vii INTISARI
Kebutuhan listrik di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan energi ini tidak diikuti dengan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batu bara sebagai sumber energi pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja kincir angin yang diteliti seperti besar torsi, perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio.
Kincir angin propeller berbahan komposit dua sudu diameter 1m, Lebar masksimal sudu 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros. Terdapat tiga variasi perlakuan kecepatan angin: kecepatan angin 10,3 m/s, 8,4 m/s dan 6,4 m/s. Karakteristik kincir angin maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu. Besarnya torsi diperoleh dari mekanisme timbangan digital, putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan anemometer dan ketersediaan angin dengan menggunakan wind tunnel 15 Hp.
Dari hasil penelitian ini, kincir angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 14,85 % pada tip speed ratio 4,02, daya output sebesar 74,12 watt dan torsi sebesar 0,90 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 8,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 20,56 % pada tip speed ratio 4,7, daya output sebesar 56,47 watt dan torsi sebesar 0,72 N.m.Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 33,73 % pada tip speed ratio 5,66, daya output sebesar 40,02 watt dan torsi sebesar 0,56 N.m pada kecepatan angin 6,4 m/s. Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.
viii
ABSTRACT
The need for electricity in Indonesia has increased year by year. This occurred due to increase the number of people, economic growth and the use of energy that continues to grow. Fuel oil, coal and gas become a major energy source for the availability of electricity in Indonesia.. But this increase in energy needs is not followed by the increased availability of fuel oil, gas and coal as a source of energy a power plant in Indonesia. It was because the increased availability of the fuel becomes thin. Base on this present state, appear the idea to produce alternative energy that cannot be discharged, for example the wind, with conducted research on windmills. This study attempts to assess working on windmills are researched as large torque, the ratio of power, maximum power coefficient and tip speed ratio. Windmill propeller made of a composite two-blade diameter of 1 m, a maximum width of the blade 13 cm with a distance of 12.5 cm from the center of the shaft. There are three treatment variations of wind speed: wind speed of 10,3 m/s, 8,4 m/s and 6,4 m/s. Characteristics of the windmill so the shaft of wheel is connected to the loading lamp mechanism. The amount of torque is obtained from the mechanism of digital scale, round windmills measured using a tachometer, wind speed was measured using the anemometer and wind availability by using the wind tunnel 15 Hp.
The results of this research, a windmill with a variation of wind speed of 10.3 m/s generate maximum mechanical power coefficient of 14,85 % on a tip speed ratio of 4,02, the output power of 74,12 watts and a torque of 0.90 N.m. Windmill with variations in wind speed of 8.4 m/s to produce maximum power coefficient of 20,56 % on a tip speed ratio of 4.7, the output power of 56,47 watts and a torque of 0.72 N.m. Windmill with variations in wind speed of 6.4 m/s to produce maximum power coefficient of 33,73 % on a tip speed ratio of 5,66, the output power of 40,02 watts and a torque of 0.56 N.m. at a wind speed of 6.4 m/s. Windmill with variations in wind speed of 6.4 m/s has the highest maximum power coefficient and tip speed ratio.
i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL DUA SUDU BAHAN KOMPOSIT DIAMETER 1 M LEBAR MAKSIMUM 13 CM
DENGAN JARAK 12.5 CM DARI PUSAT POROS
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan oleh :
ARNOLDUS DWI SUNU KOPONG MANGU NIM : 125214038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF WIND TUNEL HORIZONTAL TWO BLADE COMPOSITE MATERIAL THE OF DIAMETER 1 M THE MAKSIMUM 13 CM WITH 12.5 CM DISTANCE FROM THE CENTER OF A SHAFT
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By :
ARNOLDUS DWI SUNU KOPONG MANGU Student Number : 125214038
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii INTISARI
Kebutuhan listrik di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan energi ini tidak diikuti dengan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batu bara sebagai sumber energi pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja kincir angin yang diteliti seperti besar torsi, perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio.
Kincir angin propeller berbahan komposit dua sudu diameter 1m, Lebar masksimal sudu 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros. Terdapat tiga variasi perlakuan kecepatan angin: kecepatan angin 10,3 m/s, 8,4 m/s dan 6,4 m/s. Karakteristik kincir angin maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu. Besarnya torsi diperoleh dari mekanisme timbangan digital, putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan anemometer dan ketersediaan angin dengan menggunakan wind tunnel 15 Hp.
Dari hasil penelitian ini, kincir angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 14,85 % pada tip speed ratio 4,02, daya output sebesar 74,12 watt dan torsi sebesar 0,90 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 8,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 20,56 % pada tip speed ratio 4,7, daya output sebesar 56,47 watt dan torsi sebesar 0,72 N.m.Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 33,73 % pada tip speed ratio 5,66, daya output sebesar 40,02 watt dan torsi sebesar 0,56 N.m pada kecepatan angin 6,4 m/s. Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.
viii
ABSTRACT
The need for electricity in Indonesia has increased year by year. This occurred due to increase the number of people, economic growth and the use of energy that continues to grow. Fuel oil, coal and gas become a major energy source for the availability of electricity in Indonesia.. But this increase in energy needs is not followed by the increased availability of fuel oil, gas and coal as a source of energy a power plant in Indonesia. It was because the increased availability of the fuel becomes thin. Base on this present state, appear the idea to produce alternative energy that cannot be discharged, for example the wind, with conducted research on windmills. This study attempts to assess working on windmills are researched as large torque, the ratio of power, maximum power coefficient and tip speed ratio. Windmill propeller made of a composite two-blade diameter of 1 m, a maximum width of the blade 13 cm with a distance of 12.5 cm from the center of the shaft. There are three treatment variations of wind speed: wind speed of 10,3 m/s, 8,4 m/s and 6,4 m/s. Characteristics of the windmill so the shaft of wheel is connected to the loading lamp mechanism. The amount of torque is obtained from the mechanism of digital scale, round windmills measured using a tachometer, wind speed was measured using the anemometer and wind availability by using the wind tunnel 15 Hp.
The results of this research, a windmill with a variation of wind speed of 10.3 m/s generate maximum mechanical power coefficient of 14,85 % on a tip speed ratio of 4,02, the output power of 74,12 watts and a torque of 0.90 N.m. Windmill with variations in wind speed of 8.4 m/s to produce maximum power coefficient of 20,56 % on a tip speed ratio of 4.7, the output power of 56,47 watts and a torque of 0.72 N.m. Windmill with variations in wind speed of 6.4 m/s to produce maximum power coefficient of 33,73 % on a tip speed ratio of 5,66, the output power of 40,02 watts and a torque of 0.56 N.m. at a wind speed of 6.4 m/s. Windmill with variations in wind speed of 6.4 m/s has the highest maximum power coefficient and tip speed ratio.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkah-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir. Tugas akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Banyak hambatan yang dialami penulis selama proses penulisan tugas akhir. Namun karena kuasa Tuhan Yang Maha Esa, bantuan dan keterlibatan berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas segala bantuan, dukungan dan dorongan, baik secara moril, materil dan spiritual antara lain kepada: 1. Sudi Mungksi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin.
