Unjuk kerja kincir angin poros horisontal bersudu tiga bahan komposit diameter 1 m lebar maksimum 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

(1)

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 energipembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja kincir angin yang diteliti seperti besar torsi,perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio. Kincir angin propeller berbahan komposit tiga sudu diameter 1m, 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, 8,3 m/s dan 6,4 m/s. Karakteristik kincir angin maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu. Besarnya torsi diperoleh dari mekanisme timbangan digital,putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan anemometer dan ketersediaan angin dengan menggunakan windtunnel 15 Hp.

Dari hasil penelitian ini, kincir angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 14,1% pada tip

speed ratio 4,35,daya output sebesar 71,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 8,3 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 23,4% pada tip speed ratio 4,28, daya output sebesar 62,1 watt dan torsi sebesar 0,87 N.m.Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 36,9% pada tip speed ratio 4,43, daya output sebesar 45,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m pada kecepatan angin 6,4 m/s. Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.

(2)

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 three-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 10,3m/s, 8,3 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 usingthe 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 14.1% on a tip speed ratio of 4.35, the output power of 71.1 watts and a torque of 0.79 N.m. Windmill with variations in wind speed of 8.4 m/s to produce maximum power coefficient of 23.4% on a tip speed ratio of 4.28, the output power of 62.1 watts and a torque of 0.87 N.m. Windmill with variations in wind speed of 6.4 m/s to produce maximum power coefficient of 36.9% on a tip speed ratio of 4.43, the output power of 45.1 watts and a torque of 0.79 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.

(3)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL BERSUDU TIGA 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 :

JUANDA ANTHONIUS SITORUS NIM : 125214026

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(4)

THE PERFORMANCE OF WIND TUNEL HORIZONTAL SHAFT THREE BLADE COMPOSITE MATERIALTHE OF DIAMETER 1 MTHE

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 :

JUANDA ANTHONIUS SITORUS Student Number : 125214026

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

vii

INTISARI

Kincir angin propeller berbahan komposit tiga 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, 8,3 m/s dan 6,4 m/s. Karakteristik kincir angin maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu. Besarnya torsi diperoleh dari mekanisme timbangan digital, putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan anemometer dan ketersediaan angin dengan menggunakan wind tunnel 15 Hp.

Dari hasil penelitian ini, kincir angin dengan kecepatan angin 10,3 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 14,1% pada tip speed ratio 4,35,daya output sebesar 71,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 8,3 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 23,4% pada tip speed ratio 4,28, daya output sebesar 62,1 watt dan torsi sebesar 0,87 N.m.Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 36,9% pada tip speed ratio 4,43, daya output sebesar 45,1 watt dan torsi sebesar 0,79 N.m pada kecepatan angin 6,4 m/s. Kincir angin dengan kecepatan angin 6,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.

(10)

viii ABSTRACT

Windmill propeller made of a composite three-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, 8,3 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.

(11)

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 Mungkasih, 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. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan tugas akhir.

4. A. Prasetyadi, S.Si, 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.

5. Segenap dosen dan staff Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas segala kerjasama, pelayanan dan bimbingan selama penulis menempuh kuliah dan proses penulisan tugas akhir.

(12)

(13)

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 ... 3

Tujuan Penelitian ... 3

Batasan Masalah ... 3

Manfaat Penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI... 5

2.1 Angin ... 5

2.1.1 Jenis – Jenis Angin ... 6

2.2 Kincir Angin ... 8

2.2.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 9

(14)

xii

2.3 Hubungan antara Koefisien daya terhadap tip speed ratio (TSR) ... 12

2.4 Rumus Perhitungan ... 12

2.4.1 Energi Kinetik ... 12

2.4.2 Tip Speed Ratio (tsr) ... 14

2.4.3 Torsi ... 14

2.4.4 Daya Meknis ... 15

2.4.5 Daya Listrik ... 15

2.4.6 Koefisien Daya (Cp) ... 16

2.5 Komposit ... 16

2.5.1 Tujuan Pembuatan Material Komposit ... 17

2.5.2 Propetrties Komposit ... 17

2.5.3 Klasifikasi Komposit ... 17

2.6 Serat ... 26

2.6.1 Serat Alami ... 26

2.6.2 Serat Sintetis ... 27

2.6.3 Serat Kaca ... 27

2.7 Matriks ... 31

2.7.1 Resin ... 33

2.7.2 Jenis – Jenis Resin ... 33

BAB III METODE PENELITIAN... 38

3.1 Diagram Penelitian ... 38

3.2 Alat Dan Bahan ... 39

3.3 Desain Kincir ... 45

3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin ... 45

(15)

