Unjuk kerja kincir angin poros horizontal empat sudu berbahan komposit berdiameter 100 cm lebar maksimum 13 cm dengan jarak 20 cm dari pusat poros.

(1)

INTISARI

Kebutuhan listrik di Indonesia dari tahun ke tahun mengalami peningkatan hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan dikarenakan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batu bara tersebut semakin menipis. Atas dasar kondisi tersebut, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak terbatas misalnya energi angin. Untuk tujuan dari penelitian ini yaitu: Merancang dan membuat desain sudu kincir angin poros horizontal empat sudu bahan komposit, mengetahui unjuk kerja kincir angin poros horizontal empat sudu, mengetahui nilai Coefisien Performance (Cp) dan tip speed ratio (TSR) dari kincir angin poros horizontal empat sudu bahan komposit.

Kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeller poros horizontal empat sudu berbahan komposit berdiameter 100 cm lebar maksimum 13 cm berjarak 20 cm dari sumbu poros. Terdapat tiga variasi perlakuan kecepatan angin, variasi kecepatan angin pertama dengan kecepatan angin 10,2 m/s, variasi kecepatan angin kedua 8,2 m/s dan variasi kcepatan angin yang ketiga 6,2 m/s. Agar mendapatkan daya kincir, torsi, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio pada kincir, maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pembebanan dengan menggunakan lampu yang berfungsi untuk pemberian beban pada kincir.

Dari hasil penelitian ini, untuk variasi kecepatan angin 10,2 m/s, menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 19,4% pada tip speed ratio 2,6 dengan daya output sekitar 96 watt dan torsi sebesar 1,85 N.m. Untuk variasi kecepatan angin 8,2 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 27,1% pada tip speed ratio 2,5 dengan daya output sekitar 70 watt dan torsi sebesar 1,70 N.m. Untuk variasi kecepatan angin 6,2 m/s menghasilkan koefisien daya mekanis maksimal sebesar 36,4% pada tip speed ratio 2,9 dengan daya output sekitar 40 watt dan torsi sebesar 1,17 N.m. Dari ketiga kincir angin yang sudah diteliti, dapat disimpulkan bahwa kincir angin dengan variasi kecepatan angin 6,2 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed ratio paling tinggi.

(2)

ABSTRACT

The demand for electricity in Indonesia over years has increased because the number of population increased economic growth and the lack of availability of fuel oil, gas or coal. Based on these conditions, the emerged the idea to produce alternative energy that is not limited eg wind energy. For the purposes of this study are: Designing and design blade windmill horizontal shaft four-blade composite materials, know the performance of windmills horizontal shaft four-blade, knowing the value coefisien Performance (Cp) and the tip speed ratio (TSR) of windmills horizontal shaft four-blade composite materials.

The experimental windmill type was horizontal shaft windmill propeller four blades made of composites with maximum diameter of 100 cm, width 13 cm within 20 cm from the axis of the shaft. There are three variations of wind speed; 10.2 m / s, 8.2 m / s and 6.2 m / s. In order to obtain windmill power, torque, and maximum power coefficient and tip speed ratio at the wheel, the wheel shaft connected to load mechanism by using lights that function for giving the load on the wheel.

The results of this experiment for variations of wind speed of 10.2 m/s produced maximum mechanical power coefficient reached at 19.4% on a tip speed ratio of 2.6 with 96 watt power output and torques 1.85 N.m. The results for variation of wind speed of 8.2 m/s produced the maximum mechanical power coefficient of 27.1% on a tip speed ratio of 2.5 with 70 watt power output and torque 1.70 N.m. For variation of wind speed of 6.2 m/s, this experiment produced mechanical power coefficient maximum at 36.4% on a tip speed ratio of 2.9 with an output power of about 40 watts and torque at 1.17 N.m. From the three windmills that have been examined, it can be concluded that the windmill with wind speed of 6.2 m/s has a maximum power coefficient and reached the highest tip speed ratio.

(3)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL

EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT BERDIAMETER 100

CM LEBAR MAKSIMUM 13 CM DENGAN JARAK 20 CM

DARI PUSAT POROS

SKRIPSI

Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin S-1

Disusun Oleh : ANTONIUS WIRANTO

NIM :125214069

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016

(4)

THE PERFORMANCE OF WIND TUNEL HORIZONTAL

SHAFT FOUR BLADE WITH COMPOSITE MATERIAL

WITH DIAMETER 100 CM MAXIMUM WIDTH 13 CM WITH

20 CM DISTANCE FROM THE AXIS OF SHAFT

FINAL PROJECT

As Partical Fulfillment of the Requirement

To Getting The Sarjana Teknik degree In Mechanical Engineering

By :

ANTONIUS WIRANTO Student Number :125214069

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016

(5)

(6)

(7)

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Dengan ini penulis menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam skripsi dengan judul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT BERDIAMETER 100 CM LEBAR MAKSIMUM

13 CM DENGAN JARAK 20 CM DARI PUSAT POROS

Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk menjadi Sarjana Teknik pada program Strata-1, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari Tugas Akhir yang sudah dipublikasikan di Perguruan tinggi manapun, kecuali bagian informasi yang dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat di : Yogyakarta Pada tanggal 25 Agustus 2016

(8)

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN

AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : ANTONIUS WIRANTO

Nomor Mahasiswa : 125214069

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL EMPAT SUDU BERBAHAN KOMPOSIT BERDIAMETER 100 CM LEBAR MAKSIMUM

13 CM DENGAN JARAK 20 CM DARI PUSAT POROS

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal 25 Agustus 2016 Yang menyatakan

(9)

vii

INTISARI

(10)

viii

ABSTRACT

The demand for electricity in Indonesia over years has increased because the number of population increased economic growth and the lack of availability of fuel oil, gas or coal. Based on these conditions, the emerged the idea to produce alternative energy that is not limited eg wind energy. For the purposes of this study are: Designing and design blade windmill horizontal shaft four-blade composite materials, know the performance of windmills horizontal shaft four-blade, knowing the value coefficient Performance (Cp) and the tip speed ratio (TSR) of windmills horizontal shaft four-blade composite materials.

(11)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkah-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi. Skripsi 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 skripsi. Namun karena kuasa Tuhan Yang Maha Esa, bantuan dan keterlibatan berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan skripsi 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 Mungkasi, 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, selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan saran, bimbingan dan atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing skripsi yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan skripsi.

4. 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 skripsi.

(12)

5. Markus Tukidi dan Katarina sebagai kedua orang tua penulis yang selalu memberi semangat baik berupa materi maupun spiritual.

6. Saudara-saudaraku tercinta (Yohanes Jiwanto S.T, fx.Triyanto dan Margarita Warni) yang selalu mendukung dan mendoakan.

7. Teman-teman Teknik Mesin Angkatan 2012 Universitas Sanata Dharma dan teman-teman dari penulis lainnya yang tidak bisa disebutkan satu per satu.

Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidaklah sempurna, Tidak ada gading yang tak retak sehingga kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan skripsi ini di kemudian hari . Akhirnya, besar harapan penulis agar skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Yogyakarta 25 Agustus 2016

(13)

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 LAMPIRAN ... xix

DAFTAR SIMBOL ... xx

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Dasar Teori ... 5

2.1.1 Energi Angin ... 5

2.1.2 Kondisi Angin ... 6

2.1.3 Klasifikasi Turbin Angin ... 7

2.1.4 Jenis – Jenis Kincir Angin ... 8

(14)

xii

2.1.4.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal …...10

2.1.5 Kandungan Energi Dalam Angin ... 13

2.1.6 Pengukuran Angin ... 13

2.1.7 Hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio…...14

2.1.8 Rumus Perhitungan ...15

2.1.8.1Rumus Energi Kinetik ... 15

2.1.8.2 Rumus Daya Angin ... 16

2.1.8.3 Rumus Tip Speed Ratio (tsr) ... 17

2.1.8.4 Rumus Torsi ... 17

2.1.8.5 Rumus Daya Mekanis ... 18

2.1.8.6 Rumus Daya Listrik... 19

2.1.8.7 Rumus Koefisien Daya (Cp) ... 19

2.1.9 Komposit ... 20

2.1.9.1 Klasifikasi Bahan Komposit Serat ... 20

2.1.9.2 Tipe Komposit Serat ... 22

2.1.9.3 Faktor Kekuatan Komposit ... 23

2.1.10 Serat ... 25

2.1.10.1 Serat Alami ... 26

2.1.10.2 Serat Buatan ... 29

2.1.11 Matrik ... 31

2.1.12 Jenis-jenis Polimer/Resin ...35

2.1.12.1 Resin Termoset ...37

2.1.12.2 Resin Fenol ...37

2.1.12.3 Resin urea-formaldehid (Resin Urea) ...38

2.1.12.4 Resin Melamin ...39

(15)

xiii

2.1.12.6 Resin Poliuretan ...42

2.1.12.7 Resin Poliester Tak Jenuh ...43

2.1.13 Katalis ...46

2.2 Tinjauan Pustaka ...46

BAB III METODE PENELITIAN... 50

3.1 Diagram Penelitian ... 50

3.2 Alat Dan Bahan ... 51

3.3 Desain Kincir ... 56

3.4 Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin ... 57

3.4.1 Alat Dan Bahan... 57

3.4.2 Proses Pembuatan Sudu / Blade ... 58

3.5 Langkah Penelitian ... 63

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 65

4.1 Data Hasil Pengujian ... 65

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 67

4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 67

4.2.2 Perhitungan Torsi ... 68

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ... 69

4.2.4 Perhitungan Daya Listrik ... 69

4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr) ... 70

4.2.6 Perhitungan Koefisien Daya (Cp) ... 70

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 71

4.4 Grafik Hasil Perhitungan ... 75

4.4.1 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – Rata 10,2 m/s ... 75

4.4.2 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – Rata 8,2 m/s ... 76

(16)

xiv

4.4.3 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Pada Variasi

Kecepatan Angin Rata - Rata 6,2 m/s ... 77

4.4.4 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Mekanis Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 78

4.4.5 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Daya Elektris Untuk Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 79

4.4.6 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Torsi Untuk Kecepatan Angin Rata - Rata 10,2 m/s ... 80

4.4.7 Grafik Hubungan Antara Putran Poros dan Torsi Untuk Kecepatan Angin Rata - Rata 8,2 m/s ... 81

4.4.8 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Torsi Untuk Kecepatan Angin Rata - Rata 6,2 m/s ... 82

4.4.9 Grafik Hubungan Antara Putaran Poros dan Torsi Untuk Tiga variasi Kecepatan Angin ... 83

4.4.10 Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – Rata 10,2 m/s ... 84

4.4.11 Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien DayaPada Variasi Kecepatan Angin Rata – Rata 8,2 m/s ... 85

4.4.12 Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya pada Variasi Kecepatan Angin Rata – Rata 6,2 m/s ... 86

4.4.13 Grafik Perbandingan Koefisien Daya Mekanis Maksimal Dengan Tip Speed RatioPada Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 87

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 89

5.1 Kesimpulan ... 89

5.2 Saran ... 90

DAFTAR PUSTAKA ... 91

(17)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Konsumsi Energi ... 1

Gambar 2.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 9

Gambar 2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 11

Gambar 2.3 Anemometer Digital ... 14

Gambar 2.4 Grafik Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) ... 15

Gambar 2.5 Klasifikasi Bahan Komposit... 21

Gambar 2.6 Tipe Discontinuous Fiber ... 22

Gambar 2.7 Tipe Komposit Serat... 23

Gambar 2.8 Jenis – Jenis Serat Alami ... 27

Gambar 2.9 Serat Wol Dari Bulu Domba ... 27

Gambar 2.10 Serat Pisang ... 28

Gambar 2.11 Serat Asbes ... 28

Gambar 2.12 Jenis Serat Buatan ... 29

Gambar 2.13 Serat Kaca ... 31

Gambar 2.14 Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal ... 33

Gambar 2.15 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat... 34

Gambar 2.16 Reaksi Resin Fenol ... 38

Gambar 2.17 Reaksi Resin Epoksi ... 42

Gambar 2.18 Resin Yukalac 235 ... 46

Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin ... 50

Gambar 3.2 Blade/Sudu ... 52

Gambar 3.3 Dudukan Sudu ... 52

Gambar 3.4 Fan Blower ... 53

Gambar 3.5 Tachometer ... 53

(18)

xvi

Gambar 3.7 Anemometer ... 54

Gambar 3.8 Voltmeter ... 55

Gambar 3.9 Amperemeter ... 55

Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu ... 56

Gambar 3.11 Desain Kincir ... 57

Gambar 3.12 Mal/Cetakan kertas ... 58

Gambar 3.13 Pembentukan Sudu Pada Pipa ... 59

Gambar 3.14 Bentuk Cetakan Sudu Kincir Angin ... 59

Gambar 3.15 Pelapisan Mal ... 60

Gambar 3.16 Resin dan Katalis ... 60

Gambar 3.17 Pengolesan Resin Dan Katalis ke Cetakan ... 61

Gambar 3.18 Peletakan Serat Glass Pada Cetakan Sudu ... 61

Gambar 3.19 Peletakan Plat Pada Ujung Sudu Kincir ... 61

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara rpm dan daya pada variasi kecepatan angin rata – rata 10,2 m/s ... 76

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara rpm dan daya pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,2 m/s ... 77

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara rpm dan daya pada variasi kecepatan angin rata - rata 6,2 m/s ... 78

Gambar 4.4 Grafik hubungan rpm dan daya mekanis untuk tiga variasi kecepatan angin ... 79

Gambar 4.5 Grafik hubungan rpm dan daya elektris untuk tiga variasi kecepatan angin ... 80

Gambar 4.6 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 10,2 m/s ... 81

Gambar 4.7 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 8,2 m/s ... 82

Gambar 4.8 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 6,2 m/s ... 83

(19)

xvii

Gambar 4.9 Grafik hubungan torsi dan rpm untuk tiga variasi kecepatan angin ..84 Gambar 4.10 Grafik hubungan antara tsr dan koefisien daya untuk variasi kec.angin rata – rata 10,2 m/s ... 85 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara tsr dan koefisien daya variasi kecepatan

angin rata – rata 8,2 m/s ... 86 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tsr variasi kecepatan angin rata – rata 6,2 m/s ... 87 Gambar 4.13 Grafik perbandingan antara koefisien daya mekanis terhadap tip speed ratio untuk tiga variasi kecepatan angin ... 88

(20)

xviii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Potensi dan Pemanfaatan Energi Terbarukan di Indonesia ... 2

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin ... 6

Tabel 2.2 Kekuatan Serat ... 26

Table 2.3 Kekuatan tarik, tekan dan lentur bahan polimer ... 36

Tabel 2.4 (A) Alkohol dihidrat dipakai untuk resin polyester ... 44

Tabel 2.4 (B) Asam dibasa vinil dipergunakan untuk resin polyester ... 44

Tabel 2.5 Monomor vinil dipergunakan untuk resin polyester ... 45

Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu ... 57

Tabel 4.1 Data pengujian kincir angin empat sudu kecepatan angin 10,2 m/s ... 65

Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin empat sudu kecepatan angin 8,2 m/s ... 66

Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin empat sudu kecepatan angin 6,2 m/s ... 67

Tabel 4.4 Data perhitungan empat sudu propeler kecepatan angin 10,2 m/s ... 72

Tabel 4.5 Data perhitungan empat sudu propeler kecepatan angin 8,2 m/s ... 73

(21)

xix

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Variasi Kecepetan Angin 10,2 m/s. ... 92 Lampiran 2. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s. ... 92 Lampiran 3. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s. ... 93 Lampiran 4. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s. ... 93 Lampiran 5. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s...94 Lampiran 6. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s ... 94 Lampiran 7. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Variasi Kecepetan Angin 6,2 m/s...95 Lampiran 8. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Variasi

