar 3.2 Sudu turbin angin berjenispropellerberbahan komposit . 31 Gambar 3.3 Hub... 32
Gambar 3.4 Resinpolyester... 32
Gambar 3.5 Seratgelas /fiberglass... 33
Gambar 3.6 Mesin Blower ... 34
Gambar 3.7 Alat uji Anemometer... 34
Gambar 3.8 Alat uji Tachometer... 35
Gambar 3.9 Alat uji neraca pegas ... 35
Gambar 3.10 Alat uji Multimeter... 36
Gambar 3.11 Alat uji Voltmeter... 37
Gambar 3.12 Lampu pembebanan ... 37
Gambar 3.13 Desain sudu turbin angin berjenispropeller ... 38
Gambar 3.14 Proses menggambar cetakan pada pipa... 38
Gambar 3.15 Proses pemotongan dan penghalusan cetakan... 38
Gambar 3.16 Proses pencampuran resin dengan katalis ... 39
xiv
Gambar 3.18 Proses pembuatan sudu kincir berbahan komposit... 40
Gambar 3.19 Proses pemotonga nsudu ... 41
Gambar 3.20 Proses pengeboran sudu ... 41
Gambar 3.21 Proses pengecatan sudu... 41
Gambar 3.22 Sudu kincir angin berbahan komposit... 42
Gambar 3.23 Skema rangkaian listrik... 43
Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... 55
Gambar 4.2 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 56
Gambar 4.3 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s ... 57
Gambar 4.4 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s ... 58
Gambar 4.5 Grafik hubungan dayaoutput(mekanis) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... 59
Gambar 4.6 Grafik hubungan dayaoutput(listrik) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... ` 60
Gambar 4.7 Grafik hubungan CP (mekanis) dengantip speed ratio untuk ketiga variasi kecepatan angin... 62
xv
DAFTAR TABEL
Hal Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin ... 6 Tabel 2.2 Kekuatan Serat ... 23 Tabel 2.3 Sifat – sifat dari jenis serat gelas ... 24 Tabel 4.1 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
7,3 m/s... 46 Tabel 4.2 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
8,3 m/s... 47 Tabel 4.3 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
9,4 m/s... 48 Tabel 4.4 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
7,3 m/s... 52 Tabel 4.5 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
8,3 m/s... 53 Tabel 4.6 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Hal Lampiran 1. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 73 Lampiran 2. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s ... 73 Lampiran 3. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s ... 74 Lampiran 4. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3
m/s ... 74 Lampiran 5. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3
m/s ... 75 Lampiran 6. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4
m/s ... 75 Lampiran 7. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3
m/s ... 76 Lampiran 8. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3
m/s ... 76 Lampiran 9. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip
speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4
m/s ... 77 Lampiran 10. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar
poros pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 77 Lampiran 11. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar
xvii
Lampiran 12. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan energi di dunia dan khususmya di Indonesia setiap tahun semakin meningkat seiring dengan pertambahan jumlah penduduk, perkembangan ekonomi dan pola konsumsi masyarakat terhadap energi. Menurut Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konversi Energi (EBTKE), sumber daya energi di Indonesia dan dunia semakin menipis, dimana energi menjadi langka dan semakin mahal dengan pertumbuhan konsumsi energi rata-rata 7% setahun (Andri Kusbiantoro, dkk., 2013). Sedangkan, pertumbuhan kebutuhan energi ini tidak diimbangi dengan pasokan energi yang cukup, sehingga pasokan kebutuhan energi fosil masih terlalu besar, penggunaan energi fosil sendiri dapat mengakibatkan perubahan iklim global yang disebabkan oleh meningkatnya Gas Rumah Kaca (GRK) di atmosfir bumi. Untuk memenuhi kebutuhan energi dan mengurangi gas rumah kaca ini perlu ditingkatkan upaya pemanfaatan Energi Baru Terbarukan (EBT) atau energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang mudah dan dapat digunakan adalah angin (Andri Kusbiantoro, dkk., 2013).
dibutuhkan sebuah alat yang disebut turbin angin. Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain-lain. Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi angin menjadi energi mekanik pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator yang akan menghasilkan listrik. Pemanfaatan kincir angin atau turbin lebih menguntungkan dibandingkan dengan pemanfaatan mesindiesel,photovoltaicatau penambahan jaringan listrik.
Salah satu jenis turbin angin yang dapat digunakan adalah Turbin Angin Sumbu Horizotnal (TASH). Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun sejajar dengan permukaan tanah. Kelebihan utama dari jenis ini adalah daya listrik yang dihasilkan relatif besar. Turbin angin sederhana dengan diameter 0.6 m, dapat menghasilkan daya listrik sebesar 80 W (Ahmet Z. Sahin, et al., 2001). Selain itu, jenis turbin ini dapat menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibanding dengan jenis turbin angin sumbu vertikal, karena sudu atau blade pada turbin angin sumbu horizontal selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin dan menerima daya sepanjang putaran.
kincir angin dibanding menggunakan material lain, serta memberi kekakuan dan kekuatan spesifik pada sudu turbin angin.
Berdasarkan latar belakang tersebut, dilakukan pengujian terhadap unjuk kerja turbin angin sumbu horizontal 4 sudu berbahan komposit. Variasi kecepatan angin yang digunakan bertujuan untuk mengetahui perbandingan unjuk kerja dari turbin angin tersebut.
1.2 Perumusan Masalah
Perumusan masalah dari pengujian turbin angin sumbu horizontal ini adalah sebagai berikut :
1) Bagaimana desain dan bentuk dari turbin angin jenispropellerini. 2) Bagaimana nilai koefisien daya dan tip speed ratio dari turbin angin
jenispropellerini.
3) Bagaimana torsi dan dayaoutputdari turbin angin jenispropellerini. 4) Bagaimana perngaruh kecepatan angin terhadap kecepatan putar turbin
angin jenispropellerini.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1) Membuat dan mengembangkan turbin anginpropeller4 sudu berbahan komposit.
3) Mengetahui torsi dan dayaoutputdari turbin angin jenispropellerini. 4) Mengetahui pengaruh kecepatan angin terhadap kecepatan putar turbin
angin jenispropellerini.
1.4 Batasan Masalah
Permasalahan dalam pengujian ini dibatasi pada :
1) Jenis turbin angin yang digunakan adalah turbin angin sumbu horizontal berdiameter 100 cm, dengan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros.
2) Model turbin angin yang digunakan adalah turbin angin propeller dengan jumlah sudu sebanyak 4 buah sudu.