xiii

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 53

4.1 Data Hasil Pengujian ... 53

4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan... 55

4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 55

4.2.2 Perhitungan Torsi ... 55

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ... 56

4.2.4 Perhitungan Daya Listrik ... 56

4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) ... 57

4.2.6 Perhitungan Koefisien Daya (Cp) ... 57

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 58

4.4 Grafik Hasil Perhitungan ... 59

4.4.1 Grafik Hubungan Antara RPM dan DayaPada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s... 59

4.4.2 Grafik Hubungan Antara RPM Dan DayaPada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s... 60

4.4.3 Grafik Hubungan Antara RPM dan DayaPada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s... 61

4.4.4Grafik Hubungan Antara RPMDan Daya Mekanis Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 62

4.4.5Grafik Hubungan Antara RPMDan DayaElektrisUntuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 63

4.4.6 Grafik Hubungan Antara RPMDan TorsiUntuk Tiga variasi Kecepatan Angin ... 64

4.4.7 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s ... 65

4.4.8 Grafik Hubungan Antara TSRDan Koefisien DayaPada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s ... 66

4.4.9 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s ... 67

(16)

xiv

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 ... 72

(17)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Instalasi Energi Terbarukan ... 2

Gambar 2.1 Angin Laut ... 6

Gambar 2.2 Angin Darat ... 6

Gambar 2.3 Angin Lembah ... 7

Gambar 2.4 Angin Gunung ... 7

Gambar 2.5 Angin Muson ... 8

Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Horizontal ... 10

Gambar 2.7 Kincir Angin Poros Vertikal ... 11

Gambar 2.8 Grafik Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) ... 12

Gambar 2.9 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Bentuk Matriks ... 18

Gambar 2.10 Matriks Dari Beberapa Tipe Komposit ... 18

Gambar 2.11Pembagian Komposit Berdasarkan Penguatnya ... 21

Gambar 2.12Ilustrasi Komposit Berdasarkan Penguatnya... 22

Gambar 2.13Flat flakes Dan Fillers Sebagai penguat ... 23

Gambar 2.14 Tipe Serat Pada Komposit ... 24

Gambar 2.15 Tipe Discontinuous Fiber ... 25

Gambar 2.16Jenis – Jenis Serat Alami ... 29

Gambar 2.17Jenis – Jenis Serat Sintetis ... 30

Gambar 2.18Serat Kaca ... 28

Gambar 2.19Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal ... 32

Gambar 2.20Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat... 33

Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin ... 38

Gambar 3.2aSudu Kincir Angin Tampak Depan ... 40

Gambar 3.2b Sudu Kincir Angin Tampak Belakang ... 40

(18)

xvi

Gambar 3.4 Fan Blower ... 41

Gambar 3.5 Tachometer ... 42

Gambar 3.6 Timbangan Digital... 42

Gambar 3.7 Anemometer ... 43

Gambar 3.8 Voltmeter ... 43

Gambar 3.9 Amperemeter ... 44

Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu ... 44

Gambar 3.11 Desain Kincir ... 45

Gambar 3.12 Pemotongan Pipa ... 46

Gambar 3.13 Cetakan kertas ... 46

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 Penempatan Serat Glass Pada Cetakan Sudu ... 50

Gambar 3.19 Penempatan Plat Pada Pangkal Sudu ... 50

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 60

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 61

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara RPM Dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 62

Gambar 4.4 Grafik Hubungan RPM Dan Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 63

(19)

xvii

Gambar 4.5 Grafik Hubungan RPM Dan Daya Elektris Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, kincir angin komposit tiga sudu 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 Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ...65 Gambar 4.7 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Pada Variasi

Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 66 Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 67 Gambar 4.9 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 68 Gambar 4.10 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 69 Gambar 4.11 Grafik Hubungan Antara TSR Dan Koefisien Daya Elektris Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 70

(20)

xviii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 ... 1

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin ... 5

Tabel 2.2 Sifat-sifat dari jenis-jenis fiber-glass ... 31

Tabel 2.3 Sifat Serat ... 31

Tabel 4.1 Data Pengujian Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 53

Tabel 4.2 Data Pengujian Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 54

Tabel 4.3 Data Pengujian Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 54

Tabel 4.4 Data Perhitungan Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 58