Kecepatan Angin 6,2 m/s. ... 95 Lampiran 9. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi Kecepatan Angin 6,2 m/s. ... 96 Lampiran 10.Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s...96 Lampiran 11.Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Tiga Variasi

Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s...97 Lampiran 12.Grafik Hubungan Antara TSR dan CP Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s.. ... 97 Lampiran 13.Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s. ... 98 Lampiran 14.Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 8,2 m/s. ...98 Lampiran 15.Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan Angin 6,2 m/s...99 Lampiran 16.Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Tiga Variasi Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s. ... 99

(22)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

ρ 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 (N.m)

Pin Daya angin (Watt)

Po Daya listrik (Watt)

Pout Daya kincir (Watt)

TSR Tip Speed Ratio

Cp Koefisien daya (%)

Cpmax Koefisien daya maksimal (%)

m massa (kg)

Ek Energi kinetic (J)

Volume (m3)

V Tegangan (Volt)

I Arus (Ampere)

Waktu (s)

ṁ Laju aliran massa udara (kg/s)

Vt Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s)

L Panjang lengan torsi (m)

(23)

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Beberapa tahun terakhir ini, energi listrik merupakan persoalan yang krusial di Indonesia. Peningkatan permintaan energi listrik seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.1 disebabkan oleh pertumbuhan populasi penduduk dan pertumbuhan ekonomi yang ada di Indoneisa. Menipisnya sumber cadangan minyak dunia serta permasalahan emisi dari bahan bakar fosil memberikan tekanan kepada setiap negara untuk segera memproduksi dan menggunakan energi terbaharukan. Kebutuhan energi di Indonesia saat ini masih dipenuhi dengan bahan bakar fosil, yaitu : minyak, gas alam dan batu bara.

Gambar 1.1 Konsumsi Energi Sumber : Statistik Ekonomi Energi Indonesia 2006, DESDM

Salah satu cara mengatasi krisis energi bahan bakar fosil ini yaitu menggunakan energi alternatif, dimana energi alternatif yang dapat diperbaharuhi

(24)

dan banyak tersedia di alam. seperti gas, energi angin, tenaga air, panas bumi, dan bioenergi, bahan bakar yang berasal dari bahan nabati. Berikut sumber energi terbarukan yang ada di Indonesia seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Potensi dan Pemanfaatan Energi Terbarukan di Indonesia.

Sumber: Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik 2006-2015, PT PLN (Persero), Juli 2005.

Pemanfaatan sumber energi angin untuk menghasilkan energi listrik di perlukan alat yaitu kincir angin, kincir angin ini akan menangkap energi angin dan menggerakkan generator yang nantinya akan berubah menjadi energi listrik pada prinsipnya kincir angin ini mengubah energi kinetic menjadi energi mekanik. Kincir angin digolongkan ke dalam dua kategori menurut arah sumbu rotasinya yaitu: Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT). Kincir angin yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan kincir angina poros horizontal. Penulis mencoba melakukan penelitian dengan merancang dan membuat kincir angin jenis propeller empat sudu dari bahan dasar komposit serat dengan ukuran jari – jari sudu dari keempat kincir angin ini sama yakni 45 cm dengan berat 215 gram.

(25)

1.2 Rumusan Masalah

Permasalahan yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah: 1. Memaksimalkan pemanfaatan energi angin yang ada di Indonesia.

2. Mencari solusi energi baru dan terbarukan yang dapat dijadikan sebagai pengganti sumber daya alam tak terbarui.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Merancang dan membuat desain sudu kincir angin poros horizontal empat sudu bahan komposit.

2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin poros horizontal empat sudu.

3. Mengetahui nilai Coefisien Performance (Cp) dan tip speed ratio (TSR) dari kincir angin poros horizontal empat sudu bahan komposit.

1.4 Batasan Masalah

Dalam penulisan skripsi ini, penulis memberikan batasan - batasan masalah agar bahasan tidak melebar, diantaranya:

1. Model kincir angin dibuat tipe propeller, sudu terbuat dari bahan komposit serat fiber glass dan resin Yukalac 235, sudu berdiameter 100 cm, lebar maksimum 13 cm dengan jarak 20 cm dari pusat poros.

2. Penelitian meggunakan variasi kecepatan angin 6,2 m/s, 8,2 m/s, dan 10,2 m/s.

(26)

4. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

1.5 Manfaat

Manfaat dari skripsi ini adalah :

1. Mengetahui proses-proses pembuatan elemen-elemen Turbin Angin dan pembuatan sudu-sudu dengan bahan komposit.

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

(27)

5 BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori 2.1.1 Energi Angin

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi. Diantaranya, energi gelombang, energi arus laut,energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kebutuhan manusia. Salah satu dari energi tersebut adalah energi angin yang jumlahnya tak terbatas dan banyak digunakan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak sehingga mampu menggerakkan perahu layar, kincir angin, dan bisa dimanfaatkan menjadi pembangkit listrik yaitu berupa turbin angin. Keberadaan energi angin ini terdapat di lapisan atmosfer bumi yang banyak mengandung partikel udara dan gas. Lapisan troposfer merupakan lapisan atmosfer terendah bumi dan dilapisan ini semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.

Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. Pemanasan bumi oleh sinar matahari

menyebabkan perbedaan massa jenis (ρ) udara. Perbedaan massa jenis ini

(28)

menghasilkan angin. Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau permukaan bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperatur permukaan bumi.

2.1.2 Kondisi Angin

Syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada tabel 2.1 di bawah, dimana klasifikasi angin pada kelompok 3 adalah batas minimum dan angin pada kelompok 8 adalah batas maksimum dari energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin.

(29)

2.1.3 Klasifikasi Turbin Angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak digunakan di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. walaupun sampai saat ini penggunaan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Co: PLTD,PLTU, dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Co: batubara dan minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik

Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA) mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibelakang bagian turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.

(30)

2.1.4 Jenis – Jenis Kincir Angin

Pada umumnya, kincir angin dikategorikan dalam dua jenis, yakni : 1. Kincir angin sumbu horizontal.

2. Kincir angin sumbu vertikal.

2.1.4.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal

Kincir angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Kincir berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling – baling angin yang sederhana, sedangkan kincir berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digabungkankan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, kincir biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah – bilah kincir dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan. Turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu penting, sebagian besar HAWT merupakan mesin upwind. Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind dibuat agar tidak memerlukan mekanisme tambahan supaya bilah – bilah kincir tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari

(31)

bilah – bilah itu. Bentuk dari kincir angin sumbu horizontal ini dapat dilihat pada pada Gambar 2.1.

Kelebihan dari kincir angin sumbu horizontal atau HWAT, yakni dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang hembusannya lebih kuat di tempat – tempat yang memiliki geseran angin, perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.

Gambar 2.1 Kincir angin sumbu horizontal

Sumber : http://www.indoenergi.com/2012/07/, diakses 1 April 2016

Selain memiliki kelebihan, adapun juga kelemahan yang dimilik oleh kincir angin sumbu horizontal atau HAWT. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya

(32)

bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan kincir angin. Kelemahan dari desain kincir angin sumbu horizontal adalah sebagai berikut :

a) HAWT yang tinggi akan sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan membutuhkan operator yang profesional.

b) Dibutuhkan konstruksi menara yang besar untuk menyangga bilah – bilah yang berat, transmisi roda gigi, dan generator.

c) HAWT yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.

d) Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan landscape.

e) Berbagai varian downwind mengalami kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.

f) HAWT membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

2.1.4.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal

Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak

(33)

perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag atau gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. Karena sulit dipasang di atas menara, kincir sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur kincir angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara kincir kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal. Bentuk dari kincir angin sumbu vertical dapat dilihat pada Gambar 2.2

a. Kincir angin Savonius b. Kincir angin Darrieus Gambar 2.2 Kincir angin sumbu vertikal

(34)

Adapun kelebihan dari desain kincir angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut :

a) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

b) Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.

c) Sebuah VAWT bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

d) VAWT memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

e) Desain VAWT berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya HAWT. f) VAWT memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada HAWT.

