Unjuk kerja kincir angin poros horizontal 2 sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan lebar maksimal 10 sentimeter dari pusat poros.

(1)

vii ABSTRAK

Energi merupakan kebutuhan penting dalam kehidupan pada era modern

ini. Sebagian besar energi yang digunakan selama ini berasal dari sumber daya

energi fosil, yang jumlahnya terbatas dan tidak dapat diperbaharui kembali. Oleh

karena itu, Indonesia yang memiliki potensi angin yang cukup baik dan angin

sendiri merupakan salah satu energi terbarukan dapat dimanfaat sebagai sumber

energi yang dapat mengurangi penggunakan energi yang sudah ada dengan cara

mengubah energi angin menjadi energi listrik dengan kincir angin yang porosnya

terhubung dengan generator.

Pada tugas akhir ini menggunakan model kincir angin poros horizontal 2

sudu diameter 1 meter dengan lebar maksimal 10 sentimeter dari pusat poros

berbahan komposit. Tujuan tugas akhir ini adalah mengetahui a) daya kincir, b)

torsi, c) koefisien daya dan d) tip speed ratio.

Hasil penelitian terhadap kincir angin poros horizontal 2 sudu adalah a)

daya terbesar yang dihasilkan dari kincir angin yaitu 23,08 watt pada torsi 0,64

N.m dengan kecepatan angin 9 m/s. b) Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir

angin 0,7 N.m pada kecepatan putar kincir 398 rpm terjadi pada kecepatan angin 9

m/s. c) Koefisien daya tertinggi yang didapatkan 13,02 % pada tsr 3,9 dengan

kecepatan angin 7 m/s. d) Tip speed ratio tertinggi yang didapatkan 4,8 pada

(2)

viii

Kata kunci : sudu berbahan komposit, daya kincir, torsi, koefisien daya, tip speed

(3)

ix ABSTRACT

Energy is one of the most important things in this modern era. Most of the energy that has been used until now comes from fossil, which is classified as unrenewable energy and it could be running out as the time goes by. Indonesia has a great potential in wind energy and it would be very important to maximize it. Wind is one of the natural sources that can be transformed as a renewable energy with a windmill. With the windmill that connected with the generator, the wind energy could be transformed into electrical energy.

The type of windmill that has been used in this final project is the two-bladed composite horizontal axis windmill with one meter in diameter and maximally 10 centimeters width from the center of the axis. The purpose of this final project is to determine a) windmill output power, b) torque, c) coefficient of performance, and d) tip speed ratio.

The final result of the experiment using this two-bladed horizontal axis windmill are: a) The biggest ouput power of the windmill is 23,08 Watt, with the torque of 0,64 N.m and the wind speed of 9 m/s. b) The biggest torque of the windmill is 0,7 N.m, with the rotation speed of 398 rpm and the wind speed of 9 m/s. c) The biggest coefficient of power of the windmill is 13,02%, with the tip speed ratio of 3,9 and the wind speed of 7 m/s. d) The biggest tip speed ratio of the windmill is 4,8 with the rotation speed of 629 rpm and the wind speed of 7 m/s.

(4)

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL 2 SUDU

DIAMETER 1 METER BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN

LEBAR MAKSIMAL 10 SENTIMETER

DARI PUSAT POROS

SKRIPSI

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin

(5)

ii

THE PERFORMANCE OF TWO-BLADED COMPOSITE

HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE WITH 1 METER IN

DIAMETER AND MAXIMALLY 10 CENTIMETER OF WIDTH

FROM THE CENTER OF THE AXIS

FINAL PROJECT

Aspartial fullfilment of the requirement

to obtain Sarjana Teknik Mesin degree

by :

STEPHANUS YERIKHO

Student Number : 125214065

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

vii

ABSTRAK

Energi merupakan kebutuhan penting dalam kehidupan pada era modern ini.

Sebagian besar energi yang digunakan selama ini berasal dari sumber daya energi

fosil, yang jumlahnya terbatas dan tidak dapat diperbaharui kembali. Oleh karena itu,

Indonesia yang memiliki potensi angin yang cukup baik dan angin sendiri merupakan

salah satu energi terbarukan dapat dimanfaat sebagai sumber energi yang dapat

mengurangi penggunakan energi yang sudah ada dengan cara mengubah energi angin

menjadi energi listrik dengan kincir angin yang porosnya terhubung dengan

generator.

Pada tugas akhir ini menggunakan model kincir angin poros horizontal 2 sudu

diameter 1 meter dengan lebar maksimal 10 sentimeter dari pusat poros berbahan

komposit. Tujuan tugas akhir ini adalah mengetahui a) daya kincir, b) torsi, c)

koefisien daya dan d) tip speed ratio.

Hasil penelitian terhadap kincir angin poros horizontal 2 sudu adalah a) daya

terbesar yang dihasilkan dari kincir angin yaitu 23,08 watt pada torsi 0,64 N.m

dengan kecepatan angin 9 m/s. b) Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin 0,7

N.m pada kecepatan putar kincir 398 rpm terjadi pada kecepatan angin 9 m/s. c)

(11)

viii

angin 7 m/s. d) Tip speed ratio tertinggi yang didapatkan 4,8 pada kecepatan putar

kincir 629 rpm terjadi pada kecepatan angin 7 m/s.

Kata kunci : sudu berbahan komposit, daya kincir, torsi, koefisien daya, tip speed

(12)

ix

ABSTRACT

Energy is one of the most important things in this modern era. Most of the energy that has been used until now comes from fossil, which is classified as unrenewable energy and it could be running out as the time goes by. Indonesia has a great potential in wind energy and it would be very important to maximize it. Wind is one of the natural sources that can be transformed as a renewable energy with a windmill. With the windmill that connected with the generator, the wind energy could be transformed into electrical energy.

The type of windmill that has been used in this final project is the two-bladed composite horizontal axis windmill with one meter in diameter and maximally 10 centimeters width from the center of the axis. The purpose of this final project is to determine a) windmill output power, b) torque, c) coefficient of performance, and d) tip speed ratio.

The final result of the experiment using this two-bladed horizontal axis windmill are: a) The biggest ouput power of the windmill is 23,08 Watt, with the torque of 0,64 N.m and the wind speed of 9 m/s. b) The biggest torque of the windmill is 0,7 N.m, with the rotation speed of 398 rpm and the wind speed of 9 m/s. c) The biggest coefficient of power of the windmill is 13,02%, with the tip speed ratio of 3,9 and the wind speed of 7 m/s. d) The biggest tip speed ratio of the windmill is 4,8 with the rotation speed of 629 rpm and the wind speed of 7 m/s.

(13)

x

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha atas limpahan

rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat

pada waktunya.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib bagi setiap mahasiswa Jurusan

Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma untuk mendapatkan gelar S1 Teknik

Mesin.

Berkat bimbingan,nasihat, dan doa yang diberikan oleh berbagai

pihak,akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan juga

maksimal. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati dan ketulusan,penulis

mengucapkan terima kasih sbesar-besarnya kepada :

1. Sudi Mungkasi, Ph.D selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sekaligus sebagai Dosen Pembimbing

Akademik.

3. Doddy Purwadianto, ST., M.T selaku Dosen Pembimbing Skripsi.

4. Herman Yosef Sumarto dan Anastasia Sumarni sebagai kedua orang tua saya

yang selalu memberi semangat baik berupa materi maupun spiritual.

5. Bernardus Morgan Wijayanto, dan Kukuh Wahyu Aji Sukma yang tak

(14)

xi

6. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma atas semua ilmu yang telah diberikan kepada penulis

selama perkuliahan.

7. Seluruh Tenaga Kependidikan Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan

Teknologi yang telah membantu penulis selama perkuliahan hingga selesainya

penulisan skripsi ini.