Tabel 4.5 Data Perhitungan Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 58

Tabel 4.6 Data Perhitungan Tiga Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s, Kincir Angin Komposit Tiga Sudu 1m, Lmax 13 cm Dengan Jarak 12.5 cm Dari Pusat Poros ... 59

(21)

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)

ṁ Laju aliran massa udara (kg/s)

Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)

(22)

Lebar maksimal (m)

(23)

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Masalah

Kebutuhan energi listrik di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi listrik yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan energi listrik ini tidak diikuti dengan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batubara sebagai sumber energi pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis, ini bisa kita lihat pada Tabel 1.1. Data dari Kementrian ESDM Tahun 2008 mengenai cadangan sumber daya alam Indonesia. Sehingga pemanfaat sumber-sumber energi baru dan terbarukan semakin ditingkatkan. Salah satunya adalah energi angin.

Tabel 1.1 Cadangan dan Produksi Energi Indonesia Tahun 2008.

No Energi Fosil Sumber Daya

(SD) CADANGAN

1 Minyak Bumi (milyar barel) 56,6 8,2

2 Gas Bumi (TSCF) 334,5 170

(24)

Ketersedian angin selama ini masih dianggap sebagai fenomena yang terjadi secara alami oleh kebanyakan masyarakat di Indonesia, hal ini terlihat pada kesadaran pemanfaatan penggunaan energi angin sebagai sumber energi alternatif yang masih rendah. Ini dapat kita lihat pada Gambar 1.1. Data dari Ministry of Energy and Mineral Resource tahun 2012. Padahal energi angin dapat bila dimanfaatkan secara maksimal dengan memasang turbin-turbin angin di lokasi yang memiliki potensi angin yang besar sebagai pembangkit listrik.

Gambar 1.1 Instalasi Energi Baru dan Terbarukan di Indonesia .

Sebagai mahasiswa teknik mesin yang mendalami energi terbarukan dan konversi energi khususnya energi angin penulis ingin mengembangkan model kincir yang sudah ada saat ini untuk mencari unjuk kerja yang sesuai dengan kondisi angin yang

(25)

berada di Indonesia. Penulis melakukan penelitian pada kincir angin horizontal khususnya propeller tiga sudu.

1.2 Rumusan 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. Pengggunaan bahan komposit dalam pembuatan sudu.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

a. Membuat kincir angin poros horizontal berbahan komposit menggunakan pipa pvc 8 Inchi sebagai cetakan sudu.

b. Mengetahui nilai koefisien daya tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin.

c. Mengetahui nilai Torsi tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin. d. Mengetahui Daya Mekanis tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin. e. Mengetahui Daya Elektris tertinggi dari ketiga variasi kecepatan angin.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :

(26)

b. Kincir angin menggunakan sudu berjumlah tiga. c. Berat persudu yang digunakan adalah 214 gram.

d. Kincir angin propeller tiga sudu tipe horizontal axis wind turbine (HAWT). e. Menggunakan pipa pvc 8 Inchi sebagai cetakan sudu.

f. Menggunakan anemometer untuk mengukur kecepatan angin. g. Menggunakan tachometer untuk mengukur kecepatan poros (rpm). h. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata

Dharma.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebegai berikut :

a. Kincir angin ini dapat dimanfaatkan sebagai salah satu aplikasi pemanfaatan energi terbarukan.

b. Dalam pembuatan skala besar mampu menghasilkan energi listrik dalam jumlah besar.

(27)

5 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 battery. Kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin.

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

(28)

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 diatas daratan mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga tekanan udara diatas 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 diatas daratan mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga tekanan udara diatas 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. 3 Angin Lembah

Angin lembah adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari lembah menuju gunung. Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pemanasan lebih

(29)

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 .

5. Angin Muson

Angin muson yang terjadi di Indonesia ada dua, yaitu muson barat dan muson timur. Angin ini disebabkan adanya perbedaan tekanan udara dua benua yang mengapit kepulauan Indonesia, yaitu Benua Asia yang kaya perairan dan Australia yang kering. Angin Musim/Muson Barat adalah angin yang mengalir dari benua Asia (musim dingin) ke Benua Australia (musim panas) dan mengandung curah hujan yang banyak di Indonesia bagian barat, hal ini disebabkan karena angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan

(30)

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. 2.2 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan dinegara – negara Eropa khususnya Belanda dan Denmark yang pada waktu itu

(31)

banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, penggilingan gandum dan pembangkit tenaga listrik. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua jenisnya menurut porosnya yaitu kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.