Biasanya VAWT mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)

g) VAWT biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

h) VAWT yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),

(35)

Selain memiliki kelebihan, desain kincir angin ini juga memiliki kekurangan yaitu sebagai berikut :

a) Kebanyakan VAWT memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi HAWT karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

b) VAWT tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.

c) Kebanyakan VAWT mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

d) 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.

2.1.5 Kandungan Energi Dalam Angin

Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak, besarnya energi yang terkandung pada angin tergantung pada kecepatan angin dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut.

2.1.6 Pengukuran Angin

Parameter yang diukur pada proses konversi energi angin pada umumnya adalah kecepatan dan arahnya, kecepatan angin diukur dengan menggunakan alat

(36)

anemometer. Anemometer mempunyai banyak jenis dan salah satunya adalah anemometer digital

Anemometer digital merupakan alat yang terdiri atas tombol-tombol dan layar tampilan (display). Anemometer digital memiliki tiga skala pengukuran yaitu meter/sekon, km/jam, dan knots. Pada anemometer digital pengukuran dapat dilakukan berulang-ulang dan data akan otomatis tersimpan dalam memori.

Gambar 2.3 Anemometer digital Sumber: http://google.com

2.1.7 Hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio

Berikut ini grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio dari berbagai jenis kincir dapat di lihat pada grafik batas Betz (betz limit diperkenalkan oleh ilmuan Jerman, Albert Betz) berikut ini :

(37)

Gambar 2.4 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) dari beberapa jenis kincir

Sumber : Johnson, 2006, hal. 18

2.1.8 Rumus Perhitungan

Rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan kincir angin dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

2.1.8.1 Rumus Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya. Energi kinetik dipengaruhi oleh massa benda dan kecepatannya. Dapat ditulis dalam rumus sebagai berikut :

(38)

yang dalam hal ini :

Ek : Energi kinetik (J) m : massa benda (kg) v : kecepatan benda (m/s)

2.1.8.2 Rumus Daya Angin

Daya angin adalah daya yang dihasilkan oleh angin tiap luasan sudu. Sehingga daya angin dapa digolongkan sebagai energi potensial. Pada dasarnya daya angin merupakan angin yang bergerak persatuan waktu sehingga dapat ditulis dalam rumus sebagai berikut :

Daya = kerja / waktu

= energi kinetik / waktu Pin = ½ . m . ν2 /t

= ½ (ρ.A.d).ν2 /t

= ½ . ρ. A . ν2. (d/t) d/t = ν

= ½ . ρ . A . ν3 (2) dalam hal ini :

Pin : Daya yang disediakan oleh angin (watt)



: massa jenis aliran (kg/m 3)

ν : kecepatan angin (m/s)

(39)

2.1.8.3 Rumus Tip Speed Ratio (tsr)

Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.

Kecepatan diujung sudu (Vt) dapat dirumuskan sebagai :

Vt = ω r (3)

dengan :

Vt : kecepatan ujung sudu. ω : kecepatan sudut (rad/s). r : jari – jari kincir (m).

sehingga tsr-nya dapat dirumuskan sebagai berikut:

(4)

dengan :

r : jari – jari kincir (m).

n : putaran poros kincir tiap menit (rpm). v : kecepatan angin (m/s).

2.1.8.4 Rumus Torsi

Torsi adalah hasil kali dari gaya pemebebanan (F) dengan panjang lengan torsi (l). Perhitungan torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :

(40)

T = F l (5)

dengan :

F : gaya pembebanan (N).

l : panjang lengan torsi ke poros (m).

2.1.8.5 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 :

Pout ( mekanis ) = T ω (6)

dengan :

T = torsi dinamis (N.m).

ω = kecepatan sudut didapatkan dari

Dengan ini untuk daya yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan dengan persamaan (7), yaitu :

(41)

Pout ( mekanis ) (7)

dengan :

Pout : Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt).

n : Putaran poros (rpm).

2.1.8.6 Rumus Daya Listrik

Daya yang dihasilkan (Pout) adalah daya yang dihasilkan generator. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :

Pout ( Listrik ) = V I (8) Dengan :

V : Tegangan (volt) I : Arus (ampere)

2.1.8.7 Rumus Koefisien Daya (Cp)

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 :

(9)

(42)

Cp : Koefisien Daya.

Pout : daya yang dihasilkan kincir (watt).

Pin : daya yang disediakan oleh angin (watt).

2.1.9 Komposit

Komposit adalah penggabungan dua atau lebih material yang berbeda sebagai suatu kombinasi yang menyatu. Bahan komposit pada umumnya terdiri dari dua unsur, yaitu serat (fiber) sebagai penguat (renforcement) dan bahan pengikat serat yang disebut matrik. Didalam komposit unsur utamanya serat, sedangkan bahan pengikatnya polimer yang mudah dibentuk. Penggunaan serat sendiri yang utama adalah menentukan karakteristik bahan komposit, seperti kekakuan, kekuatan serta sifat mekanik lainnya.

Sebagai bahan pengisi, serat digunakan untuk menahan gaya yang bekerja pada bahan komposit, matrik berfungsi melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik terhadap gaya-gaya yang terjadi. Oleh karena itu untuk bahan serat digunakan bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan bahan matrik dipilih bahan-bahan yang liat, lunak dan tahan terhadap perlakuan kimia.

2.1.9.1 Klasifikasi Bahan Komposit Serat

Klasifikasi komposit serat ( fiber - matrik composites ) dibedakan menjadi; 1. Fibre composites (komposit serat) adalah gabungan serat dengan matrik.

(43)

2. Flake composites adalah gabungan serpih rata dengan matrik. 3. Particulate composites adalah gabungan partikel dengan matrik. 4. Filled composites adalah gabungan matrik continous skeletal.

5. Laminar composites adalah gabungan lapisan atau unsur pokok lamina. Klasifikasi komposit ditunjukkan pada gambar dibawah ini ;

Gambar 2.5 Klasifikasi Bahan Komposit (Hadi, 2001)

Bahan komposit terdiri dari dua macam, yaitu komposit partikel ( particulate Composite ) dan komposit serat (fibre composite). Bahan komposit partikel terdiri dari partikel yang diikat matrik. Komposit serat ada dua macam, yaitu serat panjang (continuos fibre) dan serat pendek (short fibre atau whisker). (Hadi, 2001)

(44)

2.1.9.2 Tipe Komposit Serat

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu :

1. Continuous Fibre Composite

Tipe ini mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriknya. Tipe ini mempunyai kelemahan pemisahan antar lapisan.

2. Woven Fibre Composite (bi-directional)

Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya mengikat antar lapisan. Susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan melemah.

3. Discontinous Fibre Composite

Discontinous Fibre Composite adalah tipe komposit dengan serat pendek. Tipe ini dibedakan lagi menjadi 3 :

a) Aligned discontinous fibre

b) Off-axis aligned discontinous fibre c) Randomly oriented discontinous fibre

a) aligned b) off-axis c) randomly Gambar 2.6 Tipe discontinous fibre (Gibson, 1994)

(45)

4. Hybrid Fibre Composite

Hybrid fibre composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.

Continous Fibre Composit Woven Fibre Composite

Randomly Oriented Discontinous Fibre Hybrid Fibre Composite Gambar 2.7 Tipe Komposit Serat (Gibson, 1994)

2.1.9.3 Faktor Kekuatan Komposit

Faktor yang mempengaruhi kekuatan komposit : 1. Faktor Serat

2. Letak Serat

(46)

b. Two dimensional reinforcement (planar), mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing arah orientasi serat.

c. Three dimensional reinforcement, mempunyai sifat isotropic kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan dua tipe sebelumnya.