8. Semua teman-teman Teknik Mesin dan pihak yang tidak dapat penulis sebutkan

satu persatu yang telah memberikan bantuan moril maupun material sehingga

proses penyelesaian skripsi ini berjalan dengan lancar.

Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidaklah

sempurna,karena tidak ada gading yang tak retak sehingga kritik dan saran yang

bersifat membangun dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan skripsi ini

di kemudian hari.Akhirnya, besar harapan penulis agar skripsi ini dapat bermanfaat

bagi kita semua.

Yogyakarta, 26 Juli 2016

(15)

xii

n Kecepatan putar rotor (rpm)

F Gaya pengimbang (N)

Ek Energi kinetik (Joule)

Volume (m3)

V Tegangan (Volt)

I Arus (Ampere)

Panjang (m)

(16)

xiii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ……… i

TITLE PAGE………. ii

HALAMAN PERSETUJUAN ………. iii

HALAMAN PENGESAHAN ………. iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ……….. v

LEMBAR PERNYATAAN PBLLIKASI KARYA ILMIAH ………. ... vi

1.3. Tujuan Penelitian ……… 4

1.4. Batasan Masalah ………. 4

1.5. Manfaat Penelitian ……….. 5

BAB II DASAR TEORI ……….. 7

(17)

xiv

2.2. Kincir Angin ……….. 8

2.2.1. Potensi Kincir Angin ……….. 8

2.2.2. Jenis Kincir Angin ……….. 11

2.2.3. Rumus Perhitungan ………...…….. 16

2.3. Kincir Angin Poros Horizontal Berbahan Komposit ………. 20

2.4. Komposit ……… 21

2.4.1. Fasa Penyusun Komposit ……… 22

2.5. Fiberglass ………... 30

2.6. Resin Epoksi …..……… 32

2.7. Keistimewaan Komposit ……… 32

2.8. Tinjauan Pustaka ……… 33

BAB III METODE PENELITIAN ………... 34

3.4. Desain Kincir Angin ……… 45

3.5. Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin ……….. 48

3.6. Waktu Penelitian ……… 51

3.7.Variasi Penelitian dan Variasi Ukur ……… 52

3.7.1. Variasi penelitian ……….. 52

3.7.2. Variasi Ukur ………. 52

(18)

xv

4.2.3. Perhitungan Koefisien Daya ……… 60

4.2.4. Perhitungan Tip Speed Ratio ………... 61

4.3. Data Hasil Perhitungan ………... 61

4.4. Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ……… 62

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………... 66

5.1. Kesimpulan ………. 66

5.2 Saran ……….... 67

DAFTAR PUSTAKA ………... 68

(19)

xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Contoh Kincir Propeler Tiga Sudu ………... 12

Gambar 2.2 Contoh Kincir American Multi Blade……….. 12

Gambar 2.3 Contoh Kincir Angin Dutch four arm………... 13

Gambar 2.4 Contoh Kincir Angin Sumbu Vertikal Tipe Savonius ……….. 14

Gambar 2.5 Contoh Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Darrieus ……….. 15

Gambar 2.6 Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dan tip Speed Ratio(tsr) ………... 20

Gambar 2.7 Contoh Kincir Angin Sumbu Horizontal dengan Desain Sudu Setengah Aerofoil Naca 2412 ………. 21

Gambar 2.8 Contoh Komponen Bahan Komposit ……… 22

Gambar 2.9 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Bentuk Matriksnya …….... 23

Gambar 2.10 Contoh Particulate Composites………. 27

Gambar 2.11 Contoh Fibre Composites………. 28

Gambar 2.12 Contoh Structural Compositses Laminate……….... 29

Gambar 2.13 Contoh Structural Composites Sanwich Panel………. 29

Gambar 2.14 Contoh Fiberglass ………... 30

Gambar 2.15 Contoh Resin Epoksi …………...………. 32

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Kincir Angin Berbahan Komposit … 35 Gambar 3.2 Desain Sudu / Blade ………. 36

Gamabr 3.3 Dudukan Sudu ……….. 37

Gambar 3.4 Anemometer ………. 38

(20)

xvii

Gambar 3.11 Skema Pembebanan Lampu ………. 41

Gambar 3.12 Epoksi / Resin ……….. 42

Gambar 3.18 Skema Penampang Pipa Pvc 8 Inci sebagai Bahan Sudu ... 45

Gambar 3.19 Skema Penampang Pipa Pvc 8 Inci di Sketsa Ukuran Dalam Satuan Sentimeter ……… 46

Gambar 3.20 Skema Penampang Pipa Pvc 8 Inci Setelah di Potong Sesuai dengan Ukuran Spesifik ……….. 46

Gambar 3.21 Dimensi Kincir Angin Dalam Penelitian, Ukuran Dalam Satuan Sentimeter ………... 47

Gambar 3.22 Dimensi Kincir Angin Dalam Penelitian, Ukuran Dalam Satuan Sentimeter ………... 47

Gambar 3.23 Posisi Lebar Maksimal Sudu Pada Saat Pengaplikasian Dan Penelitian ………. 47

Gambar 3.24 Skematik Dimensi Jincir Angin ……….. 48

(21)

xviii

Horizontal 2 Sudu Diameter 1 Meter Berbahan Komposit

Pada 3 Variasi Kecepatan Angin ………... 64

Gambar 4.2 Hubungan Koefisien Daya Mekanis Kincir (Cp) dan Torsi

Kincir Angin Poros Horizontal 2 Sudu Diameter 1 Meter

Berbahan Komposit Pada 3 Variasi Kecepatan Angin ………. 64

Gambar 4.3 Hubungan Koefisien Daya Mekanis Kincir (Cp) dan Tip

Speed Ratio (TSR) Kincir Angin Poros Horizontal

2 Sudu Diameter 1 Meter Berbahan Komposit

Pada 3 Variasi Kecepatan Angin ……….. 64

Gambar 6.1 Hubungan Putaran Poros dan Torsi Kincir Angin Poros

Horizontal 2 Sudu Diameter 1 Meter Berbahan Komposit ….. 69

Berbahan Komposit ………. 70

(22)

xix

Gambar 6.8 Hubungan Koefisien Daya Elektris Kincir (Cp) dan Torsi

Gambar 6.9 Hubungan Koefisien Daya Elektris Kincir (Cp) dan Torsi

Gambar 6.10 Hubungan Koefisien Daya Mekanis (Cp) dengan Tip Speed

Ratio (TSR) Kincir Angin Poros Horizontal 2 Sudu

Diameter 1 Meter Berbahan Komposit ..……….. 73

Gambar 6.13 Hubungan Koefisien Daya Elektris (Cp) dengan Tip Speed

Diameter 1 Meter Berbahan Komposit ...……….. 75

(23)

xx

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Grafik Kincir Angin Hingga Tahun 2010 ………... 2

Tabel 2.1 Grafik Kapasitas Kincir Angin yang Telah Terpasang …….. 9

Tabel 2.2 Grafik Kincir Angin yang Baru Dipasang ……….. 9

Tabel 2.3 Grafik Pertambahan Kapasitas Kincir Angin Tahun

2008 - 2009 Menurut Wiser and Bolinger ( 2009 ) ....……… 10

Tabel 2.4 Tabel Jenis dan Karakteristik Material Komposit ...………... 26

Tabel 2.5 Typical Proerties of Reinforcing Fiber ………... 28

Tabel 2.6 Sifat-sifat Dari Berbagai Jenis Fiberglass ………... 31

Tabel 2.7 Komposisi Kimia Jenis –Jenis Fiberglass ……… . 31

Tabel 4.1 Hasil Dari Pengambilan Data Dengan Kecepatan Angin

Rata – Rata 9 m/s ...………. 57

Rata – Rata 8 m/s ……… 58

(24)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pada peradaban era modern ini, banyak bermunculan penemuan – penemuan

untuk menunjang berbagai aspek kehidupan manusia yang masih banyak bertumpu

pada pasokan energi. Dilihat dari tingkat konsumsi energi belakangan ini mengalami

peningkatan, terlebih pada penggunaan sumber energi yang berasal dari sumber daya

fosil. Sumber daya energi fosil merupakan salah satu sumber energi yang paling

banyak digunakan oleh manusia. Namun, tingginya tingkat konsumsi manusia

terhadap sumber daya fosil ini dapat menjadi ancaman sendiri bagi manusia dimasa

depan karena sumber daya fosil merupakan sumber daya alam yang sifatnya terbatas

dan tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu diperlukan solusi yang dapat

mengimbangi kebutuhan manusia akan energi yang semakin meningkat. Salah satu

solusi yang tepat yaitu beralih dari energi fosil ke energi terbarukan. Energi

terbarukan merupakan energi yang akhir – akhir ini banyak digunakan untuk

menggantikan energi yang berasal dari fosil, selain energi terbarukan bersifat tidak

terbatas dan dapat diperbaharui lagi, hal ini menjadi salah satu keunggulan dari energi

terbarukan. Sumber energi terbarukan dapat berasal dari sinar matahari, aliran sungai