2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal

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 diantaranya 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 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.

(32)

3. HAWT membutuhkan mekanisme control yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Horisontal. 2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin poros vertikal atau Vertikal Axis Wind Turbin (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal. Beberapa jenis kincir angin poros Vertikal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.7. Kekurangan dan kelebihan kincir angin poros vertikal dijelaskan seperti berikut :

(33)

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 menyanggahnya 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.

Darrieus Savonius Gambar 2.7 Contoh Kincir Angin Poros Vertikal.

(34)

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 2.9 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.

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 :

(35)

= � (1) dengan :

: Energi kinetic (Joule). : Massa ( kg ).

� : Kecepatan angin (m/s).

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 :

(36)

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 :

� = � � (5)

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).

(37)

2.4.4 Rumus Daya Mekanis

Daya yang dihasilkan kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :

� � � � = � (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).

(38)

2.4.6 Koefisien Daya

Koefisien Daya (Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin). Sehingga Cp dapat dirumuskan :

� = P_Pi % (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)

(39)

3. Makrostruktur : material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makro ini yang biasa dipakai).

2.5.1 Tujuan Pembuatan Material Komposit

Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yatu sebagai berikut :

 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 matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.9.

(40)

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

Matriks phase/ reinforcement

phaase Metal Ceramic Polymer

Metal Powder metallurgy parts -

combining inmiscible metals

cermets (

ceramic-metal composite) Brake pads

Ceramic

Cermets, TiC,TiCn Cemented carbides-used in

tools Fiber-reinforced metals

SiC reinforced AL203

Tool materials Fiberglass

Polymer Kevlar fibers in an

epoxy matrix Elemental ( Carbon,Boron,

etc)

Fiber reinforced metal Auto parts aerospace

Rubber with carbon (tires) Boron, Carbon

(41)

akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat 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 tidakbegitu 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 aerospace.

Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC :

1) Transfer tegangan dan regangan baik. 2) Ketahanan temperature tinggi 3) Tidak menyerap kelembapan. 4) Tidak mudah terbakar.

5) Kekuatan tekan dan geser yang baik.

(42)

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 anorganic. 2) Keramik gelas 3) Alumina 4) Silikon Nitrida Keuntungan dari CMC :

1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam.

(43)

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) Relative mahal dan non-cot effective 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

Adapun Illustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada gambar 2. 12 illustrasi komposit berdasarkan penguatnya.

(44)

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

Komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel, dimana interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular. Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata. Contoh dari large particle composite adalah cemet dengan sand atau gravel, cemet

(45)

sebagai matriks 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)

Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit. Fiber yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut :

(46)

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 uni-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.

(47)

b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional).

Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat 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.

Gambar 2.15 Tipe discontinuous fiber. 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.

(48)

d) Hybrid fiber composite

Hybrid fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak. Pertimbangannya supaya dapat mengeliminir kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.

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 ramie. Serat tumbuhan digunakan sebagai bahan pembuat kertas dan tekstil. Serat tumbuhan juga penting bagi nutrisi manusia.

(49)

3. Serat hewan, umumnya tersusun atas protein tertentu. Contoh dari serat hewan yang dimanfaatkan oleh manusia adalah Sutra dan bulu domba (Wol).

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.

2.6.3 Serat Kaca

Kaca serat (Bahasa Inggris: fiberglass) atau sering diterjemahkan menjadi serat gelas 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. Pada gambar 2.18 menunjukkan gambar dari serat kaca. Sifat-sifat fiber-glass, yaitu sebagai berikut :

1. Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc).

2. Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa). 3. Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa).

4. Stabilitas dimensinya baik. 6. Tahan korosi.

Keuntungan dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut : 1. Biaya murah.

(50)

2. Tahan korosi.

3. Biayanya relatif lebih rendah dari komposit lainnya. Kerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :

1. Kekuatannya relatif rendah 2. Elongasi tinggi

3. Kekuatan dan beratnya sedang (moderate). Jenis-jenisnya antara lain :

1. E-glass 2. C-glass 3. S-glass

(51)

(52)

(53)

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 :

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.