3. Panjang Serat

Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Oleh karena itu panjang dan diameter sangat berpengaruh pada kekuatan maupun modulus komposit. Serat panjang (continous fibre) lebih efisien dalam peletakannya daripada serat pendek. 4. Bentuk Serat

Bentuk serat tidak mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah diameter seratnya. Semakin kecil diameter serat akan menghasilkan kekuatan komposit yang tinggi.

5. Faktor Matrik

Matrik berfungsi mengikat serat. Polimer sering dipakai termoplastik dan termoset.

a. Thermoplastik 1. Polyamide (PI), 2. Polysulfone (PS),

3. Poluetheretherketone (PEEK), 4. Polypropylene (PP),

(47)

b. Thermosetting 1. Epoksi, 2. Polyester. 3. Resin Furan dll. 6. Katalis

Katalis digunakan untuk membantu proses pengeringan (curring) pada bahan matriks suatu komposit. Penggunaan katalis yang berlebihan akan semakin mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akan menyebabkan bahan komposit yang dihasilkan semakin getas.

2.1.10 Serat

Serat adalah suatu jenis bahan yang berupa potongan-potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Saat ini terdapat berbagai macam jenis serat baik yang berasal dari alam maupun yang dibuat oleh manusia (man made), Contoh serat yang paling banyak dijumpai adalah serat pada kain. Manusia menggunakan serat dalam banyak hal, antara lain untuk membuat benang, kain atau kertas. Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu serat alam dan serat sintetis (serat buatan manusia).

(48)

Tabel 2.2 Kekuatan Serat.

Sumber : http://imamengineering.blogspot.co.id/2015/03/makalah-mekanika-bahan-komposit.html.

2.1.10.1 Serat Alami

Serat alam menurut Jumaeri, (1977:5), yaitu “serat yang langsung diperoleh di alam. Pada umumnya kain dari serat alam mempunyai sifat yang hampir sama yaitu

kuat, padat, mudah kusut, dan tahan penyetrikaan”. Serat alam digolongkan lagi

(49)

Gambar 2.8 Jenis –jenis serat alami

Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Alam.bmp. Diakses Juni 2016.

a) Serat Protein

Serat proteina dapat berbentuk staple atau filamen. Serat protein berbentuk stapel berasal dari rambut hewan berupa domba, alpaca, unta, cashmer, mohair, kelinci, dan vicuna. Yang paling sering digunakan adalah wol dari bulu domba.

Gambar 2.9 Serat wol dari bulu domba

Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Alam.bmp. Diakses Juni 2016.

(50)

b) Serat Selulosa

Serat tumbuhan/serat pangan biasanya tersusun atas selulosa, semiselulosa dan kadang – kadang mengandung pula lignin. Sifat umum serat yang dari selulosa adalah mudah menyerap air (higroskopis), mudah kusut dan jika dilakukan uji pembakaran menimbulkan baud an arang seperti terbakar.

Gambar 2.10 Serat Pisang

Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Alam.bmp. Diakses Juni 2016.

c) Serat mineral

Serat mineral, umumnya dibuat dari asbestos. Saat ini asbestos adalah satu-satunya mineral yang secara alami terdapat dalam bentuk serat panjang_.

Gambar 2.11 Serat Asbes

Sumber: http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Alam.bmp. Diakses Juni 2016.

(51)

2.1.10.2 Serat Buatan

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”.

Gambar 2.12 Jenis serat buatan

Sumber:http://teknologitekstil.com/wp-content/uploads/2015/09/Macam-macam-Serat-Sintetis.bmp

a) Serat Fiberglass

Kaca serat (Bahasa Inggris: fiberglass) atau sering diterjemahkan menjadi serat gelas adalah kaca cair yang ditarik menjadi serat tipis dengan garis tengah

(52)

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 untuk digunakan sebagai badan mobil dan bangunan kapal. Dia juga digunakan sebagai agen penguat untuk banyak produk plastik, material komposit yang dihasilkan dikenal sebagai plastik diperkuat-gelas (glass-reinforced plastic, GRP) atau epoxy diperkuat glass-fiber (GRE), disebut “fiberglass” dalam penggunaan umumnya.

Pembuat gelas dalam sejarahnya telah mencoba banyak eksperimen dengan gelas giber, tetapi produksi masal dari fiberglass hanya dimungkinkan setelah majunya mesin.

Pada 1893, Edward Drummond Libbey memajang sebuah pakaian di World Columbian Exposition menggunakan glass fiber dengan diameter dan tekstur fiber sutra. Yang sekarang ini dikenal sebagai “fiberglass”, diciptakan pada 1938 oleh Russell Games Slayter dari Owens-Corning sebagai sebuah material yang digunakan sebagai insulasi. Dia dipasarkan dibawah merk dagang Fiberglas (sic),

Pada umumnya bentuk dasar suatu bahan komposit adalah tunggal dimana merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur bahan penyusunnya. Dalam prakteknya komposit terdiri dari suatu bahan utama (matrik – matrix) dan suatu jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre, fiber).

(53)

Gambar 2.13 Serat Kaca

2.1.11 Matrik

Matrik dalam komposit berfungsi sebagai bahan mengikat serat menjadi sebuah unit struktur, melindungi dari perusakan eksternal, meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara serat dan matrik, sehingga matrik dan serat saling berhubungan.

Pembuatan komposit serat membutuhkan ikatan permukaan yang kuat antara serat dan matrik. Selain itu matrik juga harus mempunyai kecocokan secara kimia agar reaksi yang tidak diinginkan tidak terjadi pada permukaan kontak antara keduanya. Untuk memilih matrik harus diperhatikan sifat-sifatnya antara lain seperti tahan terhadap panas, tahan cuaca yang buruk dan tahan terhadap goncangan yang biasanya menjadi pertimbangan dalam pemilihan material matrik.

Bahan Polimer yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada dua macam yaitu thermoplastik dan termoset. Thermoplastik dan thermoset ada banyak macam jenisnya yaitu :

(54)

1. Thermoplastik  Polyamide (PI),  Polysulfone (PS),

 Poluetheretherketone (PEEK),  Polyhenylene Sulfide (PPS),  Polypropylene (PP),

 Polyethylene (PE) dll.

2. Thermosetting  Epoksi,  Polyester.  Phenolic,  Plenol,  Resin Amino,  Resin Furan dll.

a. Sistem Matriks

Apapun sistem matriks yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut :

1. Sifat-sifat mekanis yang bagus. 2. Sifat-sifat daya rekat yang bagus.

(55)

3. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus.

4. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus.

1) Sifat-sifat mekanis yang bagus

Gambar 2.14 dibawah 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 2.14. Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal. Sumber:http://material-teknik.blogspot.co.id/2010/02/defenisi-komposit.html

Matriks harus mampu berubah panjang paling tidak sama dengan serat. Gambar 2.15 memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat

(56)

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.

Gambar 2.15 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat. Sumber:http://material-teknik.blogspot.co.id/2010/02/defenisi-komposit.html

2) Sifat-sifat daya rekat yang bagus.

Daya rekat yang tinggi antara matriks dan serat penguat diperlukan untuk apapun jenis sistem matriks. Hal ini akan menjamin bahwa beban dipindahkan secara efisiensi dan akan menjaga pecahnya atau lepasnya ikatan serat dan matriks ketika ditegangkan.

(57)

3) Sifat-sifat ketangguhan yang bagus.

Ketangguhan adalah suatu ukuran dari ketahanan bahan terhadap propaganda retak, tetapi dalam komposit hal ini akan susah untuk diukur secara akurat. Bagaimanapun juga, kurva tegangan dan regangan yang dimiliki sistem matriks menyediakan beberapa indikasi ketangguhan bahan. Sistem matriks dengan regangan terhadap kegagalan yang rendah akan cenderung menciptakan komposit yang getas, dimana retak dapat mudah terjadi.

4) Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus.