(25)

bagus. Dimana perbedaan tekanan udara akan menghasilkan hembusan angin

sehingga dapat dibuat alat rekayasa angin untuk memanfaatkannya seperti kincir

angin. Kincir angin dapat mengubah angin menjadi energi listrik dengan prinsip

angin akan menggerakan sudu – sudu kincir angin yang terhubung dengan poros

generator dan dari generator tersebut dihasilkanlah energi listrik dari putaran kincir

angin.

Menurut data dari World Wind Energy Association ( 1997 – 2010 ) , kapasitas

kincir angin yang terpasang di seluruh dunia mengalami peningkatan yang pesat dari

tahun ke tahun dalam kurun waktu 13 tahun terakhir yang laju pertumbuhannya dapat

dilihat pada grafik berikut ini :

Grafik 1.1 Grafik Kincir Angin Hingga Tahun 2010

Hal ini menunjukan bahwa kincir angin merupakan salah satu energi terbarukan yang

(26)

yang cukup baik untuk dapat memanfaatkan kincir angin sebagai sumber energi

terbarukan karena menurut Bidang Konversi Energi Dirgantara ( 2006 ) , Indonesia

memiliki potensi angin sebesar 3 – 5 m/s.

Menurut jenisnya, kincir angin terbagi menjadi dua jenis, yaitu kincir angin

dengan poros horizontal dan kincir angin dengan poros vertikal. Pada penelitian ini,

penulis akan meneliti kincir angin poros horizontal berjenis propeller. Karakteristik

material komposit yang ringan bobotnya, memiliki tingkat kekuatan yang tinggi dan

dapat menahan beban yang cukup tinggi. Oleh karena itu, pada penelitian ini penulis

ingin mengetahui besarnya daya, kecepatan putar poros kincir dan tingkat efisiensi

dari kincir angin poros horizontal berjenis propeller dari material komposit dengan

matriks epoksi dan serat kaca.

1.2. Rumusan Masalah

Masalah yang akan dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Pemanfaatan angin yang merupakan salah satu energi terbarukan, dalam artian

angin yang keberadaanya tidak pernah habis dan tidak terbatas jumlahnya,

akan tetapi potensi dari energi angin ini belum dimanfaatkan secara maksimal

oleh negara kita, terlebih di Indonesia yang memiliki potensi angin yang

(27)

2. Untuk memaksimalkan pemanfaatan potensi energi angin yang bagus di

Indonesia, dibutuhkan alat rekayasa tenaga angin yaitu kincir angin yang

nantinya dapat mengubah angin menjadi energi listrik yang mampu

menghasilkan daya yang besar dan efisiensi yang cukup tinggi sehingga

mampu menggantikan energi yang sudah ada.

3. Agar kincir angin dapat menghasilkan daya energi listrik yang besar dan

memiliki efisiensi yang cukup tinggi, dibutuhkan model kincir angin dengan

bahan material dan jumlah sudu – sudu yang terbaik.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan Tugas Akhir ini adalah :

1. Merancang dan membuat kincir angin poros horizontal 2 sudu diameter 1 m

dari material komposit dengan matriks epoksi dan serat kaca.

2. Menentukan koefisien daya terbaik dari masing – masing variasi kecepatan

angin.

3. Mengetahui unjuk kerja kincir angin poros horizontal 2 sudu diameter 1

meter.

(28)

Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan – batasan sebagai

berikut :

Batasan-batasan yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Kincir angin menggunakan bahan komposit.

2. Kincir angin menggunakan desain bilah dari potongan pipa pvc 8 inch dengan

lebar sudu maksimal 10 cm dari pusat poros.

3. Diameter kincir yang dirancang hanya skala laboratorium yaitu berdiameter

100cm.

4. Dilakukan 3 variasi kecepatan angin yaitu pada kecepatan angin 9 m/s , 8 m/s,

dan 7 m/s.

5. Mekanisme pembebanan (dump load) pada sistem kincir angin pada penelitian

ini yaitu menggunakan beban lampu pijar sebanyak 12 buah.

6. Digunakan generator DC magnet permanen dengan efisiensi 70% sebagai alat

penunjang penelitian.

7. Penelitian dilaksanakan dengan cara meletakkan sistem kincir di depan blower

15 HP 1450 rpm dan volume 2250 m3/m.

8. Penelitian dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata

Dharma.

1.5. Manfaat Penelitian

(29)

1. Mengetahui unjuk kerja kincir angin angin poros horizontal 2 sudu diameter

1m dari material komposit dengan matriks epoksi dan serat kaca.

2. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin dari

bahan komposit dengan matriks epoksi dan serat kaca.

3. Penghematan bahan bakar fosil dan penggantinya adalah kincir angin untuk

menjaga dan melestarikan bumi ini.

4. Sebagai wujud kontribusi penulis dalam pengembangan energi terbarukan,

(30)

7

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Energi Angin

Energi angin merupakan salah satu energi yang telah lama ada, dan secara

konversi energi angin menjadi bentuk energi memanaskan tanah dan hal tersebut akan

mengakibatkan atmosfer menjadi hangat. Ketika suatu udara panas naik, hal ini

menyebabkan tekanan atmosfer bumi berkurang dan udara akan bergerak untuk

berpindah ke tempat tersebut. Udara dingin yang bergerak inilah yang disebut sebagai

angin. Angin sejak jaman dulu sudah banyak dimanfaatkan untuk mendorong kapal

yaitu dengan menggunakan layar. Pada saat ini, energi angin banyak dimanfaatkan

untuk menghasilkan energi listrik dengan cara mengubah energi kinetik menjadi

energi listrik. Selain itu, angin merupakan salah satu sektor energi terbarukan yang

paling berpotensi dan maju di tahun – tahun mendatang karena memiliki rasio yang

tinggi sebagai pemasok kebutuhan energi dunia saat ini.

Energi angin merupakan sumber energi terbarukan yang keberadaaanya tidak

dapat habis dibandingkan dengan bahan bakar fosil dan energi angin yang tersedia di

(31)

Indonesia yang secara geografis terletak pada jalur katulistiwa memiliki

potensi angin dengan kecepatan rata – rata 3 – 5 m/s termasuk tertinggal dalam

memanfaatkan energi angin sebagai sumber energi listrik. Indonesia yang memiliki

garis pantai yang panjang dapat menjadi potensi besar untuk memanfaatkan energi

angin yang ada dan perubahan iklim yang terjadi akibat dari pemanasan global

ternyata meningkatkan potensi angin di Indonesia terutama di daerah – daerah

tertentu seperti Sumatera, pantai Selatan Jawa, Nusa Tenggara dan Sulawesi.