3) Bahan material yang digunakan pada sudu kincir menggunakan material komposit
4) Pengujian dilakukan di dalam laboratorium Universitas Sanata Dharma Yogyakarta menggunakanfan blower.
5) Variasi yang digunakan adalah variasi kecepatan angin.
1.5 Manfaat Penelitian
Pengujian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut : 1) Memberikan informasi mengenai unjuk kerja, kecepatan putar turbin,
2) Memberikan informasi mengenai pemanfaatan turbin angin propeller sebagai pengaplikasian energi terbarukan dan alternatif pembangkit tenaga listrik yang ramah lingkungan.
6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Angin
Angin merupakan gerakan udara dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah (Surya Bagaskara, dkk, 2010). Angin menjadi salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan sebagai penggerak pompa air, generator, dan sebagainya. Angin terjadi karena perbedaan suhu atau temperatur antara udara panas dan udara dingin (Sunarwo dan Bambang Sumiyarso, 2011). Di daerah yang panas, udara mengembang, menjadi panas lebih ringan sehingga udara naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin.
Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin
Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas permukaan tanah Kelas
Angin
Kecepatan Angin (m/s)
Kondisi Alam di Daratan
1 0.00 – 0.02 ---2 0.3 – 1.5 Angin bertiup, asap lurus ke atas 3 1.6 – 3.3 Asap bergerak mengikuti arah angin 4 3.4 – 5.4 Wajah terasa ada angin, daun bergoyang,
petunjuk arah angin bergerak 5 5.5 – 7.9 Debu jalan, 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
plumpang bergoyang kecil
8 13.9 – 17.1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga
berat melawan arah angin
10 20.8 – 24.4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh
11 24.5 – 28.4 Dapat merubuhkan pohon, menimbulkan kerusakan
12 28.5 – 32.6 Menimbulkan kerusakan parah
13 32.7 – 36.9 Tornado
(sumber :www.mataduniakami.id/2016/01/sumber-daya-energi-angin.html, diakses 2 Juni 2016)
Sebagian besar wilayah Sumatera dan Kalimantan memiliki potensi kecepatan angin yang cukup rendah yaitu antara 1,3 m/s – 2,7 m/s. Pulau Jawa dan Sulawesi memiliki potensi kecepatan angin antara 2,7 m/s – 5 m/s. Sebagian besar wilayah Maluku dan Nusa Tenggara memiliki potensi kecepatan angin 4,5 m/s – 5,5 m/s (Puji S, dkk, 2012).
2.2 Turbin Angin
listrik yang disebut turbin angin (wind turbine). Pada periode yang sama, Charles Brush membangun turbin angin dengan menambahkangearbox untuk menaikkan putaran.
Pada tahun 1920, seorang insiyur asal Perancis, Darrieus G.J.M, menciptakan turbin angin sumbu vertikal pertama dan mematenkannya sebagai Turbin Angin Darrieus pada tahun 1931. Pada tahun 1922, S.J. Savonius turut serta dalam perkembangan turbin angin dengan menciptakan Turbin Angin Savonius di Finlandia. Pada tahun 1931, sebuah turbin angin berdaya output 100 kW dengan menerapkan utility-scale sistem pertama didirikan di Rusia dan diaplikasikan di sekitar pantai Laut Caspia. Dan pada tahun 1941, Palmer C. Putman membangun turbin angin berdaya output 1250 kW dengan rotor yang dapat berputar secara konstan.
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Berdasarkan sumbu putarnya, turbin angin digolongkan menjadi dua macam tipe, yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Turbin angin sumbu horizontal atau HAWT adalah turbin angin yang memiliki poros atau sumbu rotor utama sejajar dengan permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal bekerja berdasarkan prinsip aerodinamis, dimana rotor turbin mengalami gaya geser (drag force) dan gaya angkat (lift force).
Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki komponen – komponen sebagai berikut, yaitu :
a. Rotor
Rotor pada turbin angin berfungsi untuk menerima energi kinetik dari angin dan mengubahnya ke dalam bentuk energi gerak putar (Puji S, dkk., 2012). Padarotor, terdapat blade/ sudu / baling – baling. Semakin panjang
blade/ sudu / baling – baling, maka semakin luas area yang dapat menerima hembusan angin.
b. Gearbox
Gearbox berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi (Puji S, dkk., 2012).
c. Generator
medan elektromagnetik. Poros pada generator dipasang dengan material
ferromagnetic permanen dan di sekeliling poros terdapat stator yang terbentuk dari kumparan – kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros tersebut berputar, maka akan terjadi perubahan fluks pada stator. Perubahan fluks tersebut akan menghasilkan tegangan dan arus listrik yang berupa AC (alternating current). Tegangan dan arus listrik AC memiliki bentuk gelombang kurang lebihsinusoidal(Puji S, dkk., 2012).
d. Brake Sistem
Brake sistem diperlukan saat terjadi hembusan angin yang terlalu kencang dan menimbulkan putaran berlebih pada generator. Brake sistem
digunakan untuk menjaga putaran poros setelahgearboxagar generator tetap bekerja pada titik aman. Dampak dari terjadinya putaran berlebih diantaranya : kerusakan pada generator, kerusakan padarotor, dan overheat
pada turbin angin. e. Penyimpanan Energi
f. Rectifier dan Inverter
Rectifier merupakan penyearah. Rectifier berfungsi untuk menyearahkan arus AC yang dihasilkan oleh generator menjadi arus DC.
Rectifierdigunakan dalam proses penyimpanan energi pada turbin angin.
Invertermerupakan pembalik arah.Inverterberfungsi untuk mengubah arus DC menjadi arus AC, sehingga energi listrik dapat disalurkan untuk kebutuhan energi rumah tangga.
g. Tower
Tower atau tiang penyangga adalah bagian struktur dari turbin angin sumbu horizontal. Tower atau tiang penyangga berfungsi sebagai penopang dari komponen – komponen turbin angin, sepertirotor, generator, gearbox, dan poros.
Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya yaitu : (1) Pengaplikasian pada menara yang tinggi memberikan akses terhadap angin yang lebih kuat, (2) Turbin angin sumbu horizontal memiliki efisiensi yang tinggi, karena blade / sudu / baling – baling selalu bergerak tegak lurus dengan angin, dan (3) Desain permukaan blade ./ sudu / baling – baling yang terkena angin pada sudut yang konsisten dapat mengurangi getaran dan noise pada menara.
menara yang kuat dan besar untuk menyangga komponen – komponen turbin angin, (3) Membutuhkan perangkat tambahan untuk mengatur pergerakan turbin sesuai dengan arah angin, (4) Turbin angin dengan penerapan mesin downwind
lebih sering mengalami kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi, dan (5) Desain turbin angin yang tinggi dapat mempengaruhi radar pesawat.
Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki beberapa jenis turbin angin, diantaranya adalah sebagai berikut :
a. American Windmill
[image:31.595.87.509.246.628.2]American Windmill atau Wind Engine dirancang oleh Daniel Halladay pada tahun 1854. Turbin angin ini digunakan sebagai kincir angin untuk mengangkat air dari sumur dan penggilingan gabah, serta memotong jerami.
Gambar 2.1American Windmill
(sumber :www.neenigeria.com/html/mechanical_windmills.html, diakses 6 Juni 2016)
b. Cretan Sail
Gambar 2.2Cretan Sail
(sumber :www.fieldlines.com/index.phptopic=140886.0, diakses 6 Juni 2016)
c. Dutch Four Arm
Desain rancangan kincir angin ini sangat sederhana, dan menjadi awal dari rancangan kincir angin yang asli. Material yang digunakan dalam pembuatan kincir angin ini adalah material kayu dan tanah liat. Kincir angin ini berasal dari negara Belanda.
Gambar 2.3Dutch Four Arm
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertical adalah turbin angin yang memiliki poros atau sumbu rotor utama tegak lurus dengan permukaan tanah. Kelebihan utama dari turbin angin ini adalah tidak harus diarahkan ke arah datangnya angin untuk menghasilkan energi listrik. Kelebihan ini sangat berguna di tempat – tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Selain itu, torsi yang dihasilkan turbin angin jenis savonius relatif tinggi (Sargolzei, 2007 dalam Andri Kusbiantoro, 2013).
Kelebihan lain dari turbin angin ini adalah sebagai berikut : (1) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar, (2) Memilikitip speed ratioyang lebih rendah, sehingga mengurangi kemungkinan rusak akibat hembusan angin yang sangat kencang, dan (3) Desain turbin angin sumbu vertical berbilah lurus dengan luas penampang berbentuk persegi atau persegi panjang, sehingga memiliki luas tangkapan angin yang lebih besar.
Turbin Angin Sumbu Vertikal memiliki beberapa jenis turbin angin, yaitu : a. Turbin Angin Darrieus
[image:34.595.86.515.226.628.2]Tubrin angin Darrieus diciptakan di Perancis sekitar tahun 1920-an oleh seorang insiyur asal Perancis, Darrieus G.J.M. Turbin angin ini menjadi turbin angin sumbu vertical pertama yang diciptakan.
Gambar 2.4 Turbin Angin Darrieus
(sumber :www.brightub.com/environment/renewable-energi articles/92978.aspx, diakses 6 Juni 2016)
b. Turbin Angin Savonius
Gambar 2.5 Turbin Angin Savonius
(sumber :
www.kompasiana.com/rudypamungkas/keren-kincir-angin-savonius-pembangkit-listrik-untuk-pulau-kecil_54f7cda5a33311641e8b4bea, diakses 6 Juni
2016)
2.3 Komposit
Komposit merupakan material yang mempunyai dua atau lebih fasa (Nuning Aisah, dkk, 2004). Menurut Hendriwan Fahmi, dkk. (2011), komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki karakteristik lebih baik dari keduanya. Bahan komposit banyak digunakan di berbagai bidang, seperti industri pesawat terbang, otomotif, komponen elektronik, maupun peralatan rumah tangga. Hal tersebut dikarenakan sifat bahan komposit yang ringan, kuat, kaku, serta tahan terhadap korosi (Hendriwan Fahmi, dkk, 2014).
Fahmi, dkk, 2011). Selain itu, matriks berfungsi sebagai distributor tekanan dan pelindung serat dari cacat permukaan akibat reaksi kimia dengan lingkungan (Nuning Aisah, dkk, 2004). Fasa matriks dapat berupa keramik, logam, atau polimer.
Reinforcement adalah bahan penguat dalam komposit. Fasa reinforcement
dapat berupa laminar, partikel, dan serat / fiber. Serat / fiber adalah suatu jenis bahan berupa potongan – potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis serat, yaitu serat alami dan serat sintetis. Penggunaan serat dalam komposit berfungsi sebagai penerus beban dari serat yang satu ke serat lainnya (Viktor Malau, 2010). Jika ada serat yang putus dalam arah pembebanan aksial, maka beban dari serat yang putus tersebut akan diteruskan melalui matriks menuju serat selanjutnya.
Menurut Viktor Malau (2010), komposit memiliki beberapa kelebihan diantaranya : (1) Dapat dirancang dengan kekakuan dan kekuatan tinggi sehingga bahan ini member kekakuan dan kekuatan spesifik yang tinggi yang dapat melebihi kemampuan bahan baja atau aluminium, (2) Memiliki sifat fatigue dan
Gambar 2. 6 Grafik hubungan tegangan dan regangan antara komposit, matriks, dan serat
(sumber:www.mse.mtu.edu/drjohn/my4150/compositesdesign/cd2/cd1.html, diakses 5 Juni 2016)
Berdasarkan bahan penguat / reinforcement yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, yaitu :
a. Fibrous Composites(Komposit Serat)
Komposit Serat merupakan jenis komposit yang hanya terdiro dari satu lapisan penguat berupa serat /fiber.Fiberyang digunakan berupafiberglass,
fiber carbon,poly aramide, dan sebagainya. b. Laminated Composites(Komposit Laminat)
c. Particulate Composites(Komposit Partikel)
[image:38.595.85.514.159.618.2]Komposit Partikel merupakan jenis komposit yang menggunakan partikel / serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.
Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya
Berdasarkan matriks yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:
a. Polymer Matrix Composites(Komposit Matriks Polimer)
Polymer Matrix Composites merupakan jenis komposit yang sering digunakan. Komposit jenis ini menggunakan suatu polimer berbahan resin sebagai matriksnya. Kelebihan dari komposit jenis ini adalah mudah dibentuk mengikuti profil yang digunakan, memiliki ketangguhan yang baik, dan lebih ringan dibanding jenis komposit yang lainnya.
b. Metal Matirx Composites(Komposit Matriks Logam)
komposit ini adalah tahan terhadap temperatur tinggi, memiliki kekuatan tekan dan geser yang baik, dan tidak menyerap kelembapan.
c. Ceramic Matrix Composites(Komposit Matriks Keramik)
[image:39.595.87.513.241.609.2]Ceramic Matrix Composites merupakan jenis komposit yang menggunakan bahan keramik sebagai penguatnya. Kelebihan dari jenis ini adalah memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik, tahan terhadap korosi, dan tahan terhadaptemperaturtinggi.