Serat Kekuatan tarik Perpanjangan patah Massa Jenis Modulus Young Modulus Jenis

(GN/m²) (%) (g/cm³) (GN/M²) (MJ/Kg)

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

(54)

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. Matriks harus mampu berubah panjang paling tidak sama dengan serat. Gambar 2.20 memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat kaca-E, 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.

(55)

Gambar 2.20 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat. 2.7.1 Resin

Kata “resin” telah diterapkan di dunia moderen untuk semua hampir komponen dari cairan yang akan di tetapkan menjadi lacquer keras atau enamel seperti barang jadi. Contohnya adalah cat kuku, sebuah produk moderen yang berisi resin yang merupakan senyawa organik, tetapi resin tanaman tidak kalsik.Tentunya pengecoran resin dan resin sintetis (seperti epoxy resin )juga telah diberi nama resin karena merekan memperkuat dengan cara yang sama seperti beberapa resin 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 :

(56)

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

Ini adalah resin termoset yang dapat lewat reaksi urea dan formalin, dimana urea dan formaldehid ( 37 % formalin) beraksi dalam alkali netral dan lunak. Resin urea sendiri lebih jelek dari pada resin fenol, resin melamin dan lain sebagainya. Dalam hal ketahanan air, kestabilan dimensi dan ketahan terhadap penuaan.

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.

(57)

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 bebrbagai sifat dari pada resin urea. a. Pencetakan

Seperti halnya resin urea, dilakukan pencetakan : tekanan, pengalihan dan injeksi. Suhu pencetakan 10 -20 0_{C lebih tinggi dari pada resin urea. Sebagai} kondisi pencetakan standar, digunakan temperatur pencetakan 150-170 0C, tekanan pencetakan 150 – 250 kg/m2, waktu pencetakan 1 menit pada 160 0C atau 40 detik pada 170 0C per 1 mm tebal bahan.

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

(58)

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

Pada saat ini produknya adalah kebanyakan merupakan kondensat dari bisfenol A (4-4’ dihidroksidifenil 2,2-propanon) dan epiklorhidrin. Bisfenol A diganti dengan novolak atau senyawa tak jenuh, siklopentadien, dsb. Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Banyaknya campuran dihitung dari ekivalen epoksi (banyaknya resin yang mengandung 1 mol gugus epoksi dalam gram). 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

(59)

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

Bahan ini digunakan secara luas untuk kulit sintetis, serat, bahan karet, bahan busa dan perekat.

(60)

38 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perencanagan kincir hingga analisis data. Langkah kerja dalam penelitian ini dalam bentuk gambar diagram alir seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1.

(61)

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.

Ukuran sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu berputar. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.2.

(62)

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.

Gambar 3.2a Sudu kincir angin tampak depan.

Gambar 3.2b Sudu kincir angin tampak belakang.

3. Fan blower

Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan blower dengan power sebesar 15 Hp. Gambar 3.4 menunjukan bentuk dari fan blower.

(63)

Gambar 3.2 Dudukan Sudu kincir angin.

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.

(64)

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 3.5 Tachometer. 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.

(65)

Gambar 3.7 Anemometer.

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.

(66)

Gambar 3.9 Amperemeter.

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 3.10 Pembebanan lampu.

(67)

3.3 Desain Kincir

Desain kincir angin yang dibuat seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.10. Gambar tersebut menunjukan bahwa kincir angin yang dibuat panjang diameternya berukuran 1 m dengan lebar maksimum sudu 13 cm. Gambar 4.1 menunjukan desain dari sudu kincir angin.

Gambar 3.11 Desain kincir.

3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin

Dalam proses pembuatan sudu 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 cetakan dari proses pembuatan sudu blade kincir angin yang mana bahan yang digunakan adalah komposit. Proses

(68)

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.

2. Membentuk cetakan kertas.

Cetakan kertas mempermudah pembentukan pipa menjadi sebuah sudu. Cetakan ditempelkan pada pipa, kemudian pipa ditandai sesuai dengan cetakan menggunakan spidol. Cetakan kertas seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.13

Gambar 3.12 Pemotongan Pipa.

(69)

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.

Setelah pipa yang telah dibentuk sesuai dengan bentuk dari mal kertas, kemudian pinggiran pipa dihaluskan. Hal ini bertujuan untuk mencapai sebuah presisi ukuran dan estetika dari pipa.