2.2. Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh energi angin sehingga

menghasilkan energi gerak atau energi mekanik. Dahulu, kincir angin banyak

ditemukan di negara Belanda, Denmark dan negara – negara eropa lainnya yang pada

saat itu dimanfaatkan untuk menumbuk hasil pertanian, penggilingan gandum dan

irigasi. Sekarang, kincir angin dapat dimanfaatkan sebagai penghasil energi listrik.

2.2.1. Potensi Kincir Angin

Kincir angin merupakan salah satu energi terbarukan yang paling banyak

digunakan di seluruh dunia hingga saat ini. Dari tahun ke tahun, kapasitas kincir

angin yang terpasang di seluruh dunia mengalami peningkatan pesat dalam kurun

(32)

Grafik 2.1 Grafik Kapasitas Kincir Angin yang telah terpasang ( 2010 )

Laju pertambahan kincir angin baru yang dipasang setiap tahunnya

mengalami peningkatan secara drastis. Menurut World Wind Energy Association

( 2010 ), laju pertumbahan kincir angin bertambah dari yang semula 21,3 % pada

2004 bertambah secara konstan hingga 31,7 % tahun 2009.

Grafik 2.2 Grafik Kincir Angin yang baru dipasang ( 2010 )

Menurut Wiser dan Bolinger ( 2009 ), dari negara – negara di seluruh dunia

(33)

memimpin dengan total kapasitas kincir angin yang terpasang sebesar 35,1 GW,

China sebesar 26 GW, dan Jerman sebesar 25,7 GW. Tetapi, Amerika Serikat hanya

menggunakan 2% saja dalam memanfaatkan energi angin untuk menyuplai listrik.

Dalam urusan pemanfaatan energi angin untuk menyuplai listrik, Denmark

memimpin dengan persentase sebesar 20%, Portugal sebesar 15%, dan Spanyol

sebesar 14%.

Grafik 2.3 Grafik Pertambahan Kapasitas Kincir Angin Tahun 2008 - 2009 Menurut Wiser and Bolinger ( 2009 )

2.2.2. Jenis Kincir Angin

Jenis – jenis kincir angin dapat dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu :

1. Horizontal Axis Wind Turbine ( HAWT ) / Turbin Angin Sumbu Horizontal (

TASH )

Turbin Angin Sumbu Horizontal adalah turbin atau kincir angin yang

(34)

dengan arah datangnya angin. Terdiri dari sebuah menara dan sebuah kincir

yang dipasang dipuncak menara kincir.

Poros kincir jenis ini dapat berputar 360o terhadap sumbu vertikal untuk

menangkap dan menyesuaikan arah angin.

Kelebihan Kincir Angin Sumbu Horizontal adalah :

a. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi

b. Memiliki faktor keamanan yang baik karena posisi sudu yang berada

dipuncak menara

c. Material yang digunakan lebih sedikit

Kekurangan Kincir Angin Sumbu Horizontal adalah :

a. Biaya pemasangan lebih mahal dibandingkan dengan kincir angin sumbu

vertikal

b. Proses pembuatan dan pemasangan kincir angin sumbu horizontal cukup

sulit karena memiliki konstruksi yang tinggi

c. Rawan apabila dipasang di daerah padat penduduk

Beberapa jenis kincir angin horizontal yang sudah umum dikenal dan

dikembangkan:

(35)

Gambar 2.1 Contoh Kincir Propeler Tiga Sudu Sumber : https://repository.usd.ac.id/

b. Kincir Angin America Multi Blade

Gambar 2.2 Contoh Kincir American

Multi Blade

Sumber :http://en.wikipedia.org/wiki/File:

(36)

Gambar 2.3 Contoh Kincir Angin Dutch four arm Sumber: http://en.wiktionary.org/wiki/windmill

2. Vertical Axis Wind Turbine ( VAWT )/Turbin Angin Sumbu Vertikal ( TASV )

Turbin Angin Sumbu Vertikal merupakan turbin angin yang didesain untuk

menerima angin dari segala arah dan mampu bekerja pada kecepatan yang

rendah. Selain itu, turbin ini memiliki tingkat efisiensi yang lebih rendah

dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal.

Ada beberapa tipe turbin angin sumbu vertikal yang sering digunakan,

diantaranya adalah Tipe Savonius dan Tipe Darrieus.

a. Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Savonius ini pertama kali diciptakan

oleh seorang insinyur asal Filandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir

Turbin Angin Sumbu Vertikal ini adalah jenis turbin yang paling

(37)

dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga rotor tidak

akan melebihi kecepatan angin. Jenis turbin ini cocok untuk aplikasi daya

yang rendah dan biasanya digunakan pada kecepatan angin yang berbeda.

Gambar 2.4 Contoh Kincir Angin Sumbu Vertikal Tipe Savonius

Sumber : http://es.wikipedia.org/

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Darrieus ini pertama kali diciptakan oleh

seorang insinyur Perancis George Jeans Maria Darrieus yang dipatenkan pada

tahun 1931. 2 bentuk dari turbin darrieus ini diantaranya “ Eggbeater / Curved

Bladed “ dan “ Straightbladed “ Turbin Angin Sumbu Vertikal. Kincir angin

Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi simetri dengan

sudu bilah yang diatur relatif terhadap poros. Dengan pengaturan tersebut,

(38)

bergerak dengan memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup.

Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar menggelilingi sumbu.

Gambar 2.5 Contoh Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Darrieus Sumber : http://es.wikipedia.org/

Kelebihan Kincir Angin Sumbu Vertikal yaitu :

a. Dapat dibangun pada lokasi yang relatif padat penduduk.

b. Tidak membutuhkan struktur menara yang tinggi.

c. Pemasangan dekat dengan tanah mempermudah menjaga bagian yang

bergerak.

d. Kincir angin jenis ini tidak harus diubah posisinya jika arah angin

berubah.

(39)

a. Sebagian besar jenis Kincir Angin Sumbu Vertikal mempunyai torsi

awal yang rendah dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal tidak mengambil keuntungan dari angin

yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.

c. Sebagian besar Turbin Angin Sumbu Vertikal memproduksi energi

hanya 50% dari efisiensi Turbin Angin Sumbu Horizontal karena drag

tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

2.2.3. Rumus Perhitungan

Rumus perhitungan yang digunakan untuk mengetahui unjuk kerja kincir angin

adalah :

a) Energi Kinetik

Energi Kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat

pergerakan benda tersebut,yang dapat dirumuskan :

Ek = 1/2. m. v2 (1)

dimana :

m : massa udara (kg)

v : kecepatan angin (m/s)

(40)

Daya Angin (Pin) adalah daya yang tersedia oleh angin dimana daya ini

berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya dan dapat dirumuskan

sebagai berikut :

Pin= 1/2 ρ A v3 (2)

dimana:

Pin : daya yang tersedia pada angin (Watt)

A : luas penampang sudu (m2)

ρ : massa jenis udara (kg/m3)

c) Torsi

Torsi (T) adalah hasil perkalian besarnya gaya pembebanan (F) dengan

panjang lengan torsinya (l) sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

T = F l (3)

adanya angin yang menghantam sudu kincir sehingga sudu kincir bergerak

(41)

Pout = T

Untuk menentukan kecepatan sudut, digunakan persamaan :

(4)

Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan

persamaan :

(5)

Untuk menentukan daya output elektris digunakan persamaan :

V I

dimana:

Pout : daya yang dihasilkan kincir (Watt)

(42)

Koefisien Daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir angin dengan daya yang tersedia oleh angin sehingga bisa dirumuskan

sebagai berikut :

(6)

dimana :

Cp : koefisien daya

Pout : daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Watt)

Pin : daya yang tersedia oleh angin (Watt)

f) Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan di ujung sudu kincir

angin dengan kecepatan anginnya sehingga dapat dirumuskan :

(7)

dimana :

tsr : tip speed ratio

n : kecepatan putar poros kincir angin (rpm)

r : jari-jari sudu kincir angin (m)

Hubungan koefisien daya ( cp ) dengan tip speed ratio ( tsr ) dari berbagai jenis kincir

angin adalah 59%. Menurut Albert Betz, teorinya tersebut dinamakan dengan Betz

(43)

Gambar 2.6 Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (tsr) Sumber : www.windturbine-performance.com

2.3. Kincir Angin Poros Horizontal Berbahan Komposit

Pada tugas akhir ini, jenis kincir angin yang akan saya teliti adalah kincir

angin poros horizontal 2 sudu diameter. Kincir angin poros horizontal 2 sudu

berbahan komposit kebanyakan memiliki sudu berjumlah tiga yang berpenampang

(44)

Gambar 2.7 Contoh Kincir Angin Sumbu Horizontal dengan Desain Sudu Setengah Aerofoil Naca 2412

Sumber : www.windturbine.com

Kelebihan kincir angin poros horizontal berbahan komposit adalah sebagai berikut :

a. Mampu berputar pada kecepatan yang tinggi.

b. Berat sudu yang lebih ringan.

c. Mampu menghasilkan daya yang besar.

d. Konstruksi kincir yang jauh dari tanah sehingga faktor keamanan yang lebih

tinggi.