Gambar 2.8 Klasifikasi komposit berdasarkan matriksnya
2.3.1 Polimer
Polimer atau disebut juga makromolekul merupakan molekul besar yang dibangun dengan pengulangan oleh molekul sederhana yang disebut monomer. Polimer berasal dari dua kata, yaitu poly (banyak) dan meros (bagian – bagian). Polimer memiliki berat molekul lebih dari 10.000 gr/mol (Daniel Andri Porwanto, 2009).
a) PolimerThermoplastic
Polimer Thermoplastic merupakan polimer yang mempunyai sifat tidak tahan terhadap panas. Polimer jenis ini bersifat reversible, yaitu akan meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu, dan akan kembali mengeras bila didinginkan. Contoh dari polimer jenis ini adalah
Nylon 66, Polipropena, Polietilena, dan PVC. b) PolimerThermoset
Polimer Thermoset merupakan polimer yang mempunyai sifat tahan terhadap panas. Polimer jenis ini bersifat irreversible, yaitu tidak dapat dilunakkan kembali saat dipanaskan. Contoh dari polimer jenis ini adalah Epoksida, Bismaleimida, dan Poli-imida.
Jenis polimer yang paling banyak digunakan adalah resin polyester. Resin
2.3.2 Serat (Fiber)
Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan – potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Manusia menggunakan serat dalam banyak hal, antara lain untuk membuat tali, kain, atau kertas. Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis, yaitu serat alami dan serat sintetis (buatan). Serat alami merupakan jenis serat yang dihasilkan oleh tanaman, hewan, dan proses geologis. Serat alami dapat mengalami proses pelapukan. Serat alami dibagi menjadi empat jenis, yaitu serat tumbuhan, serat kayu, serat hewan, dan serat mineral. Serat alami yang paling banyak dimanfaatkan manusia adalah serat hewan, yaitu sutera dan bulu domba.
Sedangkan, serat sintetis adalah jenis serat yang umumnya berasal dari bahan petrokimia. Sifat dari serat sintetis adalah (1) sangat kuat dan tahan gesekan, (2) elastic dan tahan regangan, (3) sulit menghisap air, dan (4) peka terhadap panas. Salah satu serat sintetis yang paling banyak digunakan adalah serat gelas / fiberglass. Serat gelas (fiberglass) mempunyai karakteristik yang berbeda antara satu dengan yang lain (Hendriwan Fahmi, dkk, 2014). Serat gelas terbuat dari silica dan paduan lain seperti alumina, magnesia, dan sebagainya. Serat gelas banyak digunakan di industri – industri otomotif seperti panel body kendaraan.
(1) kekuatannya yang relatif rendah, (2) densitas yang rendah, dan (3) memiliki elongasi yang tinggi.
Tabel 2.2 Kekuatan Serat
Fibre Density (g/cm3)
Elongation (%)
Tensile
Strength (MPa)
Young’s modulus (GPa)
Cotton 1.5-1.6 7.0-8.0 287-597 5.5-12.6
Jute 1.3 1.5-1.8 393-773 26.5
Flax 1.5 2.7-3.2 345-1035 27.6
Hemp - 1.6 690
-Ramie - 3.6-3.8 400-938 61.4-128
Sisal 1.5 2.0-2.5 511-635 9.4-22.0
Coir 1.2 30.0 175 4.0-6.0
Viscose (cord)
- 11.4 593 11.0
Soft wood kraft
1.5 - 1000 40.0
E-glass 2.5 2.5 2000-3500 70.0
S-glass 2.5 2.8 4570 86.0
Aramide (normal)
1.4 3.3-3.7 3000-3150 63.0-67.0
Carbon (standard)
1.4 1.4-1.8 4000 230.0-240.0
(sumber :
http://imamengineering.blogspot.co.id/2015/03/makalah-mekanika-bahan-komposit.html, diakses 18 Juni 2016)
Tabel 2.3 Sifat – sifat dari jenis serat gelas
No Jenis Serat
E-glass C-glass S-glass
1 Isolator listrik yang baik
Tahan terhadap korosi
Modulus lebih tinggi
2 Kekakuan tinggi Kekuatan lebih rendah dari
E-glass
Lebih tahan terhadap suhu tinggi
3 Kekuatan tinggi Harga lebih mahal dari
E-glass
Harga lebih mahal dari E-glass
(sumber : Istanto (2006) dalam Daniel Andri Purwanto, dkk, 2009)
2.4 Perhitungan Koefisien Daya 2.4.1 Energi Angin dan Daya Angin
Energi angin adalah energi yang terkandung dalam massa udara yang bergerak (Puji S, dkk., 2012). Energi angin berasal dari energi matahari, sekitar 1% hingga 2% dari energi yang datang dari matahari diubah menjadi bentuk energi angin (Puji S, dkk., 2012). Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat gerakannya. Secara umum, energi kinetik angin dapat dirumuskan sebagai berikut :
= (1)
dengan :
Ek : energi kinetik angin (Joule)
v : kecepatan angin (m/detik)
Sedangkan daya angin adalah energi angin tiap satuan waktu. Dari Persamaan (1), didapat persamaan sebagai berikut :
= ̇ (2)
dimana :
PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)
ṁ : laju aliran massa udara (kg/detik)
v : kecepatan angin (m/detik)
Laju aliran massa udara dapat dirumuskan ke dalam persamaan berikut:
̇ = (3)
dengan :
ṁ : laju aliran massa udara (kg/detik)
ρ : kerapatan udara (kg/m3)
v : kecepatan angin (m/detik)
Dengan mensubtitusikan Persamaan (3) ke Persamaan (2), didapat persamaan untuk daya angin sebagai berikut :
= (4)
dengan :
PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)
ρ : kerapatan udara (kg/m3)
A : luas daerah sapuan angin (m2)
2.4.2 Daya Mekanis
Daya mekanis adalah daya yang dihasilkan turbin angin akibat adanya kerja dariblade/ sudu / baling – baling dengan cara mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi mekanik atau energi putar pada poros. Daya mekanis tidak sama dengan daya angin, karena daya mekanis dipengaruhi oleh koefisien daya angin (Cp). Daya mekanis dapat dirumuskan sebagai berikut :
= (5)
dimana :
PT : daya yang dihasilkan turbin angin (watt)
T : Torsi (Nm)
ω : kecepatan sudut (rad/detik)
Satuan kecepatan sudut adalah radian per detik, satuan lain yang dapat digunakan adalah putaran per menit (rpm). Konversi satuan yang menghubungkan radian per detik (rad/detik) dan putaran per menit (rpm) dapat dirumuskan sebagai berikut :
= (6)
dengan :
ω : kecepatan sudut (rad/detik)
n : putaran poros (rpm)