Ketahanan terhadap lingkungan, air dan substansi agresif lain yang bagus, bersama-sama dengan kemampuan untuk bertahan terhadap siklus tegangan konstan, adalah sifat yang paling esensi untuk apapun jenis sistem matriks.

2.1.12 Jenis-jenis Polimer/Resin

Resin adalah senyawa polymer rantai karbon. Polymer berasal dari kata –poly (banyak) dan –mer (ikatan). Senyawa polymer rantai karbon dapat didefinisikan sebagai senyawa yang mempunyai banyak ikatan rantai karbon.

Resin merupakan bahan pembuat Fiberglass yang berujud cairan kental seperti lem, berkelir hitam atau bening. Berfungsi untuk mengeraskan semua bahan yang akan dicampur. Resin biasanya digunakan sebagai bahan dasar dalam membuat kerajinan, gantungan, maupun action figure.

(58)

Tabel 2.3 Kekuatan tarik, tekan dan lentur bahan polimer.

Kekuatan Tarik (kgf/mm2₎

Perpanjangan (%)

Modulus Elastisitas (kgf/mm2 _{x 10}2₎

Kekuatan Tekan (kgf/mm2₎

Kekuatan Lentur (kgf/mm2₎

Resin Termoset

Resin Fenol (Bakelin) :

Tanpa pengisi 4,9 - 5,6 1,0 - 1,5 5,2 - 7 7 - 21 8,4 - 10,5 Dengan bubuk kayu 4,5 -7 0,4 - 0,5 5,6 - 12 15,4 - 25,2 5,9 - 8,4 Dengan asbes 3,8 - 5,2 0,18 - 0,50 7 - 21 14 -24 5,6 - 9,8

Dengan serat gelas 3,6 - 7 0,2 23 - 1 12 -24 7 - 42

Resin melamin :

Dengan pengisi - - - - -

Dengan selulosa 4,9 – 9,1 0,6 – 1,0 8,4 – 9,8 17,5 – 30,1 7 – 11,2 Resin urea :

Dengan selulosa 4,2 – 9,1 0,4 – 1,0 7 – 10,5 17,5 - 31 7 -11,2 Resin poliester :

Dengan pengisi

(coran kaku) 4,2 – 9,1 < 5 2,1 – 4,2 9,1 – 25 5,9 – 16,1 Dengan serat gelas 17,5 – 2,1 0,5 – 5,0 5,6 – 14 10,5 – 21 7 - 28 Dengan serat sintetik 3,1 – 4,2 - - 14 - 26 7 – 8,4 Resin Epoksi :

Dengan pengisi (coran) 2,8 – 9,1 3 – 6 2,4 10,5 – 17,5 9,3 – 13,3

Dengan serat gelas 9,8 – 2,1 4 2,1 21 - 26 14 - 21

Resin Silikon :

Dengan serat gelas 2,8 – 3,5 - - 7 – 10,5 7 – 9,8 Resin Termoplastik

Stiren :

G.P. 4,5 – 6,3 1,0 – 2,5 2,8 – 3,5 8 – 11,2 6,9 – 9,8 Dikopolimerkan dengan

akrilonitril 6,6 – 8,4 1,5 - 3,5 2,8 – 3,9 9,8 – 11,9 9,8 – 13,3 Resin ABS 1,6 – 6,3 10 - 140 0,7 – 2,8 1,7 – 7,7 2,5 – 9,4 Nilon :

Nilon 6 7,1 – 8,4 25 - 320 1,0 – 2,6 4,6 – 8,5 5,6 – 11,2 Nilon 66 4,9 - 8,4 25 - 200 1,8 – 2,8 5 – 9,1 5,6 – 9,6 Polietilen :

Masa jenis tinggi 2,1 – 3,8 15 - 100 0,4 – 1 2,2 0,7 Masa jenis rendah 0,7 – 1,4 90 - 650 0,14 – 0,24 - - Polietilen :

- 3,3 – 4,2 200 - 700 1,1 – 1,4 4,2 – 5,6 4,2 – 5,6 Resin PVC :

Kaku 3,5 – 6,3 2 - 40 2,4 – 4,2 5,6 – 9,1 7 – 11,2 Dengan plastis 0,7 – 1,4 200 - 400 - 0,7 – 1,2 - Poliasetal :

(Delrin) 6,1 - 7 15 – 40 ext. 75 2,4 – 2,8 12,6 8,4 – 9,8 Polikarbonat :

- 5,6 – 6,6 60 - 100 22 7,7 7,7 – 9,1

Politetrafluoroetilen :

(Teflon) 1,4 – 3,1 200 - 400 0,4 1,19

Baja Lunak Untuk kontruksi

0,1 - 0,2% C 38 30 300 38

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 184.

(59)

2.1.12.1 Resin Termoset

Ada resin fenol, resin urea dan resin melamin yang dihasilkan dari kondensasi formalin pada pemanasan dan resin epoksi dihasilkan dari polimerisasi adisi pada pemanasan dengan adanya katalis amino. Dalam setiap hal resin yang dipanas awetkan mempunyai ikatan dengan struktur jaringan, sukar larut dalam pelarut dan tak dapat dilelehkan oleh panas. Bahan ini terutama digunakan untuk bahan-bahan teknik seperti komponen listrik dan mekanik, pelapis hiasan.

2.1.12.2 Resin Fenol

Fenol-fenol seperti, kresol, ksilenol, dsb, dikondensasikan denga formadehida untuk menghasilkan resin termoset. Seperti yang ditunjukkan pada Gb.2.16 bila suatu asam digunakan sebagai katalis pada reaksi fenol dan formaldehida, akan dihasilkan suatu novolak termoplastik yang larut dalam alkohol dan aseton. Bahan ini direaksikan dengan pengeras, heksametilentetramin, untuk membuat resin yang tak larut dan tak dapat dilelehkan. Ini disebut cara kering atau proses dua tahap. Dilain pihak dengan katalis basa dihasilkan suatu bahan seperti sirop yang disebut resol, yang tergolong resin yang tak larut dan tak dapat dilelehkan. Ini disebut cara basah atau proses satu tahap.

1) Pencetakan

Dibawah ini diberikan contoh proses dua tahap. Novola dicampurkan dengan heksametilentetramin 10-15%, terhadap 50 bagian campuran ini ditambah 50 bagian bubuk kayu, 0,5-1,2% bagian magnesia dan pelarut maupun zat pewarna, dicampur

(60)

dengan baik dan dirol panas pada 120-1300 C kemudian dihancurkan untuk membuat bubuk cetakan. Rol yang dipanaskan sebagian besar akan memberikan pengaruh pada sifat-sifat produknya. Dilain pihak, resol digunakan dalam bentuk larutan alkohol 30-50% (pernis), sedangkan untuk barang cetakan, bubuk kayu secukupnya dijenuhkan dalam pernis (kira-kira 50%), dikeringkan dan dibubukkan untuk sebagai bahan mentah. Diperlukan waktu dan energi untuk pengeringan karena itu dalam banyak hal ini dilakukan menurut proses dua tahap.

Gambar 2.16 Reaksi Resin Fenol.

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 253.

2.1.12.3 Resin urea-formaldehid (Resin Urea)

Ini adalah resin termoset yang didapat lewat reaksi urea dan formalin, dimana urea dan formaldehid (37% formalin) bereaksi dalam alkalin netral dan lunak. Untuk resin cetakan, ditambah 97-160 g formalin 37% (1,2-2,0 mol sebagai formaldehid pada 60 g (1 mol) urea, dan pH diatur sampai 7-8,5 dengan air amonia, larutan natrium hidroksida dalam air, trietanolamin, dsb, dan biarkan bereaksi berturut-turut untuk 2-3 jam pada 400 C atau 1,0-1,5 jam pada 700 C. Larutkan kondensat awal yang

(61)

didapat dalam heksametilentetramin 1-8% (heksamin), dan tambahkan 29-48 g puip/bubur selulosa dan campurkan secukupnya untuk kira-kira 1 jam. Semakin sedikit pulp yang terdapat sebagai pengisi, semakin transparan produk yang didapat, tetapi kurang kekuatannya, menyusut lebih banyak dan lebih mudah retak. Resin campuran ini dikeringkan untuk 2-3 jam mulai 600 C sampai 90-950 C, didehidrasi dan dikondensasi. Bahan yang kering kemudian dibubukan untuk 20-48 jam, lalu ditambahkan bahan pewarna, pemlastis, pengeras (asam oksolat, asam ftalat, amonium ftalat dan garam-garam lain). Disamping itu, bahan digunakan sebagai perekat, cat, pengubah kertas dan serat.