2.4. Komposit

Secara umum komposit diartikan yaitu paduan dari dua atau lebih material

(45)

sehingga didapatkan material yang memiliki sifat lebih baik dari material

penyusunnya.

. Analoginya, material A digabungkan dengan material B membentuk paduan

material A-B yang memberikan karakter material yang baru, lebih baik dari material

A dan B secara terpisah. Contoh sederhana, misalkan beton bertulang, paduan beton

dengan “ tuang –tulang besi “ menjadikan beton bertulang memiliki karakter tangguh

untuk menopang beban yang tinggi.

Gambar 2.8 Contoh Komponen Bahan Komposit

2.4.1. Fasa Penyusun Komposit

(46)

a. Matriks ( Bahan Utama )

Gibson R.F, ( 1994 ) mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa

berasal dari bahan polimer, logam, maupun keramik. Matrik secara umum

berfungsi untuk mengikat serat menjadi satu struktur komposit. Matrik sendiri

memiliki fungsi

- Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur

- Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan

- Menstransfer dan mendistribusikan beban ke serat

- Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan

ketahanan listrik.

Berdasarkan matriksnya, komposit dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu :

Gambar 2.9 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Bentuk Matriksnya Sumber : yudiprasetyo53.wordpress.com

1) PMC ( Polymer Matrix Composites )

Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan

biasa disebut Polimer Berpenguatan Serat ( FRP – Fibre Reinforced

(47)

berdasarkan resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca

, karbon dan aramid ( Kevlar ) sebagai penguatnya.

PMC ( Polymer Matriks Composite ) merupakan matriks yang

paling umum digunakan pada material komposit. Karena memiliki

sifat yang lebih tahan karat, korosi dan lebih ringan. Matriks polymer

terbagi 2 yaitu termoset dan termoplastik. Perbedaan polymer termoset

tidak dapat didaur ulang sedangkan termoplastik dapat didaur ulang

oleh karena itu banyak digunakan belakangan ini.

2) MMC ( Metal Matrix Composites )

Bahan ini menggunakan suatu logam seperti alumunium sebagai

matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida.

Ditemukan berkembang pada industry otomotif.

3) CMC ( Ceramic Matrix Composite )

Bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan

serat pendek, atau serabut – serabut ( whiskers ) dimana terbuat dari

silikon karbida atau boron nitrida. Jenis ini digunakan pada lingkungan

bertemperatur tinggi.

b. Reinforcement ( Penguat / Pengisi )

Reinforcement memiliki fungsi untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan

matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat ( fiber ), atau serbuk. Serat

(48)

Boron ( unsur non logam berupa serbuk abu dan lainnya ), Carbon, Aramid,

Ceramics dan lain sebagainya.

Apabila menggunakan fiber sebagai reinforced, fiber yang digunakan harus

mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter matriksnya namun harus

lebih kuat dari matriksnya dan harus mempunyai tensile strength yang tinggi.

Sedangkan matriks yang digunakan juga harus memiliki modulus elastisitas

yang lebih rendah daripada fiber, mempunyai ikatan yang bagus antara

matriks dan fiber dan biasanya secara umum yang digunakan adalah polimer

dan logam.

Matriks yang dipadukan dengan fiber itu sendiri berfungsi sebagai :

- Pemisah antara fiber dan juga mencegah timbulnya perambatan crack dari

suatu fiber ke fiber lain.

- Penjepit fiber.

- Melindungi fiber dari kerusakan permukaan.

- Berfungsi sebagai medium dimana eksternal stress yang diaplikasikan ke

(49)

Tabel 2.4 Contoh Jenis dan Karakteristik Material Komposit Sumber : KOMPOSIT Modul-1

Berdasarkan jenisnya, reinforcement dibagi menjadi 3 jenis sebagai berikut :

1) Particulate Composite ( penguat berbentuk partikel )

Material komposit pertikel terdiri dari satu atau lebih partikel yang

tersuspensi di dalam dmatriks dari matriks lainnya. Partikel logam dan

(50)

Gambar 2.10 Contoh Particulate Composites Sumber : www.studyblue.com

2) Fibre Composite ( penguat berbentuk serat )

Merupakan komposit yang terdiri dari satu lamina atau satu lapisan

yang menggunakan penguat berupa serat ( fiber ). Serat yang

digunakan berupa glass fiber, carbon fibers, aramid fibers dan masih

banyak yang lainnya. Serat ini dapat disusun secara acak maupun

orientasi tertentu, bahkan dapat pula dalam bentuk yang lebih

(51)

Gambar 2.11 Contoh Fibre Composites Sumber : www.studyblue.com

Setiap jenis serat mempunyai karakteristik atau kekhasan sendiri –

sendiri, berikut ini contoh jenis bahan yang mempengaruhi kekuatan

serat :

(52)

3) Structural Composite ( penggabungan komposit )

Terdiri atas sekurang – kurangnya dua material berbeda yang

direkatkan bersama – sama. Proses pelapisan dilakukan dengan

mengkombinasikan aspek terbaik dari masing masing – masing lapisan

untuk memperoleh bahan yang berguna.

Gambar 2.12 Contoh Structural Composites Laminate

Sumber : www.fao.org

Gambar 2.13 Contoh Structural Composites Sanwich Panel

(53)

2.5. Fiberglas

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.

Gambar 2.14 Contoh Fiberglass

Sumber : fiberglassajm.wordpress.com

Sifat – sifat dari fiberglass yaitu sebagai berikut :

1) Tahan korosi

2) Tensile strength cukup tinggi

3) Density cukup rendah

4) Resisten terhadap dingin dan panas

(54)

Keuntungan dari penggunaan fiberglass yaitu sebagai berikut :

1) Tahan terhadap korosi

2) Biaya murah

Beberapa jenis fiberglass antara lain sebagai berikut :

1) E-glass

2) C-glass

3) S-glass

(55)

2.6. Resin Epoksi

Epoksida adalah senyawa eter siklik dengan cincin yang memiliki tiga

anggota. Struktur dasar dari epoksida terdiri dari sebuah atom oksigen yang diikat

oleh dua atom karbon berdekatan yang berasal dari hidrokarbon.Tegangan dari ketiga

anggota tersebut membuat senyawa epoksida menjadi lebih reaktif daripada senyawa

eter siklik.