Dengan mensubtitusikan Persamaan (6) ke Persamaan (5), persamaan untuk daya turbin angin dapat dirubah menjadi :
dengan :
PT : daya yang dihasilkan turbin angin (watt)
T : Torsi (Nm)
n : putaran poros (rpm)
2.4.3 Daya Listrik
Daya listrik adalah daya keluaran yang dihasilkan dari putaran generator. Daya listrik dapat dirumuskan sebagai berikut :
= × (8)
dengan
PL : daya listrik yang dihasilkan oleh generator (watt)
V : tegangan yang dihasilkan oleh generator (volt)
I : arus yang mengalir pada beban (ampere)
2.4.4 Koefisien Daya
Koefisien daya merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin angin dengan daya yang dihasilkan oleh angin. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuwan Jerman bernama Albert Betz, didapatkan efisiensi maksimum turbin angin adalah sebesar 59,3%. Angka tersebut disebut
Betz Limit. Secara teori, koefisien daya dapat dirumuskan :
dengan
CP :Coefficient of Power, koefisien daya (%)
PT : daya yang dihasilkan oleh turbin (watt)
[image:47.595.88.510.122.601.2]PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)
Gambar 2.9 Grafik hubungan antara CP dan TSR
(sumber :https://mech.vub.ac.be/thermodynamics/wind brochurePInhoud.html, diakses 31 Mei 2016)
2.5 Perhitungan Torsi dan Tip Speed Ratio 2.5.1 Torsi
= (10)
dimana :
T : Torsi (Nm)
F : gaya yang bekerja pada sudu (N)
r : jarak yang tegak lurus terhadap gaya dari pusat poros (m)
2.5.2Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin.Tip Speed Ratiodapat dirumuskan sebagai berikut :
= (11)
Kecepatan ujung sudu adalah kecepatan sudut dikalikan dengan jarak dari pusat poros ke ujung sudu, atau bisa dirumuskan menjadi :
= (12)
Dari Persamaan (11) dan Persamaan (12), persamaanTip Speed Ratiodapat diubah menjadi :
= (13)
dimana :
r : jari – jari turbin angin (m)
n : putaran poros (rpm)
30
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelittian
Proses pembuatan kincir dan pengambilan data dilaksanakan pada bulan January sampai dengan bulan Mei 2016 di Laboratorium Konveksi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
[image:49.595.83.509.239.714.2]3.2 Tahapan Penelitian
Gambar 3.1 Diagram alir yang menggambarkan langkah – langkah penelitian Mulai
Konsultasi dan Studi Pustaka
Perancangan kincir angin jenispropeller
Pembuatan kincir angin jenispropeller
Pengujian kincir angin
Pengambilan data
Pengolahan data
Pembahasan dan Laporan
Selesai BAIK
3.3 Bahan dan Alat
Bagian – bagian turbin angin berjenis propeller dalam pengujian ini adalah sebagai berikut :
a. Sudu / baling – baling /blade
Sudu kincir pada turbin angin berfungsi untuk menangkap angin yang datang melintasi turbin. Sudu yang dibuat berukuran panjang 46 cm dan lebar sudu 13 cm, dengan jarak dari ujung bawah sudu 15 cm.
Gambar 3.2 Sudu turbin angin berjenispropeller berbahan komposit
b. Hub
Gambar 3.3Hub
Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenis propellerini adalah komposit, dengan menggunakan polimer dan penguat sebagai berikut :
a. ResinPolyester
Polimer matriks yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenis propeller ini adalah resin berjenis polyester. Resin polyester menjadi jenis resin yang paling banyak digunakan sebagai polimer matriks komposit.
b. Serat Gelas /Fiberglass
Penguat atau reinforcement yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenispropellerini adalah serat gelas /fiberglass.
Gambar 3.5 Serat gelas /fiberglasstipe E-glass
Sedangkan, alat yang digunakan dalam pengujian turbin angin ini adalah sebagai berikut :
a. Blower
Gambar 3.6 Mesin Blower b. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk kecepatan udara atau gas yang berhembus. Anemometer diletakkan di depanturbin angin. Anemometer terdiri dari dua komponen utama, yaitu sensor elektrik yang diletakkan di depanturbin angin dan modul digital yang berfungsi untuk menerjemahkan data dari sensor yang kemudian ditampilkan pada layar.
Gambar 3.7 Alat uji Anemometer c. Tachometer
tachometer, yaitu tachometer analog dan tachometer digital. Pada percobaan ini, digunakan tachometer berjenis tachometer digital, prinsip kerjanya adalah dengan memantulkan sinar infrared ke reflectoryang dipasang pada generator turbin angin.
Gambar 3.8 Alat uji Tachometer d. Neraca Pegas
Neraca pegas adalah alat yang digunakan untuk menimbang atau mengukur massa suatu benda. Neraca pegas digantung dengan menggunakan kawat dan dihubungkan pada plat besi yang berfungsi sebagai lengan ayun pada generator. Panjang lengan ayun yang digunakan adalah 27,5 cm.
e. Multimeter dan Voltmeter
Multimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur arus listrik, tegangan listrik, dan hambatan listrik atau resistansi pada suatu benda. Terdapat dua jenis multimeter dalam menampilkan hasil pengukurannya, yaitu multimeter analog dan multimeter digital. Pada percobaan ini, multimeter yang digunakan adalah jenis multimeter digital dan digunakan untuk mengukur arus listrik. Multimeter dihubungkan secara seri dengan lampu pembebanan dan batas ukur yang digunakan adalah 10A.
Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur besaran tegangan atau beda potensial listrik antara dua titik pada suatu rangkaian listrik. Terdapat dua jenis voltmeter, yaitu voltemeter analog dan voltmeter digital. Dalam percobaan ini, voltmeter dipasang secara paralel dengan sumber tegangan (output generator) dan batas ukurnya adalah mV (milivoltmeter).
Gambar 3.11 Alat uji Voltmeter f. Lampu Pembebanan
Dalam percobaan ini, lampu digunakan untuk memberikan variasi pembebanan atau efek pengereman pada generator. Lampu disusun secara paralel sebanyak jumlah variasi pembebanan yang digunakan.