3. Dr. Drs. Vet Asan Damanik,M.Si., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan saran, kritik dan bimbingan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan tugas akhir.
x
6. Keluarga tercinta, Ruben Kopong Miten, Margareta Nuri Ardiantari, dan Claudensia Ajeng Deran Bumi atas segala bentuk dukungan, doa, dan semua yang sudah diberikan sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 7. Teman-teman Teknik Mesin Angkatan 2012 Universitas Sanata Dharma
dan teman-teman dari penulis lainnya yang tidak bisa disebutkan satu per satu.
Yogyakarta, 09 Agustus 2016
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL ... xviii
DAFTAR SIMBOL ... xix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
Latar Belakang Masalah ... 1
Rumusan Masalah ... 4
Tujuan Penelitian ... 4
Batasan Masalah ... 5
Manfaat Penelitian ... 5
BAB II DASAR TEORI ... 6
2.1 Angin ... 6
2.1.1 Jenis – Jenis Angin ... 7
xii
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 10
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 11
2.3 Grafik Hubungan antara Koefisien daya terhadap tip speed ratio (TSR) ... 13
2.4 Rumus Perhitungan ... 13
2.5.1 Tujuan Pembuatan Material Komposit ... 18
2.5.2 Properties Komposit ... 18
2.5.3 Klasifikasi Komposit ... 18
2.6 Serat ... 27
BAB III METODE PENELITIAN ... 38
3.1 Diagram Penelitian ... 38
xiii
3.3 Desain Kincir ... 44
3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin ... 45
3.4.1 Alat Dan Bahan Pembuatan Sudu ... 45
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu ... 46
3.5 Langkah Penelitian ... 51
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 53
4.1 Data Hasil Pengujian ... 53
4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan ... 54
4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 54
4.2.2 Perhitungan Torsi ... 55
4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ... 55
4.2.4 Perhitungan Daya Listrik ... 56
4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) ... 56
4.2.6 Perhitungan Koefisien Daya (Cp) ... 57
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 57
4.4 Grafik Hasil Perhitungan ... 59
xiv
4.4.5 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Daya Elektris Untuk Tiga Variasi
Kecepatan Angin ... 63
4.4.6 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Torsi Untuk Tiga variasi Kecepatan Angin ... 64
4.4.7 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3m/s ... 65
4.4.8 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3m/s ... 66
4.4.9 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya pada Variasi Kecepatan Angin 6,4m/s ... 67
4.4.10 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 68
4.4.11 Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Listrik Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 69
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 71
5.1 Kesimpulan ... 71
5.2 Saran ... 71
DAFTAR PUSTAKA ... 73
xv
Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Horizontal ... 10
Gambar 2.7 Kincir Angin Poros Vertikal ... 12
Gambar 2.8 Grafik Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) ... 13
Gambar 2.9 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Bentuk Matriks ... 19
Gambar 2.10 Matriks Dari Beberapa Tipe Komposit ... 19
Gambar 2.11 Pembagian Komposit Berdasarkan Penguatnya ... 22
Gambar 2.12 Illustrasi Komposit Berdasarkan Penguatnya ... 23
Gambar 2.13 Flat Flakes Sebagi Penguat ... 24
Gambar 2.14 Tipe Serat Pada Komposit ... 25
Gambar 2.15 Tipe Discontinuous Fiber ... 26
Gambar 2.16 Jenis Serat Alami ... 28
Gambar 2.17 Jenis Serat Buatan ... 29
Gambar 2.18 Serat Kaca ... 30
Gambar 2.19 Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal ... 32
Gambar 2.20 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat ... 33
Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin ... 38
Gambar 3.2 Sudu Kincir Angin ... 40
xvi
Gambar 3.4 Fan Blower ... 41
Gambar 3.5 Tachometer ... 41
Gambar 3.6 Timbangan Digital ... 42
Gambar 3.7 Anemometer ... 42
Gambar 3.8 Voltmeter ... 43
Gambar 3.9 Amperemeter ... 43
Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu ... 44
Gambar 3.11 Desain Kincir ... 45
Gambar 3.12 Pemotongan Pipa ... 46
Gambar 3.13 Cetakan kertas ... 47
Gambar 3.14 Pembentukan Sudu Pada Pipa ... 47
Gambar 3.15 Pelapisan Cetakan Pipa ... 48
Gambar 3.16 Resin dan Harderner ... 48
Gambar 3.17 Pengolesan Cetakan Sudu Yang Dilapisi Alumunium Foil ... 49
Gambar 3.18 Peletakan Serat Glass Pada Cetakan Sudu ... 50
Gambar 3.19 Peletakan Plat Pada Pangkal Sudu ... 50
xvii
Gambar 4.4 Grafik Hubungan RPM Dan Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 63 Gambar 4.5 Grafik Hubungan RPM Dan Daya Elektris Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 64 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Torsi Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 65 Gambar 4.7 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Pada Kecepatan
xviii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Ramalan Kebutuhan Energi ... 3
Tabel 1.2 Penyediaan Energi Listrik di Indonesia ... 4
Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin ... 6
Tabel 2.2 Sifat-sifat dari jenis-jenis fiber-glass ... 31
Tabel 2.3 Sifat Serat ... 31
Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu ... 45
Tabel 4.1 Data Pengujian Dua Sudu Pada Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 53
Tabel 4.2 Data Pengujian Dua Sudu Pada Kecepatan Angin 8,4 m/s, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 53
Tabel 4.3 Data Pengujian Dua Sudu Pada Kecepatan Angin 6,4 m/s, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 54
Tabel 4.4 Data Perhitungan Dua Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Dua Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 58
Tabel 4.5 Data Perhitungan Dua Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 8,4 m/s, Kincir Angin Komposit Dau Sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 58
xix
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
� Massa jenis (kg/m3)
r Jari-jari kincir (m)
A Luas penampang (m2)
� Kecepatan angin (m/s)
� Kecepatan sudut (rad/s)
n Kecepatan putar poros (rpm)
F Gaya pembebanan (N)
T Torsi (Nm)
�� Daya angin (Watt)
�� � � Daya listrik (Watt)
� � � � Daya kincir (Watt)
Tip Speed Ratio
�� Koefisien daya (%)
�� �� Koefisien daya maksimal (%)
m massa (kg)
� Energi kinetic (wH)
V Tegangan (Volt)
I Arus (Ampere)
� Waktu (s)
xx
� Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)
L Panjang lengan torsi (m)
� �� Lebar maksimal (m)
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang Masalah
Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi, khususnya energi listrik di Indonesia, makin berkembang menjadi bagian tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat sehari – hari dengan pesatnya peningkatan pembangunan di bidang teknologi, industri dan informasi. Namun pelaksanaan penyediaan energi listrik yang dilakukan oleh PT.PLN (PERSERO), selaku lembaga resmi yang ditunjuk oleh pemerintah untuk mengelola masalah kelistrikan di Indonesia, sampai saat ini masih belum dapat memenuhi kebutuhan masyrakat akan energi listrik secara keseluruhan. Kondisi geografis negara Indonesia yang terdiri atas ribuan pulau dan kepulauan, tersebar dan tidak meratanya pusat – pusat beban listrik diseluruh daerah di Indonesia ( Ramani, K.V,1992).