Gambar 2.15 Contoh Resin Epoksi Sumber : www.slideshare.net

2.7. Keistimewaan Komposit

Salah satu sifat istimewa komposit dibandingkan dengan material

konvensional lainnya. Selain kuat, kaku dan ringan, komposit juga memiliki sifat

ketahan korosi yang tinggi serta memiliki ketahanan terhadap beban dinamis. Dewasa

ini pertumbuhan kendaraan mengalami kenaikan yang cukup signifikan. Kebutuhan

(56)

mengurangi ketergantungan terhadap konsumsi bahan logam tersebut, berbagai

industri manufaktur mulai mencari bahan material non fero yang dapat digunakan

sebagai pengganti. GFRP ( glass fiber reinforced plastics ) merupakan salah satu

solusi untuk mengatasi ketergantungan material logam, dalam pembuatan komponen

kendaraan dan alat –alat lainnya. Selain pembuatannya mudah tetapi juga harganya

relatif lebih ekonomis.

2.8. Tinjauan Pustaka

Pada penelitian kincir angin poros horizontal berbahan PVC 9 inci, diameter

110 cm dengan variasi bentuk kemiringan sudu 28,7o, 34o dan 39,8o. Pengujian

dilakukan dengan wind tunnel menghasilkan koefisien daya tertinggi 29,5% pada tip

speed ratio 5. Diperoleh dengan model kincir angin bersudut 34o, menurut Isiodorus

(2013).

Selain itu, pada Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XII (

SNTTM XII ) di Bandar Lampung dengan judul “ Pengaruh Posisi Sirip Sudu

Terhadap Karakteristik Kincir Angin Petani Garam Di Pantai Utara Jawa “ dengan

model kincir angin sudu plat datar bersirip, diameter 80 cm, ukuran sirip 30x70 cm2,

jumlah sudu 2 dengan 4 variasi posisi sirip sudu ( 10o,20o,30o,40o ) didepan wind

tunnel menghasilkan koefisien daya maksimum sebesar 21% dengan posisi sirip 10o

pada kecepatan angin sekitar 7 m/detik menurut Doddy Purwadianto dan Trio

(57)

34

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Diagram Alir

Langkah kerja dalam penelitian yang penulis laksanakan tersaji dalam

diagram alir sebagai berikut :

Mulai

Perancangan sudu kincir angin propeller

Pembelian alat dan bahan yang digunakan untuk membuat kincir

Perakitan kincir angin

Uji coba pengoperasian kincir angin disertai mekanisme pembebanan

di depan fan blower laboratorium Universitas Sanata Dharma Pembuatan sudu kincir angin

matriks (epoksi) dan reinforced (serat fiberglass)

A

(58)

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Kincir Angin Poros Horizontal 2 Sudu Berbahan Komposit

3.2. Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal 2 sudu diameter 1 m

berbahan komposit dengan lebar maksimal 10 sentimeter dari pusat poros, yaitu

campuran antara epoksi dan serat fiberglass sebagai fasa penyusun kompositnya.

Campuran tersebut memiliki peran masing – masing, epoksi berperan sebagai matriks

sedangkan serat fiberglass berperan sebagai reinforced.

3.3. Alat dan Bahan

3.3.1. Alat

Pengambilan data

kecepatan angin, putaran rotor, beban, tegangan dan arus

Pengolahan data untuk menentukan daya angin, daya kincir, CP, TSR,

membandingkan putaran poros dengan torsi, lalu CP dengan TSR

pada masing – masing variasi kecepatan angin

Selesai

(59)

Alat yang digunalan dalam penelitian kincir angin dengan bahan komposit ini

antara lain :

1. Sudu kincir angin

Sudu kincir angin merupakan daerah untuk menerima sapuan angin

sehingga nantinya berawal dari sudu inilah energi angin akan diubah menjadi

energi listrik. Sudu kincir angin pada penelitian ini berjumlah 2, jenis

propeller dan terbuat dari bahan komposit yaitu epoksi dan serat fiberglass.

Dimensi dari kincir angin yang dipakai yaitu memiliki radius 50 cm, lebar

pangkal 15,8 cm dan lebar ujung sudu 3 cm.

Gambar 3.2 Desain Sudu / Blade

2. Dudukan Sudu

Dudukan sudu merupakan salah satu komponen penting yang

(60)

dudukan sudu juga memiliki fungsi lain untuk mengatur sudut kemiringan

sudu sesuai dengan yang diinginkan. Dudukan sudu yang akan digunakan

pada penelitian ini berupa piringan alumunium dengan tebal 4 cm berbentuk

bulat, memiliki lubang yang berjumlah 12 lubang dan dengan mudah

mengatur sudut kemiringan sesuai yang diinginkan oleh peneliti, hanya

dengan memutar plat dudukan sudu.

Gambar 3.3 Dudukan Sudu

3. Anemometer

Anemometer adalah sebuah alat pengukur kecepatan angin sehingga

dapat dicatat nantinya besar kecepatan angin yang digunakan untuk memutar

kincir angin dan juga untuk mengukur suhu angin disekitar tempat

(61)

Gambar 3.4 Anemometer

4. Takometer

Takometer adalah sebuah alat untuk mengukur kecepatan putaran

poros kincir angin, takometer ini dinyatakan dalam satuan rpm ( rotation

perminute ).

Gambar 3.5 Takometer

5. Timbangan Digital

Merupakan komponen yang berfungsi untuk mengetahui beban pada

(62)

Gambar 3.6 Timbangan Digital

6. Generator

Generator merupakan alat untuk mengubah energi mekanis menjadi

energi listrik sehingga melalui generator ini nantinya daya listrik yang

dihasilkan oleh kincir angin dapat diketahui.

Gambar 3.7 Generator

7. Fan Blower

Fan blower berfungsi untuk menghembuskan angin ke sudu – sudu

(63)

Gambar 3.8 Fan Blower

8. Voltmeter

Merupakan komponen yang berfungsi untuk mengatur tegangan yang

dihasilkan oleh kincir angin.

Gambar 3.9 Voltmeter

9. Amperemeter

Merupakan komponen yang berfungsi untuk mengukur arus yang

(64)

Gambar 3.10 Amperemeter

10. Pembebanan

Pembebanan yang dilakukan dengan menggunakan lampu bermaksud

untuk mengetahui performa kincir angin. Varisasi voltase lampu yang

diberikan bermaksud supaya data yang dihasilkan lebih bervariasi.

Gambar 3.11 Skema pembebanan lampu

3.3.2. Bahan

(65)

1. Epoksi / Resin

Epoksi / resin adalah senyawa eter siklik dengan cincin yang memiliki

tiga anggota. Struktur dasar dari sebuah epoksi berisi sebuah atom oksigen yang

diikat pada dua atom karbon berdekatan yang berasal dari hidrokarbon.

Gambar 3.12 Epoksi / Resin

2. Hardener / Katalis

Hardener / katalis adalah zat yang dapat mempercepat atau

memperlambat reaksi yang pada akhir reaksi dilepaskan kembali dalam

(66)

Gambar 3.13 Hardener / Katalis

3. Fiberglass

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 diselimuti dengan resin

sehingga menjadi bahan yang kuat dan tahan korosi.

Gambar 3.14 Fiberglass

4. Alumunium Foil

Alumunium foil adalah bahan berupa lembaran logam alumunium

yang padat dan tipis. Pada penelitian ini, alumunium foil digunakan untuk

(67)

Gambar 3.15 Alumunium Foil

5. Pipa Wavin 8 inci

Pipa Wavin 8 inci merupakan pipa yang digunakan oleh peneliti untuk

membuat cetakan sesuai dengan desain yang diinginkan.

Gambar 3.16 Pipa Wavin 8 inci 6. Dempul

Dempul merupakan salah satu komponen penting proses pembuatan

sudu berbahan komposit, dalam hal ini dempul berguna dalam proses

finishing yaitu berguna untuk menambal bagian yang berlubang pada hasil

(68)

Gambar 3.17 Dempul

3.4. Desain Kincir Angin

Desain kincir angin yang peneliti pilih memiliki penampang silinder dari

potongan pipa pvc 8 inci. Posisi paling lebar sebagai penangkap angin berada 10

sentimeter diatas pusat poros. Lebar ujung sudu 3 sentimeter.