Gambar 3.12 Lampu pembebanan
3.4 Langkah – Langkah Pembuatan Sudu Kincir Angin
a. Proses pembuatan cetakan dari pipa, dengan membuat cetakan di pipa PVC AW 8 inch sesuai dengan profil yang ditentukan. Kemudian, memotong cetakan menggunakan gerinda. Setelah itu, menghaluskan dan membuat radius profil cetakan yang telah dipotong.
Gambar 3.13 Desain sudu turbin angin berjenispropeller
Gambar 3.14 Proses menggambar cetakan pada pipa
b. Proses pembuatan polimer sebagai matriks komposit, dengan mencampurkan resin dan katalis. Resin yang digunakan adalah jenis resin polyester. Perbandingan yang digunakan adalah 95% untuk resin dan 5% katalis.
Gambar 3.16 Proses pencampuran resin dengan katalis
Gambar 3.17 Proses pelapisan sudu dengan aluminium foil
Gambar 3.18 Proses pembuatan sudu kincir berbahan komposit d. Proses penyelesaian atau finishing pembuatan sudu. Setelah semua sudu
warna yang diinginkan. Pada percobaan ini, warna yang dipakai adalah warna hijau.
Gambar 3.19 Proses pemotongan sudu
Gambar 3.20 Proses pengeboran sudu
Gambar 3.22 Sudu kincir angin berbahan komposit
3.5 Langkah – Langkah Penelitian
Langkah – langkah penelitian pada pengujian turbin angin ini adalah sebagai berikut :
a. Memasang sudu kincir yang akan diuji padahub.
b. Memasang neraca pegas pada besi yang dijadikan lengan ayun pada generator. Kemudian, mengaitkan neraca pegas pada arah horizontal menggunakan kawat.
Gambar 3.23 Skema rangkaian listrik
d. Menyalakan fan blower dan mencari variasi kecepatan angin yang ditentukan menggunakan anemometer. Setelah mendapatkan variasi kecepatan angin yang ditentukan, pindahkan turbin angin sesuai posisi variasi kecepatan angin tersebut didapatkan menggunakanfork lift. e. Menempatkan anemometer yang terpasang pada tiang penyangga di
depan turbin angin.
f. Setelah semua alat uji dan sudu kincir terpasang pada tempatnya, pengujian siap dilakukan.
g. Pengambilan data kecepatan angin dilakukan dengan membaca hasil yang tertera pada layar digital anemometer. Pengambilan data kecepatan putar poros dengan meletakkan tachometer tegak lurus dengan generator yang telah ditempel isolasi hitamagar tachometer dapat membaca kecepatan putar poros.
h. Pengambilan data gaya torsi yang bekerja dilakukan dengan membaca hasil yang tertera pada layar digital neraca pegas. Satuan dari hasil tersebut berupa satuan gaya (kilogram-gaya).
j. Lakukan pengambilan data untuk setiap beban lampu hingga jumlah beban lampu yang telah ditentukan.
k. Setelah pengujian pada variasi kecepatan angin tersebut selesai, matikanfan blower.
l. Ulangi langkah 4 hingga langkah 11 untuk variasi kecepatan angin lainnya yang telah ditentukan.
3.6 Langkah – Langkah Pengolahan Data
Dari data pengujian yang telah didapat, maka akan diolah untuk mencari unjuk kerja dari turbin angin tersebut. Langkah – langkah pengolahan data adalah sebagai berikut :
a. Dari data kecepatan angin (v), dan dengan diketahuinya densitas udara (ρ) serta luas sapuan turbin (A), maka didapatkan daya angin (PA) dengan menggunakan persamaan (4).
b. Dari data tegangan yang dihasilkan generator (V) dan arus yang mengalir pada beban lampu (I), maka didapatkan daya listrik (PL) sebagai daya keluaran kincir dengan menggunakan persamaan (8). c. Dari data massa yang bekerja pada turbin (m) dan panjang lengan ayun
(r), maka didapatkan torsi (T) yang bekerja pada kincir angin dengan menggunakan persamaan (10).
e. Dengan membandingkan kecepatan di ujung sudu (vt) dan kecepatan angin (v), maka akan didapatkan tip speed ratio (TSR) dengan menggunakan persamaan (11).
46 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Pengujian
Pengujian unjuk kerja turbin angin propeller 4 sudu berbahan komposit
dilakukan dengan tiga variasi kecepatan angin, yaitu kecepatan angin rata – rata
7,3 m/s, kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, dan kecepatan angin rata – rata 9,4
m/s. Pengujian yang dilakukan meliputi pengukuran kecepatan angin, kecepatan
putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik. Pengujian selesai
apabila beban yang diberikan kepada turbin sudah maksimal, kecepatan putar
poros mengalami penurunan secara drastis, dan gaya pengimbang mengalami
penurunan atau tidak mengalami perubahan. Pada variasi kecepatan angin rata –
rata 7,3 m/s, pengujian dilakukan dengan menggunakan 16 lampu pembebanan.