Resin urea sendiri lebih jelek dari pada resin fenol, resin melamin, dsb, dalam hal ketahanan air, kestabilan dimensi dan ketahanan terhadap penuaan, karena itu beberapa bahan lain ditambahkan atau diproses menjadi kopolimer dengan fenol, melamin, dsb, untuk memperbaiki sifat-sifat tersebut diatas.

1) Pencetakan

Proses yang dipakai yaitu pencetakan tekan, pengalihan dan injeksi. Dalam pencetakan tekan, bahan diproses pada temperatur cetakan 130-1500 C, tekanan 150-300 kg/cm2, selama 30-40 detik/1 mm ketebalan dari benda cetakan.

2.1.12.4 Resin Melamin

Bahan ini lebih unggul dalam berbagai sifat dari pada resin urea. 1) Cara produksi

(62)

Karena melamin mempunyai 3 gugus amino, maka 6 mol formaldehid dapat bereaksi dengan 1 mol melamin, tetapi ada umumnya 3-5 mol formaldehid digunakan untuk membuat resin. Bahan bereaksi secara termal dengan katalis. Untuk membuat bahan cetakan, 6 g (1 mol) melamin direaksikan dengan 243 g formalin 37% (3 mol sebagai formaldehid) diatur sampai pH 8-9 dengan larutan natrium karbonat dalam air. Setelah 60-90 menit bahan dipindahkan ke alat penekan, dicampur dengan 55-85 g pulp untuk sekitar 1 jam, dikeringkan 80-1100 C dan dibubukkan. Pembubukan dihentikan setelah 10-15 jam. Karena bahan cetakan mengandung 60-70% resin, ditambahkan pulp 30-40%, pengeras 0,05-1% (bahan asam lemah seperti ftalatanhidrid atau garamnya) dan 0,5-2% bahan pewarna. Berbagai bahan dapat dibuat dengan kondensasi yang sesuai untuk memenuhi kegunaan yang bersangkutan, seperti perekat, lapisan hiasan,lembaran yang dilaminasi, cat, kertas dan serat.

2) Pencetakan

Seperti halnya resin urea, dilakukan pencetakan: tekanan, pengalihan, dan injeksi. Suhu pencetakan 10-200 C lebih tinggi dari pada resin urea. Sebagai kondisi pencetakan standar digunakan temperatur pencetakan 150-1700 C, tekanan pencetakan 150-250 kgf/cm2, waktu pencetakan 1 menit pada 1600 C atau 40 detik pada 1700 C per 1 mm tebal bahan. Dalam produksi alat-alat makan, pengerjaan yang kurang sesuai menghasilkan formalin sisa yang menggangu dan merusak kemampuan penggunaan, karena itu pada umumnya barang cetakan dibiarkan dalam termostat pada 80-1200 C selama 30-60 menit agar pemantapan dapat berlangsung secukupnya (pemanggangan akhir). Proses yang cocok digunakan untuk pencetakan pelapis

(63)

hiasan dan lembaran-lembaran yang dilapisi, perekat, pengecatan, pelapisan resin pada serat dan kertas.

2.1.12.5 Resin Epoksi

Resin ini mempunyai kegunaan yang luas dalam industri teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat lapisan, pencetakan cor dan benda-benda cetakan.

1) Produksi

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).

2) Resin bisfenol A

Kelekatannya terhadap bahan lain baik sekali. Bahan ini banyak digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat glass, dsb. Pada pengawetan tidak dihasilkan produ tambahan seperti air, dan penyusutan volume kurang. Kestabilan dimensinya baik sangat tahan terhadap zat kimia dan stabil terhadap banyak asam kecuali asam pengaksid yang kuat dan asam alifatik rendah, alkali dan

(64)

garam. Karena takdiserang oleh hampir semua pelarut bahan ini baik digunakan sebagai bahan yang non-korosif.

3) Resin sikloalifatik

Bahan ini viskositasnya rendah dan ekivalensi epoksinya kecil. Bahan berguna sebagai pengencer bisfenol karena mudah penaganannya, karena kaku dan rapuh terutama digunakan untuk alat isolasi listrik yang diperkuat dengan serat glass, untuk ketahanan busur dan sifat anti alurnya baik.

Gambar 2.17 Reaksi Resin Epoksi.

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 259.

2.1.12.6 Resin Poliuretan

Poliuretan terutama dihasilkan oleh reaksi diisosianat dan senyawa polihidroksi (disebut poliol karena mempunyai lebih dari dua guus-OH akhir). Resin ini kuat, baik dalam ketahanan abrasi, ketahanan minyak dan ktahanan pelarut, maka digunakan untuk plastik busa, bahan elastis, cat, perekat, serat elastis dan kulit sintetik.

(65)

2.1.12.7 Resin Poliester Tak Jenuh

Dalam banyak hal ini disebut poliester saja karena berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainya maka tidak perlu diberi tekanan untuk pencetakan. Berdasarkan karakteristik ini bahan dikembangkan secara luas sebagai plastik penguat dengan mengunakan serat glass.

1) Produksi

Seperti dinyatakan pada Tabel 2.4 suatu asam dibasa (B) bereaksi secara kondensasi dengan alkohol dihidrat (A) untuk mendapatkan poliester. Karena asam tak jenuh digunakan dengan berbagai cara sebagai dari asam dibasa yang menyebabkan terdapat ikatan tak jenuh dalam rantai utama dari polimer yang dihasilkan maka disebut poliester tak jenuh. Kemudian monometer vinil seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.5 dicampur bereaksi dengan gugus tak jenuh pada saat pencetakan untuk mengeset. Sebagai contoh standar digunakan 1 mol (98 g) anhidrida maleat, 1 mol (148 g) anhidrid, 1 mol (62 g) etilen glikol dan 1 mol (76 g) propilen glikol. Sebagai monomor pengikat silang untuk poliester stiren bersifat unggul dalam keaktifannya dan lebih murah.

(66)

Tabel 2.4 (A) Alkohol dihidrat dipakai untuk resin polyester.

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 257.

Tabel 2.4 (B) Asam dibasa vinil dipergunakan untuk resin polyester.

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 257.

(67)

Tabel 2.5 Monomor vinil dipergunakan untuk resin polyester.

Sumber: Ir. Tata Surdia MS. Met. E , Prof. Dr. Shiroku Saito, 2005, Pengetahuan Bahan Teknik, PT.Pradnya Paramita, Hal 258.

2) Resin Yukalac 235

Yukalac 235 Series adalah tipe resin umum orthophtalic yang cepat kering, thixotropic, pre-accelerated dan non-wax, sangat cocok untuk membuat produk FRP dengan proses hand lay up dan spray up molding. Tipe ini sangat umum digunakan sebagai material struktur dalam pembuatan kapal pesiar, kapal memancing, barang saniter, bath tub, bahan bangunan dan produk FRP lainnya. Tipe ini adalah tipe yang khusus dikembangkan untuk aplikasi hand lay up dan spray up molding pada cuaca panas.

(68)

Gambar 2.18 Resin Yukalac 235 Sumber:http://google.com

2.1.13 Katalis

Katalis berbentuk cairan jernih dengan bau menyengat. Fungsinya sebagai katalisator agar resin lebih cepat mengeras. Penambahan katalis ini cukup sedikit saja tergantung pada jenis resin yang digunakan. Selain itu umur resin juga mempengaruhi jumlah katalis yang digunakan. Artinya resin yang sudah lama dan mengental akan membutuhkan katalis lebih sedikit bila dibandingkan dengan resin baru yang masih encer.