(69)

Gambar 3.19 Skema penampang pipa pvc 8 inci sebagai bahan sudu disketsa dengan ukuran spesifik.

(70)

Gambar 3.21 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan sentimeter.

Gambar 3.22 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan sentimeter.

(71)

Gambar 3.24 Skematik dimensi kincir angin.

3.5. Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin

Dalam proses pembuatan sudu / blade dilakukan dengan beberapa langkah,

langkah – langkahnya sebagai berikut :

A. Pembuatan Cetakan

1) Membuat mal dengan kertas

Ini merupakan langkah awal dalam proses pembuatan sudu / blade kincir

angin. Mal yang telah dibuat sesuai dengan desain yang diinginkan ini

bertujuan untuk digunakan dalam membuat mal pada pipa waving 8 inci.

Selain itu, pembuatan mal dengan kertas akan lebih memudahkan peneliti

daripada harus membuat langsung pada pipa.

(72)

Pada langkah berikut ini, pipa waving 8 inci yang memiliki panjang 50

menggunakan gergaji besi atau serkel.

3) Menghaluskan pipa

Amati hasil dari potongan pipa tersebut apakah sudah sesuai dengan

mal yang diinginkan dan apakah pada bagian terluar pipa sudah halus.

Dalam tahap ini, apabila potongan pipa belum sesuai dengan mal, maka

pipa harus mendapat modifikasi sedikit yaitu dengan menghaluskan bagian

yang belum sesuai dengan mal tersebut menggunakan amplas atau gerindra

agar pipa sesuai seperti mal.

A. Pembuatan sudu / blade

1) Pelapisan cetakan pipa

Potongan pipa yang telah selesai dibuat tersebut sebelum melalui

langkah selanjutnya, harus dilapisi dengan menggunakan alumunium foil.

Pelapisan dengan menggunakan alumunium foil ini berguna dalam proses

(73)

olesan vaselin pada alumunium foil yang tujuannya sama untuk

mempermudah proses pelepasan resin.

2) Pencampuran epoksi / resin dengan hardener / katalis

Sebelum langkah selanjutnya, campurkan terlebih dahulu epoksi

dengan hardener. Dengan perbandingan kira – kira ¼ kg epoksi

dicampurkan 8 -10 cc hardener. Semakin banyak campuran hardener, maka

akan semakin cepat kering campuran tersebut. Akan tetapi, kekurangan

dari campuran hardener yang berlebih membuat cetakan pipa menjadi

lembek yang dapat mempengaruhi hasil cetakan tersebut.

3) Pembuatan sudu / blade

Proses pembuatan sudu / blade dengan menggunakan komposit

yang terdiri dari epoksi, hardener dan fiberglass harus dilakukan dengan

cepat, karena ketika epoksi sudah tercampur dengan hardener maka

campuran tersebut akan cepat kering. Pada pelapisan ini, dibutuhkan 4

lembar fiberglass dan disetiap lembar fiberglass mendapakan saputan

epoksi pada bagian bawah dan atas lembaran fiberglass agar berat dan

kekuatan dari komposit tersebut sesuai dengan desain yang diharapkan.

Berikut langkah – langkah pembuatan sudu dari komposit :

a. Oleskan campuran epoksi dan hardener tersebut pada alumunium

(74)

b. Setelah campuran epoksi dan hardener sudah dioleskan pada

alumunium foil, tempelkan serat fiberglass lalu oleskan lagi

campuran epoksi dan hardener hingga 2 fiberglass.

c. Lalu pasang plat alumunium dan diolesi lagi dengan campuran

epoksi dan hardener serta tempelkan fiberglass seperti proses

diatas.

d. Lakukan langkah tersebut berulang kali sampai 4 lapis fiberglass.

4) Pengeringan dan finishing sudu / blade

Setelah proses pembuatan telah selesai, keringkan sudu / blade dibawah

matahari agar sudu / blade cepat kering. Jemur kira – kira 2 – 3 hari sudu /

blade. Kemudian apabila sudu / blade sudah kering, potong hasil cetakan

campuran epoksi dan hardener sesuai dengan mal pipa pada bagian paling

dasar agar cetakan komposit tersebut sesuai dengan mal dan rapikan

dengan amplas jika masih kurang sesuai dengan mal.

3.6. Waktu Penelitian

Proses pembuatan kincir angin berbahan material komposit ini dilakukan pada

semester genap tahun ajaran 2014/2015 hingga pertengahan semester genap tahun

ajaran 2015/2016. Sedangkan proses pengambilan data, pengolahan hasil, serta

pembuatan analisis beserta pembahasan dilakukan pada pertengahan semester genap

(75)

Pembuatan, penelitian dan pengambilan data dilakukan di Laboratorium Konservasi

Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.7. Variabel Penelitian dan Variabel Ukur

3.7.1. Variabel Penelitian

A.Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara penempatan rangkaian

kincir angin pada 3 posisi yang berbeda di depan blower.

B.Variasi pembebanan dilakukan sampai menemukan beban maksimum.

3.7.2. Variabel Ukur

Variebel yang diukur pada penelitian kincir angin berbahan komposit ini

adalah :

1. Kecepatan angin

2. Kecepatan putar poros kincir angin

3. Gaya pengimbang

4. Tegangan output generator

5. Arus output generator

3.8. Parameter yang Dihitung

(76)

b. Daya kincir

Prosedur pengambilan data yang akan dilakukan oleh penulis yaitu dengan

memasangkan sistem kincir angin yang dapat beroperasi sebagai pembangkit

listrik di depan blower yang sudah ditentukan range kecepatan anginnya. Penulis

akan melakukan variasi kecepatan angin untuk mendapatkan karakteristik kincir

angin propeller tiga sudu yang akan diteliti. Sebagai langkah penelitian untuk

pengambilan data, dilakukan dengan cara sebagai berikut

A. Langkah awal dari percobaan yaitu mempersiapkan alat-alat penunjang

pengambilan data seperti timbangan, takometer, multitester, anemometer,

beban lampu, obeng, terminal, dan sudu kincir angin

B. Memasang anemometer di depan blower lalu menentukan jarak antara kincir

angin dan blower yang arahnya tegak lurus agar berada pada range kecepatan

(77)

C. Memasang timbangan yang dihubungkan dengan lengan generator yang

posisinya tegak lurus.

D. Memasang sudu kincir angin.

E. Memasang multitester untuk mengukur tegangan dan arus keluaran generator,

kemudian dihubungkan dengan beban lampu.

F. Setelah semua terpasang dan sudah siap, maka blower dinyalakan.

G. Posisi kincir dikalibrasi kembali dan apabila telah memenuhi range kecepatan

angin yang ditentukan, maka pengambilan data dapat dilakukan.

H. Awal pengambilan data dilakukan dari beban lampu nol atau tanpa beban.

Dilakukan 12 variasi beban lampu dan dimulai dengan pencatatan data

kecepatan angin, putaran rotor yaitu dengan mengarahkan takometer tegak

lurus dengan casing generator, gaya pengimbang, tegangan keluaran

generator, dan arus keluaran generator.

I. Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum pada setiap

variasi kecepatan angin dan pengambilan data dilakukan pada 3 variasi

kecepatan angina yang berbeda.

(78)

Setelah dilakukan penelitian dan proses pengambilan data ( data yang diambil

adalah kecepatan angin, kecepatan putar poros kincir angin, dan pembebanan )

selanjutnya data siap diolah dengan prosedur :

1. Dari data kecepatan angin yang telah didapat ( v ) dan menghitung luasan

dari sudu kincir angin ( A ), maka akan didapat daya angin ( Pin ) melalui

rumus yang telah tertera pada persamaan ( 2 ) pada bab dasar teori.

2. Dari data pembebanan, maka didapat gaya ( F ) sehingga nilai dari torsi ( T )

dapat dicari dengan menggunakan rumus yang telah tertera pada persamaan

( 3 ) pada bab dasar teori.