Selain itu, makin berkurangnya ketersediaan sumber daya yang tak dapat diperbaharui yang sampai saat ini merupakan tulang punggung dan komponen utama penghasil energi listrik di Indonesia, menyebabkan kita harus berpikir untuk mencari alternatif penyediaan energi listrik yang memiliki karakter;
1. Dapat mengurangi ketergantungan terhadap pemakain energi yang tak dapat diperbaharui.
Sistem penyediaan energi listrik yang dapat memenuhi kriteria di atas adalah sistem konversi energi yang memanfaatkan sumber daya energi terbarukan, seperti: matahari, angin, air, biomas dan lain sebagainya (Djojonegoro,1992). Tak bisa dipungkiri bahwa kecenderungan untuk mengembangkan dan memanfaatkan potensi sumber-sumber daya energi terbarukan dewasa ini telah meningkat dengan pesat, khususnya di negara-negara sedang berkembang, yang telah menguasai rekayasa dan teknologinya, serta mempunyai dukungan finansial yang kuat. Oleh sebab itu, merupakan hal yang menarik untuk disimak lebih lanjut, bagaimana peluang dan kendala pemanfaatan sumber-sumber daya energi terbarukan ini di negara-negara sedang berkembang, khususnya di Indonesia.
Kebutuhan dan Ketersediaan Energi Listrik di Indonesia
Dengan memperhatikan pertumbuhan ekonomi dalam sepuluh tahun terakhir, skenario "export-import" dan pertumbuhan penduduk, pada tahun 1990 diramalkan bahwa tingkat pertumbuhan kebutuhan energi listrik nasional dapat mencapai 8,2 persen rata-rata per tahun, seperti ditunjukkan dalam tabel-1 berikut.
Kebutuhan energi listrik tersebut diharapkan dapat dipenuhi oleh pusat-pusat pembangkit listrik, baik yang dibangun oleh pemerintah maupun non-pemerintah. Sebagai ilustrasi, pada tahun 1990 kebutuhan energi listrik sebesar 51.919 GWh telah dipenuhi oleh seluruh pusat pembangkit listrik yang ada dengan kapasitas daya terpasang sekitar 22.000 MW. Sehingga pada tahun 2010 dari kebutuhan energi listrik, yang diramalkan mencapai 258.747 GWh per tahun, diharapkan dapat dipenuhi oleh sistem suplai energi listrik dengan kapasitas total sebesar 68.760 MW, yang komposisi sumber daya energinya seperti diperlihatkan dalam tabel-2.
Potensi sumber daya energi energi terbarukan, seperti; matahari, angin dan air, ini secara prinsip memang dapat dierbaharui, karena selalu tersedia di alam. Namun pada kenyataannya potensi yang dapat dimanfaatkan belum dimafaatkan secara maksimal. Sebagai mahasiswa teknik mesin yang mendalami energi terbarukan dan konversi energi khususnya energi angin penulis ingin mengembangkan design kincir yang sudah ada saat ini untuk mencari unjuk kerja yang sesuai dengan kondisi angin yang berada di Indonesia. Penulis melakukan penelitian pada kincir angin horizontal dua sudu.
1.2Rumusan Masalah
Masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah :
a. Diperlukan kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin tersebut dengan maksimal sehingga efisiensi yang diperoleh tinggi. b. Penggunaan bahan komposit dalam pembuatan sudu.
1.3Tujuan Penelitian
a. Membuat kincir angin poros horizontal dua sudu dengan bahan komposit.
b. Mengetahui unjuk kerja dari kincir angin poros horizontal dua sudu, bahan komposit.
1.4Batasan Masalah
Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :
a. Model kincir angin dibuat tipe propeler dengan bahan komposit dengan diameter 1m, lebar maksimum 12 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.
b. Kincir angin menggunakan sudu berjumlah dua.
c. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
d. Kincir angin propeller dua sudu tipe horizontal axis wind turbine (HAWT).
1.5Manfaat Penelitian:
Manfaat peneltitian yang ada dalam penelitian ini adalah :
a. Kincir angin ini dapat dimanfaatkan sebagai salah satu aplikasi pemanfaatan energi terbarukan.
6 BAB II DASAR TEORI
2.1 Angin
Angin adalah udara yang bergerak, angin terjadi karena perbedaan tekanan di permukaan bumi. Angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Perbedaan tekanan ini disebabkan oleh perbedaan penerimaan dan penyerapan panas matahari oleh bumi. Energi angin dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit listrik tenaga angin (PLTA) dengan memanfaatkan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, angin memutar kincir angin yang kemudian memutar rotor pada generator. Energi listrik yang dihasilkan bisa dimanfaatkan secara langsung, ataupun disimpan dengan menggunakan baterei. Kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat tabel 2.1.
Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin.
Sumber : hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. diakses Mei 2016.
Batas minimum untuk menggerakkan kincir ialah angin kelas 3 dan batas maksimum adalah angin kelas 8.