B. Proses Pencetakan sudu : 5. Pelapisan cetakan pipa

Setelah cetakan dari pipa telah siap, kemudian dilanjutkan pada tahap dua yaitu pembuatan sudu. Sebelum perpaduan dari resin dan harderner dioleskan dipermukaan cetakan. Cetakan pipa dilapisi dengan alumunium foil. Hal ini

(70)

bertujuan agar cetakan dengan sudu yang telah jadi tidak menempel, pelapisan cetakan seperti yang terlihat pada gambar 3.15.

Gambar 3.15 Pelapisan cetakan pipa.

6. Pencampuran Resin dan Harderner

Pencampuran resin dan harderner dilkakukan dengan perbandingan 4:1. Harderner berfungsi untuk mengeraskan campuran dan resin adalah bahan yang dikeraskan. Kedua bahan seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.16.

3.16 Resin dan Harderner. 7. Pembuatan Sudu

Dalam membuat sebuah sudu dengan bahan komposit yang terdiri dari resin, harderner dan serat glass. Proses pembuatan sudu dilakukan secara berulang dan

(71)

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 cetakan pipa yang telah dilapisi alumunium foil menggunakan kuas.

b. Mengoleskan campuran resin dan harderner seperti yang ditujukkan oleh gambar 3.17.

Gambar 3.17 Pengolesan cetakan sudu yang dilapisi alumunium foil. c. Menempelkan lapisan pertama serat glass pada cetakan yang telah

dioleskan campuran resin dan harderner. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.18.

d. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat glass pertama.

(72)

Gambar 3.18 Penempatan serat glass pada cetakaan sudu.

f. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan serat gelas kedua.

g. Menempelkan plat alumuium diantara lapisan kedua dan ketiga Serat glass, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.19.

Gambar 3.19 Penempatan plat pada ujung sudu untuk lubang sudu. h. Menempelkan lapisan ketiga serat glass.

i. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan ketiga serat glass.

j. Menempelkan lapisan keempat serat glass.

k. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada lapisan keempat serat. 8. Pengeringan sudu.

(73)

dikeringkan dengan cara dijemur dibawah matahari. Proses pengeringan yang dilakukan dibawah matahari memerlukan waktu 2 - 3 hari.

9. Finishing sudu.

Proses finishing sudu meliputi: Pemotongan, Penghalusan, Pengurangan berat sudu, Pendempulan dan pewarnaan sudu. Pengurangan berat sudu yang dimaksud adalah menyamakan berat sudu menjadi 215 gram menggunakan timbangan duduk digital.

10. Pembuatan Lubang Baut.

Pembuatan lubang pada sudu dilakukan menggunakan alat bor dengan diameter lubang untuk baut 10.

3.5Langkah Penelitian

Langkah yang dilakukan sebelum pengambilan data penelitian adalah pemaasangan kincir angin di depan fan blower, pemasangan komponen poros penghubung kincir angin dengan sistem pembebanan lampu yang berada di bagian belakang kincir Angin. Proses pengambilan data Kecepatan Angin, Putaran Poros (rpm), tegangan, arus listrik dan pembebanan kincir angin ada beberapa hal yang perlu dilakukan yaitu:

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.

(74)

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 tiga sudu dengan kecepatan angin 10,3 m/s, percobaan kedua kincir angin tiga sudu dengan kecepatan angin 8,3 m/s, percobaan ketiga kincir angin tiga sudu dengan kecepatan angin 6,4 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.

(75)

53 BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Pengujian

Setelah sudu kincir angin poros horisontal berbahan komposit diuji, maka data seperti rpm, kecepatan angin, tegangan, arus dan beban didapat. Seperti yang ditunjukkan oleh tabel 4.1, 4.2 dan 4.3.

Tabel 4.1 Data pengujian tiga sudu dengan variasi kecepatan angin 10,3 m/s,

kincir angin komposit tiga 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

1 1061

120

0 70,50

0,00

2 1024

150

40 68,70

0,09

3 1007

170

80 67,30

0,18

4

996

180

120 66,40

0,27

5

959

210

180 63,90

0,39

6

921

240 62,60

0,52

7

876

270

300 60,90

0,65

8

855

300

360 58,60

0,72

9

799

320

420 56,30

0,85

10

745

340

480 54,40

0,99

NO

Hambatan

(76)