3. Setelah nilai torsi ( T ) didapat, maka dengan cara menggunakan data

torsi ( T ) dan kecepatan putar kincir angin ( Pout ) melalui rumus yang tertera

pada persamaan ( 4 ) pada bab dasar teori.

4. Setelah didapat daya yang dihasilkan oleh kincir angin ( Pout ) dan juga daya

yang dihasilkan oleh kincir angin ( Pin ) , maka dapat dihitung nilai koefisien

dayanya ( Cp ) dengan menggunakan rumus yang tertera pada persamaan ( 6 )

pada bab dasar teori.

5. Setelah didapatkan nilai koefisien dayanya ( Cp ), maka dapat diamati

efisiensi dari kincir angin dengan material komposit ini.

6. Kemudian langkah yang terakhir adalah mencari tip peed ratio – nya ( TSR )

dengan menggunakan data kecepatan angin ( v ) yang telah didapat dan juga

(79)

angin ( r ) sesuai dengan rumus yang telah tertera pada persamaan ( 7 ) pada

(80)

57

disajikan pada tabel 4.1, 4.2, dan 4.3. Pengambilan data kincir angin dengan variasi

kecepatan angin dari blower angin 9 m/s, 8 m/s dan 7 m/s.

Tabel 4.1 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata – rata 9 m/s.

(81)

(82)

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan

Langkah – langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang

diambil dari table diatas.

4.2.1. Perhitungan Daya Angin

Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan A = 0,5 m2 dapat dicari dengan

menggunakan Persamaan (2).

Sample data untuk contoh perhitungan diambil dari tabel 2.6 pada baris nomor 10.

Pin= 1/2 ρ A v3

= 1/2 . 1,2 . . 0,52 . 9,623

= 419,32 watt

4.2.2. Perhitungan Daya Kincir

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan menggunakan

Persamaan (5), untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut dan

torsi. Maka perlu dicari terlebih dahulu menggunakan Persamaan (4) dan Persamaan

(3) :

(83)

T = F l

T =

T = 0,61 Nm

Pout = T

= 0,61 Nm . 56,52 rad/s

= 34,47 watt

4.2.3. Perhitungan Koefisien Daya ( Cp )

Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan persamaan (6) :

(84)

8,2

4.2.4. Perhitungan Tip Speed Ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (7)

:

4.3. Data Hasil Perhitungan

Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan

software Microsoft Excell untuk menampilkan grafik hubungan antara putaran rotor

dengan torsi yang dihasilkan, grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio,

dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi

(85)

beban tegangan arus

No beban rpm w torsi Pin Po mekanis Pout v rotor CPl

rad/s Nm watt watt watt m/s

74 0,21 4,69 232,34 15,69 0,00 6,75 37,02 0,00

70,6 0,24 4,47 232,34 16,83 4,57 7,24 35,29 1,96

69,3 0,26 4,39 232,34 18,36 5,50 7,90 34,66 2,37

66,8 0,32 4,23 232,34 21,24 9,70 9,14 33,41 4,17

65,7 0,34 4,16 232,34 22,61 9,38 9,73 32,83 4,04

63,6 0,37 4,02 232,34 23,57 10,53 10,15 31,78 4,53

61,5 0,40 3,89 232,34 24,42 11,55 10,51 30,74 4,97

61,3 0,45 3,88 232,34 27,58 14,48 11,87 30,63 6,23

57,3 0,50 3,63 232,34 28,83 17,10 12,41 28,64 7,36

53,2 0,53 3,37 232,34 28,18 16,80 12,13 26,60 7,23

50,9 0,56 3,22 232,34 28,31 18,76 12,18 25,45 8,07

44,4 0,58 2,81 232,34 25,87 15,54 11,14 22,20 6,69

40,7 0,66 2,58 232,34 26,97 13,98 11,61 20,37 6,02

TSR CPm

65,9 0,21 4,77 154,81 13,96 0,00 9,02 32,93 0,00

63,8 0,26 4,62 154,81 16,89 2,01 10,91 31,89 1,30

58,1 0,29 4,21 154,81 16,93 4,55 10,94 29,06 2,94

56,9 0,29 4,12 154,81 16,57 5,93 10,70 28,43 3,83

56,3 0,34 4,08 154,81 19,40 8,54 12,53 28,17 5,52

54,3 0,37 3,94 154,81 20,15 9,23 13,02 27,17 5,96

53,4 0,37 3,87 154,81 19,80 9,02 12,79 26,70 5,83

47,3 0,37 3,43 154,81 17,55 8,97 11,34 23,67 5,79

45,6 0,40 3,30 154,81 18,10 7,25 11,69 22,78 4,69

43,4 0,42 3,14 154,81 18,37 9,49 11,87 21,68 6,13

42,3 0,42 3,07 154,81 17,93 7,85 11,58 21,15 5,07

41,6 0,45 3,01 154,81 18,72 7,49 12,09 20,79 4,84

40,8 0,45 2,96 154,81 18,39 9,61 11,88 20,42 6,21

TSR CPm

beban tegangan arus

76,9 0,19 4,00 416,92 14,25 0,00 3,42 38,43 0,00

76,2 0,19 3,97 416,92 14,13 0,96 3,39 38,12 0,23

74,7 0,24 3,89 416,92 17,80 6,52 4,27 37,33 1,56

75,4 0,32 3,93 416,92 23,96 7,26 5,75 37,70 1,74

71,7 0,37 3,74 416,92 26,60 11,42 6,38 35,87 2,74

70,3 0,40 3,66 416,92 27,92 13,45 6,70 35,13 3,23

68,7 0,42 3,58 416,92 29,11 13,66 6,98 34,35 3,28

67,2 0,48 3,50 416,92 32,05 17,80 7,69 33,62 4,27

59,2 0,50 3,08 416,92 29,78 19,40 7,14 29,58 4,65

56,5 0,61 2,95 416,92 34,45 20,82 8,26 28,27 4,99

54,9 0,64 2,86 416,92 34,88 23,08 8,37 27,44 5,53

48,1 0,69 2,50 416,92 33,10 22,28 7,94 24,03 5,34

41,7 0,74 2,17 416,92 30,91 20,49 7,41 20,84 4,92

(86)

4.4. Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan

Data yang telah diperoleh dan dioleah dengan menggunakan Microsoft excel,

kemudian data diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan

antara kecepatan putar kincir (rpm) dengan torsi (N.m), koefisien daya mekanis kincir

(Cp) dengan torsi dan koefisien daya mekanis kincir dengan tip speed ratio (tsr).

Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percoban dapat dilihat pada grafik berikut

ini :

(87)

Gambar 4.2 Hubungan koefisien daya mekanis kincir (Cp) dan torsi kincir angin poros horizontal 2 sudu diameter 1 meter berbahan komposit

pada 3 variasi kecepatan angin

Gambar 4.3 Hubungan koefisien daya mekanis kincir (Cp) dan tip speed ratio (tsr)

(88)

Seperti yang ditunjukan pada Gambar 6.2 memperlihatkan bahwa semakin

besar torsi yang dihasilkan oleh kincir maka kecepatan putar kincir semakin kecil.

Untuk variasi kecepatan angin 9 m/s torsi maksimal yang dihasilkan oleh kincir

sebesar 0,74 Nm pada kecepatan putar sebesar 398 m/s.

besar torsi yang dihasilkan oleh kincir maka semakin besar pula Cp yang dihasilkan,

hingga pada kondisi tertentu ( maksimal ) kemudian Cp mengecil. Dari gambar grafik

diatas, Cp maksimal diperoleh sebesar 13,02% dengan torsi sebesar 0,37 Nm pada

variasi kecepatan angin 8 m/s.

besar tsr kincir maka semakin besar Cp yang dihasilkan, sampai pada kondisi tertentu

( maksimal ) kemudian Cp mengecil. Dari gambar grafik diatas, tsr maksimal sebesar