Kelas Kecepatan Angin Angin (m/s)
1 0,00 – 0,02
---2 0,3 – 1,5 Angin bertiup, asap lurus keatas
3 1,6 – 3,3 Asap bergerak mengikuti arah angin
4 3,4 – 5,4 Wajah terasa ada angin, daun bergoyang, petunjuk arah angin bergerak 5 5,5 – 7,9 Debu jalanan dan kertas berterbangan, ranting pohon bergoyang 6 8,0 – 10,7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar
7 10,8 – 13,8 Ranting pohon besar bergoyang, air kolam bergoyang kecil 8 13,9 – 17,1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga 9 17,2 – 20,7 Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin 10 20,8 – 24,4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh 11 24,5 – 28,4 Dapat merubuhkan pohon dan menimbulkan kerusakan 12 28,5 – 32,5 Dapat menimbulkan kerusakan parah
13 32,6 – 42,3 Angin Topan
2.1.1 Jenis Angin 1. Angin Laut
Angin laut adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari, angin ini bergerak dari laut atau danau menuju daratan. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas daratan mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan udara di atas permukaan air, sehingga tekanan udara di atas daratan lebih rendah dibandingkan di atas permukaan laut atau danau seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1.
2. Angin Darat
Angin darat adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari, angin ini bergerak dari darat menuju laut. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas daratan mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan udara di atas permukaan air, sehingga tekanan udara di atas permukaan laut atau danau menjadi lebih rendah dibandingkan di atas daratan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Angin Laut. Gambar 2.2 Angin darat.
Sumber : https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/ diakses Mei 2016.
3 Angin Lembah
ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan gunung menjadi lebih rendah dibandingkan di atas permukaan lembah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
4. Angin Gunung
Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pendingin lebih cepat dibandingkan di atas permukaan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan lembah menjadi lebih rendah di atas permukaan gunung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.3 Angin Lembah Gambar 2.4 Angin Gunung Sumber :
http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html diakses Mei 2016.
5. Angin Muson
hujan yang banyak di Indonesia bagian barat, hal ini disebabkan karena angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra. Contoh perairan dan samudra yang dilewati adalah Laut China Selatan dan Samudra Hindia. Angin Musim Barat menyebabkan Indonesia mengalami musim hujan. Angin ini terjadi pada bulan Desember, Januari dan Februari, dan maksimal pada bulan januari dengan kecepatan minimum 3 m/s. Angin Musim/Muson Timur adalah angin yang mengalir dari Benua Australia (musim dingin) ke Benua Asia (musim panas) sedikit curah hujan (kemarau) di Indonesia bagian timur karena angin melewati celah-celah sempit dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Ini yang menyebabkan Indonesia mengalami musim kemarau. Terjadi pada bulan juni, juli dan Agustus, dan maksimal pada bulan juli.
Gambar 2.5 Contoh ( ) angin muson barat dan (---) angin muson timur. Sumber :
http://www.berpendidikan.com/2015/06/macam-macam-angin-beserta-contoh-gambar-dan-penjelasannya.html diakses Mei 2016.
2.2 Kincir Angin
banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, penggilingan gandum dan pembangkit tenaga listrik. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua jenis menurut porosnya yaitu kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir Angin Poros Horisontal atau propeler adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir angin Poros Horisontal ini memiliki jumlah bilah lebih dari dua, kincir angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aeorodinamis yang bekerja pada suatu kincir. Beberapa jenis kincir angin poros horisontal yang telah banyak dikenal di antaranya ditunjukkan pada gambar 2.6.
Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal : Kelebihan kincir angin poros horizontal :
1. HAWT mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. 2. Setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%. 3. HAWT tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung
menuju rotor.
Kekurangan kincir angin poros horizontal :
1. Dibutuhkan konstruksi menara untuk menyangga bilah – bilah, transmisi roda gigi, dan generator.
2. HAWT yang tinggi akan sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan membutuhkan operator yang profesional.
3. HAWT membutuhkan mekanisme control yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kelebihan kincir angin poros vertikal :
1. Dapat menerima arah angin dari segala arah. 2. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 3. Dapat bekerja pada putaran rendah.
4. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah.
5. Tidak perlu mengatur sudut – sudut untuk menggerakan sebuah generator. Kelemahan kincir angin poros vertikal :
1. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil. 2. Hanya dapat mengkonversi energi angin 50% dikarenakan adanya gaya drag
tambahan.
3. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil. 4. Sebuah VAWT yang menggunakan kabel untuk menyanggah nya memberi
tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
2.3 Grafik Hubungan Antara Cp dan tip speed ratio (TSR)
Menurut Albert Betz Ilmuan Jerman bahwa koefisien daya maksimal dari kincir angin adalah sebesar 59% seperti yang terlihat pada Gambar 2.8 Dia menamai batas maksimal tersebut dengan Betz limit.
Gambar 2.8 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) dari beberapa jenis kincir.
Sumber : www.gunturcuplezt.com diakses Mei 2016.
2.4 Rumus Perhitungan
Berikut ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.
2.4.1 Rumus Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda yang bergerak. Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan menjadi:
= � (1)
dengan:
m : Massa ( kg ) v : Kecepatan angin
Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat dituliskan dengan rumus sebagai berikut :
�� = ṁ � (2)
dengan :
P : Daya angin (watt)
ṁ : Massa udara yang mengalir pada satuan waktu (kg/s) dimana :
ṁ =� � � (3)
dengan :
� : Massa jenis udara (kg/m³). A : Luas penampang sudu (m²).
Dengan mengunakan persamaan (3), daya angin dapat dirumuskan menjadi
�� = � � � � , yang dapat disederhanakan menjadi :
�� = � � � (4)
2.4.2 Rumus Perhitungan TSR (tip speed ratio)
Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin
dengan kecepatan angin. Kecepatan diujung sudu (Vt) dapat dirumuskan sebagai :
dengan :
� : Kecepatan ujung sudu.
� : Kecepatan sudut (rad/s).
� : Jari – jari kincir (m).
sehingga tsr-nya dapat dirumuskan sebagai berikut:
= � 6 (6)
dengan :
r : jari – jari kincir (m).
n : Putaran poros kincir tiap menit (rpm). v : Kecepatan angin (m/s).
2.4.3 Rumus Torsi
Torsi adalah hasil kali dari gaya pemebebanan (F) dengan panjang lengan torsi (l). Perhitungan torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :
= (7)
dengan :
F : Gaya pembebanan (N).
l : Panjang lengan torsi ke poros (m).
2.4.4 Rumus Daya Mekanis
� � � � = � (8)
dengan :
T : Torsi (N.m).
� : kecepatan sudut (rad/s).
Dengan ini untuk daya yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan dengan persamaan (7), yaitu :
� � � � = T � (9)
dengan :
� � � � : Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt).
T : Torsi (N.m).
n : Putaran poros (rpm)
2.4.5 Rumus Daya Listrik
Daya Listik adalah daya yang dihasilkan generator. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh generator dapat dirumuskan :
�� � � = � � (10)
Dengan :
V : Tegangan (watt).
I : Arus (ampere).