2.2Tinjauan Pustaka

Petrus Dodo Anggriawan (2013) telah melakukan penelitian tentang pengujian unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu dari bahan triplek dan anyaman bambu berdiameter 80 cm. Penelitian ini bertujuan untuk mencari dan membandingkan koefisien daya diantara dua model kincir permukaan halus dan kincir permukaan

(69)

kasar (dilapisi anyaman bambu). Kincir angin menggunakan model kincir angin horizontal tipe propeler dengan tiga sudu.

Kincir ini memiliki diameter 80 cm dengan luas penampang sudu 0,50 m2 dan berat 420 gram. Kincir angin menggunakan variasi kemringan sudu 100 dan 150. Untuk mengukur dan mengetahui torsi, daya kincir, koefisien daya dan tips speed ratio pada kincir, poros kincir dihubungkan ke mekanisme pengereman yang berfungsi sebagai variasi beban pada kincir. Besarnya beban pengereman pada kincir diukur dengan neraca pegas, putaran pada kincir diukur menggunakan takometer dan kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer.

Hasil kincir menunjukkan bahwa dengan kemiringan sudu 100 didapatkan kincir angin permukaan halus dapat menghasilkan daya lebih besar dari pada kincir permukaan kasar yaitu sebesar 15,2 watt, dengan beban torsi 0,40 Nm dan CP 8,6 % .

Sedangkan pada kemiringan sudu 150 didapat kincir angin permukaan kasar dapat menghasilkan daya lebih besar dari pada kincir permukaan halus yaitu sebesar 14 watt, dengan beban torsi 0,40 Nm dan CP 8,2 %.

Heryanto, Valentinus Kelvin (2014) telah melakukan penelitian tentang pengujian unjuk kerja kincir angin poros horisontal 4 sudu berbahan pipa PVC 8” dengan variasi kemiringan sudu. Kebutuhan energi merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia karena mempunyai peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan lingkungan. Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan

(70)

produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil, membuat para peneliti untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin. Salah satu alat yang bisa memanfaatkan energi angin adalah kincir angin. Karakteristik desain kincir angin menjadi salah satu syarat mekanisme yang harus diperhatikan.Penelitian ini juga memacu pengembangan pembuatan kincir angin dengan bahanmaterial yang murah, kuat, sederhana, dan terjangkau masyarakat luas.

Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal menggunakan bahan pipa PVC (polyvinil chloride) 8” dengan jumlah sudu 4 buah yang mempunyai diameter 1100 mm. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Variasi yang diambil adalah variasi kemiringan sudu kincir angin. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, kecepatan putaran poros kincir angin, dan gaya pengimbang torsi.

Hasil penelitian kincir angin dengan variasi kemiringan sudu 28,7° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,27% pada tip speed ratio 3,03. Hasil penelitian kincir angin dengan variasi kemiringan sudu 34° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 34,91 % pada tip speed ratio 4,38. Hasil penelitian kincir angin dengan variasi kemiringan sudu 39,8°. Menghasilkan koefisien daya

(71)

maksimal sebesar 23,57% pada tip speed ratio 3,64.

Dari ketiga variasi kemiringan sudu yang digunakan pada penelitian kincir angin, koefisien daya maksimal dihasilkan pada kemiringan sudu 34° sebesar 34,91 % pada tip speed ratio 4,38. Kemiringan sudu kincir angin yang terbaik adalah sudu kincir angindengan sudut 34°.

(72)

50 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 di tunjukan dalam Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian kincir angin. Mulai

Perancangan kincir angin poros horizontal empat sudu

Pembuatan cetakan kincir angin menggunakan pralon

Pembuatan kincir angin berbahan dasar komposit

Pengambilan data, untuk mengetahui kecepatan putaran kincir, kecepatan angin, dan beban pengereman pada kincir angin

Pengolahan data untuk mencari koefisien daya dan tip speed ratio. Membandingan koefisien daya maksimal dan tip speed ratio pada masing –

masing variasi kincir angin

Analisa serta pembahasan data dan pembuatan laporan

(73)

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 tipe ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi dipasang dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk 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 zumbu horizontal pada wind tunnel.

3.2 Alat dan Bahan

Model kincir angin horizontal ini d i b u a t dengan bahan dasar komposit serat esglas dengan 5 lapisan yang di susun secara teratur dan cara pembuatannya memerlukan cetakan yang sudah dibuat menggunakan bahan pralon dan dengan diameter kincir 100 cm.

1. Sudu kincir angin.

Ukuran panjang sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu atau turbin

(74)

berputar. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu kincir angin yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.2.

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.

(1)

Lampiran 5. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Variasi

Kecepatan Angin 8,2 m/s.

Lampiran 6. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi

0.0

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0

P

L

IS

T

RIK

(

W

A

T

)

RPM

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

0 . 0 0 1 . 0 0 2 . 0 0 3 . 0 0 4 . 0 0 5 . 0 0

TSR

(2)

Lampiran 7. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Variasi

Kecepetan Angin 6,2 m/s.

Lampiran 8. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Variasi

Kecepatan Angin 6,2 m/s.

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0

P

O

U

T

M

EKA

N

IS (

W

A

TT

)

RPM

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0

P

L

IS

T

RIK

(

W

A

T

)

(3)

Lampiran 9. Grafik Hubungan Antara TSR dan Koefisien Daya Pada Variasi

Kecepatan Angin 6,2 m/s.

Lampiran 10. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Mekanis Pada Tiga

0.00

5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

0 . 0 0 1 . 0 0 2 . 0 0 3 . 0 0 4 . 0 0 5 . 0 0 6 . 0 0

TSR

Cp Mekanis

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00

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

DA

Y

A

M

E

K

AN

IS

(

W

A

T

)

RPM

Pout Mekanis Kec.Angin Rata-Rata 10,2 m/s Pout Mekanis Kec.Angin Rata-Rata 8,2 m/s Pout Mekanis Kec.Angin Rata-Rata 6,2 m/s

(4)

Lampiran 11. Grafik Hubungan Antara RPM dan Daya Listrik Pada Tiga Variasi

Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s.

Lampiran 12. Grafik Hubungan Antara TSR dan CP Pada Tiga Variasi

Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s.

-20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0

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

DA

Y

A

L

IS

T

RIK

(

W

A

T

)

RPM

Pout Listrik Kec.Angin Rata-Rata 10,2 m/s Pout Listrik Kec.Angin Rata-Rata 8,2 m/s Pout Listrik Kec.Angin Rata-Rata 6,2 m/s

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00

0 . 0 0 1 . 0 0 2 . 0 0 3 . 0 0 4 . 0 0 5 . 0 0 6 . 0 0

CP

M

E

K

AN

IS

%

TSR

Kec.Angin Rata-Rata 10,2 m/s

Kec.Angin Rata-Rata 8,2 m/s

Kec.Angin Rata-Rata 6,2 m/s

(5)

Lampiran 13. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan

Angin 10,2 m/s.

Lampiran 14. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan

Angin 8,2 m/s.

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

T

ORS

I,

(

N. )

RPM

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0

T

O

RS

I,

(

N. )

(6)

Lampiran 15. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Variasi Kecepatan

Angin 6,2 m/s.

Lampiran 16. Grafik Hubungan Antara RPM dan Torsi Pada Tiga Variasi

Kecepatan Angin 10,2 m/s, 8,2 m/s dan 6,2 m/s.

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0

T

ORS

I,

(

N. )

RPM

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

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

T

ORS

I,

T

( N

. M

)

RPM

Kec.Angin Rata-Rata 10,2 m/s

Kec.Angin Rata-Rata 8,2 m/s

Kec.Angin Rata-Rata 6,2 m/s