Tabel 4.2 Data pengujian tiga sudu dengan variasi kecepatan angin 8,3 m/s, kincir

angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

Tabel 4.3 Data pengujian tiga sudu dengan variasi kecepatan angin 6,4 m/s, kincir

angin komposit tiga 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

1

926

110

0 61,70

0,00

2

903

130

40 60,20

0,08

3

888

140

80 59,20

0,17

4

872

160

120 58,00

0,25

5

859

200

180 54,80

0,37

6

826

230

240 52,70

0,48

7

755

260

300 49,20

0,59

8

737

280

360 48,00

0,70

9

713

300

420 46,90

0,82

10

678

330

480 43,90

0,91

11

615

340

590 39,4

1,12

NO Hambatan

(Watt)

Putaran kincir

Gaya

pengimbang Tegangan Arus

n (rpm) F (gram) Volt Ampere

1

773

110

0 53,90

0,00

2

760

130

40 49,20

0,07

3

726

150

80 48,10

0,15

4

706

180

120 46,80

0,27

5

676

210

180 45,40

0,38

6

642

230

240 43,20

0,48

7

614

260

300 40,00

0,59

8

577

280

360 37,40

0,68

9

542

300

420 35,10

0,77

10

497

320

480 33,50

0,85

NO Hambatan

(77)

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 4.2 pada pengujian kedua diperoleh kecepatan angin 8.3 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 :

= 265 watt

Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 265 Watt.

4.2.2 Perhitungan Torsi

Sebagai contoh perhitungan nilai torsi diambil, dari tabel 4.2 pada pengujian kedua. Dari data diperoleh besaran gaya (F) = 1,28 N dan jarak lengan torsi ke poros sebesar 0,27 m, maka torsi dapat dihitung :

(78)

Jadi Torsi yang dihasilkan sebesar 0,34 N.m 4.2.3 Perhitungan Daya Kincir

Sebagai contoh perhitungan diambil dari tabel pengujian 4.2 pada pengujian diperoleh kecepatan angin 8.3 m/s, putaran poros (n) sebesar 903 rpm, dan torsi yang telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar 0.34 N.m, maka besarnya daya kincir dapat dihitung :

Jadi Daya yang dihasilkan sebesar 32.5 Watt.

4.2.4 Perhitungan Daya Listrik

Sebagai contoh perhitungan daya listrik diambil dari tabel pengujian 4.2 pada pengujian kedua. Diperoleh tegangan sebesar 60,2 Volt dan Arus sebesar 0,08 Ampere, maka daya listrik dapat dihitung :

(79)

4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr)

Sebagai contoh perhitungan diambil dari table pengujian 4.2 pada pengujian kedua dan pembebanan kedua diperoleh putaran poros kincir angin sebesar 903 rpm jari jari kincir angin sebesar (r) = 0,5 m, dan kecepatan angin sebesar 8.3 m/s, maka tip speed ratio dapat dihitung :

= = 5.56

Jadi TSR yang dihasilkan sebesar 5.56.

4.2.6 Perhitungan Koefisien Daya (Cp)

Sebagai contoh perhitungan diambil dari perhitugan diatas yakni, daya angin pada sub bab 4.2.1 sebesar 265 Watt dan daya yang dihasilkan kincir angin pada sub bab 4.2.3 sebesar 32.5 Watt, maka koefisien daya dapat dihitung :

(80)

4.3 Data Hasil Perhitungan

Parameter yang telah didapat dari penelitian diolah dengan software Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara putaran rotor dengan torsi yang dihasilkan, grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio, dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi kecepatan angin. Pada tabel 4.4, tabel 4.5 dan tabel 4.6 menampilkan data hasil perhitungan untuk setiap variasi kecepatan angin.

Tabel 4.4 Data Perhitungan Tiga Sudu Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s, kincir

angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

Tabel 4.5 Data Perhitungan Tiga Sudu Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s, kincir

(81)

Tabel 4.6 Data Perhitungan Tiga Sudu Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s, kincir

angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

4.4 Grafik Hasil Perhitungan

Pengolahan data yang dilakukan pada Sub Bab 4.2 dan 4.3 mendapatkan hasil grafik. Grafik – grafik hubungan tersebut antara lain grafik antara rpm dan daya, grafik hubungan antara rpm dan torsi, dan grafik hubungan antara tip speed ratio dengan koefisien daya. Penjelasan untuk grafik hubungan diatas, lebih lengkapnya dapat dilihat pada grafik – grafik di halaman selanjutnya.