2.4.6 Koefisien Daya
� = PPi % (11) dengan :
� : Koefisien Daya, %
�� : Daya yang disediakan oleh angin. � : Daya yang dihasilkan kincir.
2.5 Komposit
Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit).
Beberapa definisi komposit sebagai berikut
1. Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa, paduan, polymer dan keramik)
2. Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun dari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduan Fe dan C)
2.5.1 Tujuan Pembuatan Material Komposit
Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yatu sebagai berikut : Memperbaiki sifat mekanik dan /atau sifat spesifik tertentu.
Mempermudah design yang sulit pada manufaktur. Menjadikan bahan lebih ringan.
2.5.2 Properties Komposit
Sifat maupun karakteristik dari komposit ditentukan oleh:
• Material yang menjadi penyusun komposit
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional.
• Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun
Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.
• Interaksi antar penyusun
Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.
2.5.3 Klasifikasi Komposit
Berdasarkan matriknya, komposit dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok besar yaitu:
Gambar 2.9 Klasifikasi komposit Berdasarkan bentuk dari matriks-nya.
Gambar 2.10 Matriks dari beberapa tipe komposit.
A. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC)
Komposit ini memiliki sifat seperti : ketangguhan yang baik, tahan simpan, kemampuan memngikuti bentuk, lebih ringan dan lain sebagainya.
Keuntungan dari PMC :
1) Ringan 2) Specific stiffness tinggi
3) Specific strength tinggi 4) Anisotropy Jenis polimer yang banyak digunakan :
1) Thermoplastic
Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat
Matriks phase/ reinforcement
phaase Metal Ceramic Polymer
Metal Powder metallurgy parts - combining inmiscible metals
cermets (
ceramic-metal composite) Brake pads
Ceramic
Polymer Kevlar fibers in an
epoxy matrix
Elemental ( Carbon,Boron, etc)
Fiber reinforced metal Auto parts aerospace
Rubber with carbon (tires) Boron, Carbon
mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh dari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES, dan Polieter eterketon (PEEK).
2) Thermoset
Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik.
B. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)
Metal Matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah Continous Filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aero space.
Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC :
1) Transfer tegangan dan regangan baik. 2) Ketahanan temperatur tinggi 3) Tidak menyerap kelembapan. 4) Tidak mudah terbakar. 5) Kekuatan tekan dan geser yang baik.
Kekurangan MMC : 1) Biayanya mahal
2) Standarisasi material dan proses yang sedikit Proses pembuatan MMC :
1) Powder metallurgy 2) Casting/liquid ilfiltration 3) Compocasting
4) Squeeze casting
C. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)
CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik.
Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid.
Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat). Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah :
1) Gelas anorganik. 2) Keramik gelas 3) Alumina 4) Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC :
1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam.
3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus. 4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi. 5) Tahan pada temperatur tinggi (creep).
Kerugian dari CMC
1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar 2) Relatif mahal
3) Hanya untuk aplikasi tertentu
Adapun pembagian komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat dari gambar 2.11 Pembagian komposit berdasarkan penguatnya.
.Gambar 2.11 Pembagian komposit berdasarkan penguatnya.
Dari gambar 2.11 komposit berdasakan jenis penguatnya dapat dijelasakan sebagai berikut :
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat
c. Structural composite, cara penggabungan material komposit
gambar 2. 12 illustrasi komposit berdasarkan penguatnya.
Gambar 2.12 Illustrasi komposit berdasarkan penguatnya.
1. Partikel sebagai penguat (Particulate composites)
Keuntungan komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel: a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah.
b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material.
c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi.
Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel:
a) Metalurgi Serbuk b) Stir Casting c) Infiltration Process d) Spray Deposition e) In-Situ Process
Panjang partikel dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut : 1) Large particle
dan sand sebagai atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai partikel, Sphereodite steel (cementite sebagai partikulat), Tire (carbon sebagai partikulat), Oxide-Base Cermet (oksida logam sebagai partikulat).
Gambar 2.13 a. Flat flakes sebagai penguat (Flake composites) b. Fillers sebagai penguat (Filler composites).
2) Dispersion strengthened particle
a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%. b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.
2. Fiber sebagai penguat (Fiber composites)
a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.
b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi.
Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut : a) Distribusi b) Konsentrasi c) Orientasi d) Bentuk e) ukuran
Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat komposit, yaitu :
Gambar 2.14 Tipe serat pada komposit.
a) Continuous Fiber Composite.
Continuous atau un-directional, mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan. Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.
b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional).
memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan tidak sebaik tipe continuous fiber.
c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite).
Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi 3, seperti yang ditunjukkan gambar 2.15.
1) Aligned discontinuous fiber
2) Off-axis aligned discontinuous fiber 3) Randomly oriented discontinuous fiber
Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama.
Gambar 2.15 Tipe discontinuous fiber.
d) Hybrid fiber composite
2.6 Serat
Serat adalah suatu jenis bahan berupa potongan – potongan komponen yang membrntuk jaringan memanjang yang utuh. Serat dibagi menjadi dua kategori, yakni Serat Alam dan Serat Buatan. Serat alam menurut Jumaeri, (1977:5), yaitu
“Serat yang langsung diperoleh di alam. Sedangkan serat buatan menurut Jumaeri,
(1979:35), yaitu “Serat yang molekulnya disusun secara sengaja oleh manusia. Sifat-sifat umum dari serat buatan, yaitu kuat dan tahan gesekan”.
2.6.1 Serat Alami
Serat alami meliputi serat yang diproduksi oleh tumbuh-tumbuhan, hewan, dan proses geologis seperti yang ditunjukkan gambar 2.16. Serat jenis ini bersifat dapat mengalami pelapukan. Serat alami dapat digolongkan ke dalam:
1. Serat tumbuhan/serat pangan; biasanya tersusun atas selulosa, hemiselulosa, dan kadang-kadang mengandung pula lignin. Contoh dari serat jenis ini yaitu katun dan kain rami. Serat tumbuhan digunakan sebagai bahan pembuat kertas dan tekstil. Serat tumbuhan juga penting bagi nutrisi manusia.
2. Serat kayu, berasal dari tumbuhan berkayu.
2.6.2 Serat Sintetis
Serat sintetis atau serat buatan manusia umumnya berasal dari bahan petrokimia. Namun demikian, ada pula serat sintetis yang dibuat dari selulosa alami seperti rayon. Pada gambar 2.17 menampilkan jenis – jenis serat sintetis.
Gambar 2.16 Jenis –jenis serat alami
Gambar 2.17 Jenis serat buatan
Sumber:http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Sintetis.bmp.Diakses juni 2016.
