Energi Angin Kincir Angin Poros Horizontal Berbahan Komposit

dengan arah datangnya angin. Terdiri dari sebuah menara dan sebuah kincir yang dipasang dipuncak menara kincir. Poros kincir jenis ini dapat berputar 360 o 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: a. Kincir Angin Propeler Tiga Sudu PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 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.orgwikiFile: c. Kincir Angin Dutch Four Arm PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Gambar 2.3 Contoh Kincir Angin Dutch four arm Sumber: http:en.wiktionary.orgwikiwindmill 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 sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. Tipe Savonius ini 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, cukup efektif untuk menangkap berbagai arah angin. Kincir angin Darrieus PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 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. Kekurangan Kincir Angin Sumbu Vertikal yaitu : 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 : E k = 12. m. v 2 1 dimana : m : massa udara kg v : kecepatan angin ms b Daya Angin PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Daya Angin Pin adalah daya yang tersedia oleh angin dimana daya ini berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya dan dapat dirumuskan sebagai berikut : P in = 12 ρ A v 3 2 dimana: Pin : daya yang tersedia pada angin Watt A : luas penampang sudu m2 ρ : massa jenis udara kgm3 v : kecepatan angin ms 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 dimana: T : torsi N.m F : gaya pembebanan N l : panjang lengan torsi m d Daya Kincir Daya Kincir Pout adalah daya yang dihasilkan oleh kincir sebagai akibat adanya angin yang menghantam sudu kincir sehingga sudu kincir bergerak melingkar. Daya yang dihasilkan oleh sudu kincir yang berputar adalah : 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 T : torsi N.m n : putaran poros kincir rpm : kecepatan sudut rads V : tegangan output generator I : arus output generator e Koefisien Daya PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 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 v : kecepatan angin ms Hubungan koefisien daya cp dengan tip speed ratio tsr dari berbagai jenis kincir angin adalah 59. Menurut Albert Betz, teorinya tersebut dinamakan dengan Betz Limit dengan grafik sebagai berikut : 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 aerofoil, dimana putaran porosnya harus searah dengan arah datangnya angin. 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 yang tidak saling mencampur yang hasilnya membentuk sifat material yang baru 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

Suatu komposit tersusun atas 2 fasa, yaitu : PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 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 Polymers or Plastics . Bahan ini menggunakan suatu polimer 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 yang sering digunakan dalam pembuatan komposit antara lain serat E – Glass, PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 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 komposit, ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.