4.4.1 Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 10,3 m/s

Data dari Tabel 4.4 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara putaran poros (rpm) dan daya (Pout). Pada gambar 4.1 menunjukan bahwa nilai daya kincir mekanis (Pout mekanis) puncak yang dihasilkan kincir angin dengan variasi kecepatan 10,3 m/s adalah sekitar 71 Watt. Dan nilai daya kincir elektris (Pout elektris) puncak yang

(82)

dihasilkan kincir dengan variasi kecepatan 10,3 m/s adalah sekitar 53 Watt. Daya mekanis puncak terjadi pada 855 rpm dan untuk daya listrik puncak terjadi pada 745 rpm.

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara rpm dan daya pada variasi kecepatan angin

10,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari

pusat poros.

4.4.2 Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s

Data dari Tabel 4.5 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara putaran poros (rpm) dan daya (Pout). Pada gambar 4.2 menunjukan bahwa nilai daya kincir mekanis (Pout mekanis) puncak yang dihasilkan kincir angin dengan variasi kecepatan 8,3 m/s

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0

DAY A ( W A T T ) RPM

Daya Mekanis Daya Elektris

71 Watt

(83)

adalah sekitar 62,1 Watt. Dan nilai daya kincir elektris (Pout elektris) puncak yang dihasilkan kincir dengan variasi kecepatan 8,3 m/s adalah sekitar 44,1 Watt. Daya mekanis puncak terjadi pada 678 rpm dan untuk daya listrik puncak terjadi pada 615 rpm.

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara RPM dan Daya pada variasi kecepatan

angin 8,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm

dari pusat poros.

4.4.3 Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s

Data dari Tabel 4.6 yang sudah diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan untuk membuat grafik hubungan antara putaran poros (rpm) dan daya (Pout). Pada gambar 4.3 menunjukan bahwa nilai daya kincir mekanis (Pout

0 10 20 30 40 50 60 70

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

D A Y A ( W A T T ) RPM

Daya Mekanis Daya Elektris

62,1 Watt

(1)

Lampiran 13. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 8,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari

pusat poros.

Lampiran 14. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 6,4 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari

pusat poros.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0 200 400 600 800 1000

rsi

(

)

RPM

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0 200 400 600 800 1000

rsi

(

)

(2)

Lampiran 15. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat

poros.

Lampiran 16. Grafik Hubungan Antara TSR dan CPMekanis Pada Variasi Kec. Angin

10,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0

(

)

RPM

y = -3.5191x2_{+ 27.914x - 41.206}

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 1 2 3 4 5 6

(3)

Lampiran 17. Grafik Hubungan Antara TSR dan Cp Listrik Pada Variasi Kec. Angin 10,3

m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

Lampiran 18. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya (Cp) Pada Variasi Kec. Angin 10,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm

dari pusat poros.

y = -2,7773(x)2_{+ 18,837(x) - 20,921}

-2 0 2 4 6 8 10 12

0 1 2 3 4 5 6

ist

TSR

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 1 2 3 4 5 6

TSR

(4)

Lampiran 19. Grafik Hubungan Antara TSR dan Cp Mekanis Pada Variasi Kecepatan Angin

8,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

Lampiran 20. Grafik Hubungan Antara TSR dan Cp Listrik Pada Variasi Kecepatan Angin

8,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

y = -6.7995x2_{+ 61.476x - 116.93}

0 5 10 15 20

0 1 2 3 4 5 6 7

TSR

y = -5.6399x2_{+ 48.219x - 89.176}

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 1 2 3 4 5 6 7

ist

(5)

Lampiran 21. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya (Cp) Pada Variasi Kec. Angin 8,3 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm

dari pusat poros.

Lampiran 22. Grafik Hubungan Antara TSR dan Cp Mekanis Pada Variasi Kecepatan Angin

6,4 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

0 5 10 15 20 25

0 1 2 3 4 5 6 7

TSR

Listrik Mekanis

y = -5.3304x2_{+ 47.963x - 70.772}

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5 6 7

(6)

Lampiran 23. Grafik Hubungan Antara TSR dan Cp Listrik Pada Variasi Kecepatan Angin

6,4 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm dari pusat poros.

Lampiran 24. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya (Cp) Pada Variasi Kec. Angin 6,4 m/s kincir angin komposit tiga sudu ᴓ 1m, Lmax 13 cm dengan jarak 12.5 cm

dari pusat poros.

y = -4.6748x2_{+ 38.444x - 56.248}

0 5 10 15 20

0 1 2 3 4 5 6 7

ist

TSR

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5 6 7

TSR