2.6.3 Serat Kaca
menjadi kain, yang kemudian diresapi dengan resin sehingga menjadi bahan yang kuat dan tahan korosi. Pada gambar 2.18 menunjukkan gambar dari serat kaca.
Gambar 2.18 Serat Kaca.
Sifat-sifat fiber-glass, yaitu sebagai berikut : 1. Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc).
2. Tensile strength nya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa). 3. Biasanya stiffness nya rendah (70GPa).
4. Stabilitas dimensinya baik.
5. Resisten terhadap panas dan dengin. 6. Tahan korosi.
Keuntungan dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut : 1. Biaya murah.
2. Tahan korosi.
3. Biayanya relatif lebih rendah dari komposit lainnya. Kerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :
3. Kekuatan dan beratnya sedang (moderate). Jenis-jenisnya antara lain :
1. E-glass 2. C-glass 3. S-glass
Tabel 2.2 Sifat-sifat dari jenis-jenis fiber-glass.
Sumber : Tata Surdia, Pengetahuan Bahan Teknik, Cetakan Ke-6 PT. Pradnya Paramita 2005. Diakses Juni 2016.
Tabel 2.3 Sifat Serat
Sumber : Tata Surdia, Pengetahuan Bahan Teknik, Cetakan Ke-6 PT. Pradnya Paramita 2005. Diakses Juni 2016.
2.7Matriks
Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :
Serat Kekuatan Karbon (Dasar Rayon viskus) 2 0,6 1,66 350 210
Karbon* (Dasar PAN) 1,8 0,5 1,99 400 200
Gelas (Jenis E) 3,2 2,3 2,54 75 30
Baja 3,5 2 7,8 200 26
Kevlar 3,2 6,5 1,44 57 40
Nilon 66 0,9 14 1,14 7 6
a. Mentrasfer tegangan ke serat. b. Melindungi serat.
c. Melepaskan ikatan koheren permukaan matrik dan serat.
Matriks juga berperan memberikan rintangan terhadap serangan alam sekitar dan melindungi permukaan gentian dari pada lelasan atau abrasi secara mekanikal. Pada gambar 2.19 memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem matriks ideal. Kurva untuk matriks menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa matriks pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.
Gambar 2.19 Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal. Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b1FWp5 0I/AAAAAAAAACU/75rb0kxiHCk/s1600-h/teg-reg-komposit.jpg. Diakses
Juni 2016.
serat kaca-S, serat aramid, dan serat karbon berkekuatan tinggi (yaitu bukan dalam bentuk komposit). Disini terlihat, sebagai contoh, serat kaca-S dengan perpanjangan 5,3%, akan membutuhkan matriks dengan perpanjangan paling tidak sama dengan nilai tersebut untuk mencapai sifat tarik yang maksimum.
Gambar 2.20 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat. Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b3OLg-_7I/AAAAAAAAACc/zT2_cKYQ5lU/s1600-h/images.jpg. Diakses Juni
2016.
2.7.1 Resin
Kata “resin” telah diterapkan di dunia moderen untuk semua hampir
tanaman, tetapi resin sintetis monomer cair thermosetting plastik, tidak berasal dari tanaman.
2.7.2 Jenis – Jenis Resin
Berdasarkan kebutuhan resin itu sendiri memilki jenis – jenis berbeda dengan proses pembuatan dan karakteristik yang berbeda. Contoh jenis resin seperti berikut :
1. Resin Fenol
Fenol-fenol seperti fenol, kresol, klisenol dan lain sebagainya dikondensasikan dengan formadehida untuk menghasilkan termoset.
Keuntungannya adalah sebagai berikut :
a. Mudah dibentuk dan menguntungkan dalam kesetabilan dimensi. Kurang penyusutannya dan keretakannya.
b. Unggul dalam sifat isolasi listrik.
c. Relatif tahan panas dan dapat padam sendiri. d. Unggul dalam ketahanan asam.
Kekurangannya adalah sebagai berikut : a. Kurang tahan terhadap Alkali.
b. Aslinya agak berwarna, jadi tidak bebas dalam pewarnaan.
2. Resin Urea
Dalam hal ketahanan air, kestabilan dimensi dan ketahan terhadap penuaan. Karena itu, beberapa bahan lain ditambahkan atau diproses menjadi kopolimer dengan fenol, melamn dan lain sebagainya untuk memperbaiki sifat – sifat tersebut.
a. Pencetakan
Proses yang dipakai yaiut pencetakan tekan, pengaliha dan injeksi. Dalam pencetakan tekan, bahan diproses pada temperatur cetakan 130 – 150 0C, tekanan 150 – 300 kg/cm2, selama 30 – 40 detik per 1 mm ketebalam dari benda cetakan.
b. Penggunaan
Bila benda cetakan kaku, tahan terhadap pelarut dan busur listrik, jernih dan dapat diwarnai secara bebas, maka bahan ini banyak digunakan untuk barang – barang kecil yang diperlukan sehari – hari seperti pelindung cahaya, soket dan lain
– lain.
3. Resin Melamin
Bahan ini lebih unggul dalam berbagai sifat dari pada resin urea. a. Pencetakan
b. Penggunaan
Barang – barang cetakan melamin dapat diwarnai secara bebas. Karena unggul dalam ketahanan air, ketahanan panas, ketahanan terhadap isolasi listrik, ketahanan busur listrik, bahan ini kegunaannya luas. Pengunaan utama adalah untuk: alat – alat makan, bagian – bagian komponen listrik dan mekanik.
4. Resin Poliester Tak Jenuh
Dalam kebanyakan hal ini disebut poliester saja. Karena berupa resin cair dengan viskositas relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya, maka tak perlu diberi tekanan untuk pencetakan. Berdasarkan karakteristik ini, bahan dikembangkan secara luas sebagai plastik penguat serat ( FRP ) dengan menggunakan serat gelas.
5. Resin Epoksi
a. Proses Produksi Bahan
b. Penggunaan Resin Epoksi.
Sebagai perekat hampir semua plastik dapat melekat cukup kuat kecuali resin silicon, fluoresin, polietilen dan polipropilen. Jenis yang lain adalah jenis yang paling sering dipakai. Paling luas digunakan dalam industry penerbangan, konstruksi dan listrik. Dan sebagai bahan cat dapat dipakai terhadap berbagai bahan, dan secara luas digunakan karena pelapisannya kuat, unggul dalam ketahanan air dan ketahanan kimia.