Tabel 4.1 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 7,3
m/s
Beban
Kecepatan Angin Rata - rata
Kecepatan Putar Poros
Gaya
Pengimbang Tegangan Arus
[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]
0
7.3
797 0.1 53.1 0
1 765 0.14 51.4 0.15
2 751 0.18 50.6 0.3
3 746 0.2 49.3 0.44
4 726 0.24 48.3 0.59
5 703 0.27 46 0.72
6 686 0.3 44.3 0.84
7 676 0.32 43.4 0.98
8 639 0.35 40 1.08
9 627 0.38 38.8 1.2
10 604 0.41 37.8 1.31
[image:65.595.88.513.237.754.2]12 573 0.46 34.3 1.5
13 551 0.48 32.1 1.57
14 544 0.5 31.6 1.67
15 502 0.51 29.8 1.72
16 488 0.53 28.6 1.78
Pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, pengujian dilakukan dengan
menggunakan 18 lampu pembebanan. Data yang diperoleh pada variasi keepatan
angin rata – rata 8,3 m/s ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 8,3
m/s
Beban
Kecepatan Angin Rata - rata
Kecepatan Putar Poros
Gaya
Pengimbang Tegangan Arus
[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]
0
8.3
814 0.1 54.1 0
1 800 0.14 53.4 0.15
2 790 0.18 52.7 0.31
3 760 0.21 50.3 0.45
4 743 0.24 49.4 0.59
5 726 0.28 48.2 0.75
6 708 0.31 46.3 0.86
7 685 0.33 45.2 0.99
8 662 0.37 43.6 1.12
9 635 0.4 42.5 1.23
10 627 0.43 41.6 1.35
11 608 0.45 40.6 1.45
12 589 0.47 37.7 1.53
13 557 0.49 36.1 1.61
14 535 0.52 35.5 1.71
15 523 0.54 34.2 1.82
16 516 0.56 33.5 1.9
17 505 0.57 31.7 2
[image:66.595.87.511.220.707.2]Pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s, pengujian dilakukan dengan
menggunakan 19 lampu pembebanan. Data yang diperoleh pada variasi keepatan
angin rata – rata 9,4 m/s ditunjukkan pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 9,4
m/s
Beban
Kecepatan Angin Rata - rata
Kecepatan Putar Poros
Gaya
Pengimbang Tegangan Arus
[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]
0
9.4
829 0.1 55.9 0
1 793 0.13 53.1 0.15
2 788 0.17 51.1 0.3
3 748 0.21 49.7 0.44
4 735 0.25 48.8 0.58
5 713 0.28 46.8 0.72
6 699 0.3 45.4 0.85
7 680 0.32 44 0.99
8 675 0.36 42.1 1.1
9 644 0.39 41 1.2
10 632 0.41 39.6 1.28
11 623 0.44 38.7 1.4
12 605 0.46 37.3 1.48
13 590 0.48 36.7 1.57
14 580 0.49 35.5 1.66
15 563 0.51 34.02 1.72
16 547 0.53 33.5 1.8
17 512 0.55 32.23 1.9
18 477 0.55 30.1 1.9
19 466 0.57 29.5 2
4.2 Pengolahan Data
Pengolahan data meliputi perhitungan daya yang dihasilkan oleh angin, daya
mekanis yang dihasilkan kincir, daya listrik yang dihasilkan generator, torsi yang
[image:67.595.84.517.200.632.2]angin propeller 4 sudu berbahan komposit. Sebagai contoh perhitungan, diambil
data dari beban 1 pada kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s. Data tersebut meliputi
kecepatan angin rata – rata, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta
tegangan dan arus yang dihasilkan generator.
Untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari dengan
persamaan (4) pada sub Bab 2.4.1, yaitu :
maka dengan diketahui densitas udara sebesar 1,18 kg/m3, diameter kincir angin
100 cm, dan kecepatan angin rata – rata sebesar 7,3 m/s diperoleh daya yang
dihasilkan oleh angin sebesar :
⁄ ⁄
Untuk mengetahui torsi yang bekerja dapat dicari dengan persamaan (10)
pada sub Bab 2.5.1, yaitu :
maka dengan gaya pengimbang sebesar 0,14 kg dan panjang lengan ayun yang
tegak lurus dengan pusat poros 27,5 cm diperoleh torsi sebesar :
⁄
Dari nilai torsi tersebut, dapat diketahui daya mekanis yang dihasilkan oleh
kincir angin dengan persamaan (7) pada sub Bab 2.4.2, yaitu :
maka dengan diketahui torsi yang bekerja sebesar 0,378 Nm dan kecepatan putar
poros 765 rpm diperoleh daya mekanis sebesar :
Untuk mengetahui daya listrik yang dihasilkan generator dapat dicari dengan
persamaan (8) pada sub Bab 2.4.3, yaitu :
maka dengan tegangan yang dihasilkan generator sebesar 51,4 volt dan arus yang
mengalir pada beban sebesar 0,15 A diperoleh daya listrik sebesar:
Untuk mengetahui koefisien daya dari perbandingan daya mekanis yang
dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari
menggunakan persamaan (9) pada sub Bab 2.4.4, yaitu :
maka dengan diketahui daya mekanis yang dihasilkan kincir sebesar 30,257 watt
dan daya yang dihasilkan angin sebesar 183,129 watt diperoleh koefisien daya
sebesar :
Untuk mengetahui koefisien daya dari perbandingan daya listrik yang
dihasilkan generator dengan daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari dengan
persamaan di atas, yaitu :
maka dengan diketahui daya listrik yang dihasilkan generator sebesar 7,71 watt
dan daya yang dihasilkan angin sebesar 183,129 watt diperoleh koefisien daya
sebesar :
Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan di ujung sudu dengan
kecepatan angina atau tip speed ratio dapat dicari menggunakan persamaan (13)
pada sub Bab 2.5.2, yaitu :
maka dengan kecepatan putar poros 765 rpm, kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s,
dan jari – jari kincir 50 cm diperoleh tip speed ratio sebesar :
⁄
Hasil pengolahan data pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s untuk
semua beban ditunjukkan pada Tabel 4.4
Tabel 4.4 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 7,3 m/s
Beban Torsi Daya Angin
Daya Mekanis
Daya
Listrik TSR
CP (mekanis)
CP (listrik)
[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]
[image:71.595.88.521.170.697.2]Berdasarkan perhitungan data dari beban 1 pada variasi kecepatan angin rata
– rata 7,3 m/s, didapat pula hasil pengolahan data lainnya pada variasi kecepatan
angin rata – rata 8,3 m/s dan 9,4 m/s yang ditunjukkan pada Tabel 4.5 dan Tabel
4.6
Tabel 4.5 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 8,3 m/s
Beban Torsi Daya Angin
Daya Mekanis
Daya
Listrik TSR
CP (mekanis)
CP (listrik)
[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]
[image:72.595.87.524.210.625.2]Tabel 4.6 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 9,4 m/s
Beban Torsi Daya Angin
Daya Mekanis
Daya
Listrik TSR
CP (mekanis)
CP (listrik)
[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]
0 0.270 366.697 23.420 0 4.5374 6.3867 0 1 0.351 366.697 29.124 7.965 4.3404 7.9422 2.1721 2 0.459 366.697 37.845 15.33 4.3130 10.3204 4.1806 3 0.567 366.697 44.376 21.868 4.0941 12.1016 5.9635 4 0.674 366.697 51.911 28.304 4.0229 14.1563 7.7186 5 0.755 366.697 56.400 33.696 3.9025 15.3805 9.1890 6 0.809 366.697 59.242 38.59 3.8259 16.1555 10.5237 7 0.863 366.697 61.474 43.56 3.7219 16.7641 11.8790 8 0.971 366.697 68.649 46.31 3.6945 18.7210 12.6289 9 1.052 366.697 70.955 49.2 3.5248 19.3496 13.4171 10 1.106 366.697 73.203 50.688 3.4592 19.9629 13.8228 11 1.187 366.697 77.441 54.18 3.4099 21.1185 14.7751 12 1.241 366.697 78.622 55.204 3.3114 21.4405 15.0544 13 1.295 366.697 80.006 57.619 3.2293 21.8180 15.7130 14 1.322 366.697 80.289 58.93 3.1745 21.8951 16.0705 15 1.376 366.697 81.116 58.5144 3.0815 22.1208 15.9571 16 1.430 366.697 81.902 60.3 2.9939 22.3350 16.4441 17 1.484 366.697 79.554 61.237 2.8024 21.6948 16.6996 18 1.484 366.697 74.116 57.19 2.6108 20.2117 15.5960 19 1.538 366.697 75.040 59 2.5506 20.4637 16.0896
4.3 Pembahasan Grafik
Dari data hasil penelitian dan pengolahan data, maka dibuat grafik untuk
melihat hubungan yang terjadi. Grafik yang dibuat adalah grafik hubungan
kecepatan putar poros dan torsi, grafik hubungan daya output dan kecepatan putar
poros untuk ketiga variasi kecepatan angin, grafik hubungan CP (mekanis) dengan
[image:73.595.87.524.131.614.2]4.3.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi
Berdasarkan data pengujian dan pengolahan data maka dibuat grafik
hubungan kecepatan putar poros dan torsi untuk melihat hubungan dari kecepatan
[image:74.595.80.512.194.628.2]putar poros dengan torsi.
Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi
untuk ketiga variasi kecepatan angin
Dari grafik hubungan torsi dan kecepatan putar poros, dapat dilihat
kecepatan putar maksimum terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s
dan torsi maksimum terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s.
Berdasarkan tabel pengujian dan pengolahan data, kecepatan putar maksimum
pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s adalah sebesar 829 rpm dan torsi
maksimum pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s adalah sebesar 1,592
Nm. Pada grafik tersebut dapat dilihat pula bahwa grafik mengalami penurunan,
dengan hubungan semakin besar torsi yang bekerja maka semakin rendah 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80
kecepatan putar poros. Hal tersebut disebabkan oleh penambahan beban lampu
yang diterima kincir.
4.3.2 Grafik Hubungan Daya Output dan Torsi
Berdasarkan data pengujian dan pengolahan data maka dibuat grafik
hubungan daya ouput dan torsi untuk melihat hubungan dari daya output dengan
torsi yang bekerja. Daya output disini meliputi daya mekanis atau daya yang
dihasilkan kincir dan daya listrik yang dihasilkan generator. Grafik hubungan
daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s dapat
[image:75.595.84.513.240.622.2]dilihat pada Gambar 4.2 berikut
Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s
Pada grafik hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi
kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, dapat dilihat bahwa grafik mengalami 0 10 20 30 40 50 60 70 80
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80
peningkatan hingga titik tertentu, kemudian mengalami penurunan. Hal tersebut
dikarenakan pada kondisi torsi tertentu, kincir bekerja secara optimal dan dapat
menghasilkan daya keluaran maksimum. Berdasarkan Tabel 4.4, daya mekanis
maksimum adalah sebesar 76,842 watt pada torsi 1,349 Nm dan daya listrik
maksimum adalah sebesar 52,772 watt pada torsi 1,349 Nm. Hubungan yang
terjadi pada grafik tersebut adalah semakin besar torsi yang bekerja, maka
semakin besar daya output yang dihasilkan. Pada grafik tersebut dapat dilihat juga
bahwa daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir lebih besar dibanding daya listrik
yang dihasilkan oleh generator. Hal tersebut disebabkan oleh pengurangan daya
akibat kerja dari generator.
Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin
rata – rata 8,3 m/s dapat dilihat pada Gambar 4.3 berikut
Gambar 4.3 Grafik hubungan daya output dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80
[image:76.595.88.515.200.666.2]Pada grafik hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi
kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, juga terjadi peningkatan hingga titik tertentu,
kemudian mengalami penurunan. Hal tersebut juga dikarenakan kincir bekerja
optimal dan dapat menghasilkan daya keluaran maksimum pada kondisi torsi
tertentu. Berdasarkan Tabel 4.5, daya mekanis maksimum adalah sebesar 81,633
watt pada torsi 1,511 Nm dan daya listrik maksimum adalah sebesar 63,65 watt
pada torsi 1,511 Nm. Pada grafik tersebut, hubungan yang terjadi adalah semakin
besar torsi yang bekerja, maka semakin besar daya output yang dihasilkan. Selain
itu, daya mekanis yang dihasilkan kincir juga lebih besar dibanding daya listrik
yang dihasilkan oleh generator. Hal tersebut juga diakibatkan oleh kerja dari
generator.
Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin
rata – rata 9,4 m/s dapat dilihat pada Gambar 4.4 berikut.
Gambar 4.4 Grafik hubungan daya output dengan torsi
pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80
[image:77.595.88.512.230.692.2]Seperti pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s dan 8,3 m/s, grafik
hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi kecepatan angin rata
– rata 9,4 m/s, juga terjadi peningkatan hingga titik tertentu, kemudian mengalami
penurunan. Hal tersebut juga dikarenakan kincir bekerja optimal dan dapat
[image:78.595.85.514.242.690.2]menghasilkan daya keluaran maksimum pada kondisi torsi tertentu. Berdasarkan
Tabel 4.6, daya mekanis maksimum adalah sebesar 81,902 watt pada torsi 1,430
Nm dan daya listrik maksimum adalah sebesar 61,237 watt pada torsi 1,484 Nm.
Hubungan yang terjadi pada grafik tersebut adalah semakin besar torsi yang
bekerja, maka semakin besar daya output yang dihasilkan. Daya mekanis yang
dihasilkan oleh kincir juga lebih besar dibanding daya listrik yang dihasilkan oleh
generator.
Untuk grafik hubungan daya mekanis sebagai daya output dengan torsi
untuk ketiga variasi kecepatan angin dapat dilihat pada Gambar 4.5 berikut.
Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output (mekanis) dengan torsi
untuk ketiga variasi kecepatan angin 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80
D a y a M e ka n is ( w a tt ) Torsi (Nm) Kecepatan Angin 7,3 m/s
Kecepatan Angin 8,3 m/s
Pada grafik hubungan daya output mekanis dengan torsi yang bekerja, dapat
dilihat bahwa daya keluaran berupa daya mekanis tertinggi terjadi pada variasi
kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s. Berdasarkan tabel pengujian, daya mekanis
terbesar terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s yaitu sebesar
81,902 watt pada torsi 1,430 Nm. Perbedaan tersebut dikarenakan oleh
pendekatan grafik yang digunakan. Pada grafik hubungan daya output mekanis
dengan torsi di atas, dapat dilihat juga bahwa semakin tinggi kecepatan angin,
maka semakin besar daya mekanis yang dihasilkan. Hal tersebut dikarenakan
peningkatan kecepatan angin berpengaruh pada peningkatan kecepatan putar