6. Resin Poliuretan
Resin ini dihasilkan oleh reaksi diisosianat dan senyawa polihidroksi. Resin ini kuat, baik dalam ketahanan abrasi, ketahanan minyak dan ketahanan pelarut, maka digunakan untuk plastik busa, bahan elastis, cat perekat, kulit sintetis dan lain
– lain.
a. Sifat – Sifat
Poliuretan dengan berbagai sifat dapat dibuat, bergantung pada bahan mentah yang dipilih, tetapi mengenai sifat – saifat yang umum, baik dalam elastisitas dan kekuatan, kekuatan tarik nya tinggi, unggul dalam ketahanan terhadap abrasi, penuaan, minyak, pelarut, dan sifat temperatur rendahnya yang menguntungkan namun demikian, mudah dehidrolisa, relatif kurang kuat terhadap asam dan alkali, dan warnanya mudah luntur oleh panas atau cahaya.
b. Penggunaan
38 BAB III
METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Penelitian
Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perencanaan kincir hingga analisis data. Langkah kerja dalam penelitian ini dalam bentuk gambar diagram alir seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian kincir angin. Mulai
Perancangan kincir angin propeller dua sudu poros horisontal menggunakan pipa PVC 8 inchi sebagai cetakan sudu
Pembuatan sudu kincir angin bahan komposit komposit diameter 1 m, lebar maksimum 13 cm dari pusat poros dan panjang sudu 45 cm
Pengambilan data : - � (rpm)
- � (kecepatan angin) - � (gaya pengimbang)
- � (tegangan) - � (arus)
Pengolahan data
Analisis data dan pembuatan laporan
Ada tiga jenis perlakuan metode untuk melakukan penelitian ini, yaitu : 1. Penelitian Kepustakaan (Library Research)
Penelitian kepustakaan dilakukan dengan membaca literatur –literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggung jawabkan kebenarannya.
2. Pembuatan Alat
Pembuatan alat uji kincir angin dilakukan di Laboratorium Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk memutar fan blower
yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir. 3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi)
Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeler pada wind tunnel.
3.2 Alat dan Bahan
Model kincir angin propeler dengan bahan komposit Kincir ini dibuat dengan diameter 1 meter.
1. Sudu kincir angin.
Gambar 3.2. Blade / Sudu.
2. Dudukan sudu.
Dudukan sudu yang merupakan bagian komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Dudukan sudu ini memiliki dua belas buah lubang untuk pemasangan sudu,untuk mengatur sudu kemiringan cukup memutar kemiringan plat dudukan sudu. Posisi plat dudukan dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan Dudukan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.3.
3. Fan blower.
Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan
blower dengan power sebesar 15 Hp. Gambar 3.4 akan menunjukan bentuk dari
fan blower.
Gambar 3.4 Fan Blower.
4. Tachometer.
Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran
poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (rotation per minute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu: Sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.5 menunjukan bentuk tachometer.
5. Timbangan Digital.
Timbangan Digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat kincir angin berputar. Gambar 3.6 menunjukan bentuk dari Timbangan Digital yang digunakan dalam penelitian. Timbangan Digital ini diletakan pada bagian lengan generator.
Gambar 3.6 Timbangan Digital.
6. Anemometer.
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari anemometer.
7. Voltmeter.
Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan yang dihasilkan kincir angin oleh setiap variasinya. Gambar Voltmeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Voltmeter.
8. Amperemeter.
Ampermeter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh Kincir Angin dengan setiap variasinya. Gambar Ampermeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.9 Ampermeter.
9. Pembebanan.
Pembebanan yang dilakukan dengan menggunakan lampu bermaksud untuk mengetahui performa kincir angin. Variasi voltase lampu yang diberikan bermaksud supaya data yang dihasilkan lebih bervariasi. Lampu yang digunakan adalah lampu 60 Watt sebanyak 5 buah, lampu 40 Watt sebanyak 4 buah dan lampu 25 Watt sebanyak 5 buah. Gambar pembebanan lampu seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.0 Pembebanan lampu.
Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu.
3.3 Desain Kincir
Gambar 3.11 Desain kincir.
3.4 Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin 3.4.1 Alat dan Bahan
Pembuatan sebuah sudu / blade merupakan proses yang dilakukan secara bertahap serta membutuhkan alat dan bahan, seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 3.1.
3.4.2 Proses Pembuatan Sudu / Blade
Dalam proses pembuatan sudu / blade dilakukan dengan beberapa tahapan. tahapan – tahapan pembuatan sudu seperti berikut:
A. Pembuatan Cetakan Pipa:
1. Memotong pipa 8 inchi dengan panjang 50 cm.
Pipa 8 inchi berfungsi sebagai mal / cetakan dari proses pembuatan sudu blade kincir angin yang mana bahan yang digunakan adalah komposit. Proses memotong menggunakan gerinda dengan panjang pipa yang diinginkan adalah 50 cm. Setelah pipa dipotong, kemudian pipa di belah dua. Hal ini bertujuan pada saat pembentukan pipa dengan mal kertas agar lebih mudah dilakukan. Pipa yang digunakan adalah Pipa Wavin D 8 inchi, Pemotongan pipa seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.12.
Gambar 3.12 Pemotongan Pipa.
2. Membentuk Mal / cetakan kertas.
sesuai dengan mal menggunakan spidol. Mal / cetakan kertas seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.13
Gambar 3.13 Mal / Cetakan Kertas.
3. Membentuk pipa dengan mal kertas.
Pipa yang telah ditandai oleh mal ketas, kemudian dipotong menggunakan gerinda. Proses pembentukan ini dilakukan secara bertahap, pemotongan di mulai dari garis mal yang mudah dipotong. Proses pembentukan pipa seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.14.
Gambar 3.14 Pembentukan sudu pada pipa.
4. Menghaluskan pipa.
B.
Proses pencetakan sudu :
5. Pelapisan cetakan pipa.
Setelah cetakan dari pipa telah siap, kemudian dilanjutkan pada tahap dua yaitu pembuatan sudu/blade. Sebelum perpaduan dari resin dan harderner dioleskan dipermukaan cetakan. Mal pipa dilapisi dengan alumunium foil. Hal ini bertujuan agar cetakan dengan sudu yang telah jadi tidak menempel, pelapisan cetakan seperti yang terlihat pada gambar 3.15.
Gambar 3.15 Pelapisan Mal.
6. Pencampuran Resin dan Harderner.
Pencampuran resin dan harderner dilkakukan dengan perbandingan 5:1. Resin berfungsi untuk mengeraskan campuran dan harderner adalah bahan yang dikeraskan. Pencampuran kedua bahan seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.16.
7. Pembuatan Sudu / Blade.
Dalam membuat sebuah sudu dengan bahan komposit yang terdiri dari Resin, Harderner dan Serat Glass. Proses pembuatan sudu / blade dilakukan secara berulang dan cepat. Karena saya mengharapkan sebuah sudu yang jadi nanti nya terdiri dari empat lapis serat glass. Di antara lapisan kedua dan ketiga serat glass diberikan sebuah plat alumunium pada pangkal sudu yang berukuran 2 cm x 10 cm. Pemberian sebuah plat pada lapisan serat glass bertujuan untuk menambah ketahanan pangkal sudu terhadap gaya tekan yang diberikan oleh baut. Langkah – langkah pembuatan sudu sebagai berikut:
a. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada permukaan pipa yang telah dilapisi alumunium foil menggunakan kuas. Mengoleskan campuran resin dan harderner seperti yang ditujukkan oleh gambar 3.17.
Gambar 3.17 Pengolesan cetakan sudu yang dilapisi alumunium foil.
Gambar 3.18 Peletakan serat glass pada cetakaan sudu.
c. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat glass pertama.
d. Menempelkan lapisan kedua serat glass kedua.
e. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat gelas kedua.
f. Menempelkan plat alumuium diantara lapisan kedua dan ketiga Serat glass, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.19.
Gambar 3.19 Peletakan plat pada ujung sudu untuk lubang sudu. g. Menempelkan lapisan ketiga serat glass.
h. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan ketiga serat glass.
i. Menempelkan lapisan keempat serat glass.
8. Pengeringan sudu / Blade.
Setelah proses pembuatan sudu selesai dilakukan, kemudian sudu / blade dikeringkan dengan cara dijemur dibawah matahari. Proses pengeringan yang dilkukan dibawah matahari memerlukan waktu 2 -3 hari.
9. Finishing sudu / blade.
Proses finishing sudu / blade meliputi: Pemotongan, Penghalusan, Pengurangan berat sudu, Pendempulan dan pewarnaan sudu / blade. Pengurangan berat sudu yang dimaksud adalah menyamakan berat sudu menjadi 214 gram menggunakan timbangan duduk digital.
10. Pembuatan Lubang Baut.
Pembuatan Lubang pada sudu dilakukan menggunakan bor dengan diameter lubang baut 10.
3.5 Langkah Penelitian
1) Poros kincir di hubungkan dengan mekanisme pembebanan lampu. 2) Memasang Blade / Sudu pada dudukan sudu.
3) Memasang anemometer pada tiang di depan kincir angin untuk mengukur kecepatan angin.
4) Memasang timbangan digital pada lengan generator. 5) Memasang generator pada poros kincir angin. 6) Merangkai pembebanan lampu pada generator.
7) Jika sudah siap, fan blower dihidupkan untuk memutar kinicr angin.
8) Percobaan pertama kincir Angin dua sudu dengan kecepatan angin 10 m/s, percobaan kedua kincir angin dua sudu dengan kecepatan 8 m/s, percobaan ketiga kincir angin dua sudu dengan kecepatan angin 6 m/s.
9) Untuk mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara memundurkan jarak gawang Kincir Angin terhadap fan blower agar dapat menentukan variasi kecepatan angin.
10) Bila kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang diinginkan, maka pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa pengimbang yang terukur pada timbangan digital.
11) Mengukur kecepatan angin dengan menggunakan anemometer dan kecepatan kincir angin dengan mengunakan Tachometer.
53
BAB IV
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Pengujian
Tabel 4.1 Data Pengujian Dua Sudu Dengan Kecepatan Angin 10,3 m/s.
Tabel 4.2 Data Pengujian Dua Sudu Dengan Kecepatan Angin 8,4 m/s. Kincir Angin Komposit Dua sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros.
Putaran kincir Gaya pengimbang Tegangan Arus
n (rpm) F (gram) Volt Ampere
Tabel 4.3 Data Pengujian Dua Sudu Dengan Kecepatan Angin 6,4 m/s Kincir Angin Komposit Dua sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros.
NO
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
Dalam pengolahan data yang digunakan beberapa asumsi untuk mempermudah pengolahan dan perhitungan data sebagai berikut :
a. Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/s2 b. Massa jenis udara = 1.18 kg/m3
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Sebagai contoh perhitungan daya angin diambil dari tabel pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh diperoleh kecepatan angin 10,3 m/s, massa jenis udara (ρ) sebesar 1,18 kg/m3 dan luas penampang (A) adalah 0,785 m2. Maka dapat dihitung daya angin sebesar :
�� = � � �
Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 499 watt.
4.2.2 Perhitungan Torsi
Sebagai contoh perhitungan nilai torsi diambil, dari tabel 4.1 pada pengujian ketujuh. Dari data diperoleh besaran gaya (F) = 2,75 N dan jarak lengan torsi ke poros sebesar 0,27 m, maka torsi dapat dihitung :
T = F x l T = 2,75 x 0.27 T = 0.74 N.m
Jadi Torsi yang dihasilkan sebesar 0,74 N.m
4.2.3 Perhitungan Daya Kincir
Sebagai contoh perhitungan diambil dari tabel pengujian 4.1 pada pengujian diperoleh kecepatan angin 10,3 m/s, putaran poros (n) sebesar 894 rpm, dan torsi yang telah dihitung pada sub bab 4.2.2 sebesar 0.74 N.m, maka besarnya daya kincir dapat dihitung :
Pout = T xω
Pout = 0.74 x� . Pout = 69,43 watt
4.2.4 Perhitungan Daya Listrik
Sebagai contoh perhitungan daya listrik diambil dari tabel pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh. Diperoleh tegangan sebesar 64,7 Volt dan Arus sebesar 0,66 Ampere, maka daya listrik dapat dihitung :
Plistrik = V . I Plistrik = 64,7 x 0,66
Plistrik = 42,7 Watt
Jadi Daya listrik yang dihasilkan sebesar 42,7 Watt.
4.2.4 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr)
Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.1 pada pengujian ketujuh dan pembebanan ketujuh diperoleh putaran poros kincir angin sebesar 894 jari jari kincir angin sebesar (r) = 0,5 m, dan kecepatan angin sebesar 10.3 m/s, maka tip speed ratio dapat dihitung :
= π r n v
= � , � , �
� ,
= 4,57
4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya (Cp)
Sebagai contoh perhitungan diambil dari perhitugan diatas yakni, daya angin pada sub bab 4.2.1 sebesar 499 watt dan daya yang dihasilkan kincir angin pada sub bab 4.2.3 sebesar 69,4 watt, maka koefisien daya dapat dihitung :
Cp = �
�� x 100 % Cp = , x 100 % Cp = 13,9 %
Jadi Koefisien daya yang dihasilkan sebesar 13.9 %.
4.3 Data Hasil Perhitungan
