Unjuk kerja turbin angin propeller 4 sudu berbahan komposit berdiameter 100 cm, dengan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros.

vii INTISARI

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan turbin angin berjenis propeller 4 sudu berbahan komposit. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengetahui daya keluaran, koefisien daya, dan tip speed ratio dari turbin angin tersebut.

Penelitian ini menggunakan turbin angin berjenis propellerdengan diameter kincir 100 cm, dan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros. Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu adalah material komposit. Metode yang digunakan adalah metode eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin pada 7,3 m/s; 8,3 m/s; dan 9,4 m/s dengan menggunakan blower. Variable yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s turbin angin dapat bekerja optimal dibanding pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s dan 9,4 m/s. Koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s adalah sebesar 43% yang bekerja padatip speed ratiosebesar 3,8; koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah sebesar 31% yang bekerja pada tip speed ratio sebesar 3,3; dan koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 9,4 m/s adalah sebesar 22% yang bekerja pada tip speed ratiosebesar 2,9.

viii ABSTRACT

The aim of this study was to develop a four-blade propeller wind turbine made from composite. Other than that, this study also aimed for knowing the output power, the coefficient of power andtip speed ratioof this wind turbine.

This study used a propeller wind turbine with diameter of 100 cm, and maximum blade width of 13 cm at length of 19 cm from axial center. The material that used for making the blade was composite material. This study used an experimental method with the wind-velocity variations of 7,3 m/s; 8,3 m/s; and 9,4 m/s by usingblower. The variables taken in this study are the wind-velocity, turbine rotation, the force, the voltage, and electric current.

The result showed that the wind turbine could work optimally at the wind-velocity variation of 7,3 m/s than the other wind-wind-velocity variations. The coefficient of power at the wind-velocity variation of 7,3 m/s was about 43% in tip speed ratio of 3,8; the coefficient of power at the wind-velocity variation of 8,3 m/s was about 31% intip speed ratio of 3,3; and the coefficient of power at the wind-velocity variation of 9,4 m/s was about 22% intip speed ratioof 2,9. Keywords : wind turbinepropeller, composite, coefficient of power

i

UNJUK KERJA TURBIN ANGINPROPELLER

4 SUDU BERBAHAN KOMPOSIT BERDIAMETER 100 CM, DENGAN LEBAR MAKSIMUM SUDU 13 CM PADA JARAK 19 CM

DARI PUSAT SUMBU POROS TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan Memperoleh gelar Sarjana Teknik

Di Jurusan Teknik Mesin

Disusunoleh :

DWI ANDIKA KURNIAWAN 125214062

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

ii

THE PERFORMANCE OF FOUR BLADEPROPELLER

WIND TURBINE MADE FROM COMPOSITE IN

DIAMETER OF 100 CM, WITH MAXIMUM BLADE WIDTH OF 13CM AT LENGTH OF 19 CM FROM AXIAL CENTER

FINAL PROJECT

As a partial fulfillment of the requirements To obtain theSarjana Teknikdegree in Department of Mechanical Engineering

Arranged by :

DWI ANDIKA KURNIAWAN 125214062

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

vii INTISARI

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan turbin angin berjenis propeller 4 sudu berbahan komposit. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengetahui daya keluaran, koefisien daya, dan tip speed ratio dari turbin angin tersebut.

Penelitian ini menggunakan turbin angin berjenis propellerdengan diameter kincir 100 cm, dan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros. Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu adalah material komposit. Metode yang digunakan adalah metode eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin pada 7,3 m/s; 8,3 m/s; dan 9,4 m/s dengan menggunakan blower. Variable yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s turbin angin dapat bekerja optimal dibanding pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s dan 9,4 m/s. Koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 7,3 m/s adalah sebesar 43% yang bekerja padatip speed ratiosebesar 3,8; koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 8,3 m/s adalah sebesar 31% yang bekerja pada tip speed ratio sebesar 3,3; dan koefisien daya turbin angin pada variasi kecepatan angin 9,4 m/s adalah sebesar 22% yang bekerja pada tip speed ratiosebesar 2,9.

viii ABSTRACT

The aim of this study was to develop a four-blade propeller wind turbine made from composite. Other than that, this study also aimed for knowing the output power, the coefficient of power andtip speed ratioof this wind turbine.

This study used a propeller wind turbine with diameter of 100 cm, and maximum blade width of 13 cm at length of 19 cm from axial center. The material that used for making the blade was composite material. This study used an experimental method with the wind-velocity variations of 7,3 m/s; 8,3 m/s; and 9,4 m/s by usingblower. The variables taken in this study are the wind-velocity, turbine rotation, the force, the voltage, and electric current.

The result showed that the wind turbine could work optimally at the wind-velocity variation of 7,3 m/s than the other wind-wind-velocity variations. The coefficient of power at the wind-velocity variation of 7,3 m/s was about 43% in tip speed ratio of 3,8; the coefficient of power at the wind-velocity variation of 8,3 m/s was about 31% intip speed ratio of 3,3; and the coefficient of power at the wind-velocity variation of 9,4 m/s was about 22% intip speed ratioof 2,9. Keywords : wind turbinepropeller, composite, coefficient of power

ix

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul “Unjuk Kerja Turbin Angin Propeller 4 Sudu Berbahan Komposit Berdiameter 100 cm, dengan Lebar Maksimum Sudu 13 cm pada Jarak 19 cm Dari Pusat Sumbu Poros”. Penyusunan skripsi ini merupakan syarat menyelesaikan jenjang pendidikan S-1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis menyadari bahwa selama penelitian dan penyusunan skripsi ini tidak lepas dari dukungan beberapa pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing penulis selama melakukan pengujian hingga penulisan skripsi ini, terimakasih atas bimbingan, nasihat, motivasi dan pelajaran yang sangat berarti.

4. Seluruh dosen yang telah membagi ilmunya kepada penulis selama masa kuliah.

x

5. Seluruh staff dan Laboran di jurusan Teknik Mesin, terimakasih atas bantuannya dalam mempelancar penelitian dan penyusunan skripsi.

6. Kedua orangtua penulis tercinta yang telah mendidik penulis dengan sabar, memberikan kasih sayang, motivasi, dukungan baik moral maupun materiil serta doa restu yang tak henti – hentinya diberikan kepada penulis.

7. Aditya Indra Pratama selaku kakak penulis yang selalu memberikan semangat, bantuan dan dukungan dalam penyusunan skripsi.

8. Vincentius Anggi dan Oktafianus Damar selaku rekan kelompok Tugas Akhir yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, pengujian, dan penyusunan skripsi.

9. Teman – teman seperjuangan jurusan Teknik Mesin angkatan 2012, terimakasih atas dukungan dan kebersamaannya selama ini.

10. Semua pihak yang turur membantu dan mendukung dalam penulisan skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu – persatu.

Penulis menyadari bahwa baik isi maupun bentuk penyajian skripsi ini masih jauh dari sempurna, namun penulis tetap berharap skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu, semoga Tuhan Yang Maha Esa selalu melimpahkan berkat dan rahmat-Nya kepada kita semua.

xi DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Title Page ... ii

Halaman Pengesahan ... iii

Daftar Dewan Penguji... iv

Pernyataan Keaslian Karya ... v

Lembar Pernyataan Persetujuan Karya Ilmiah... vi

Intisari ... vii

Abstract... viii

Kata Pengantar... ix

Daftar Isi ... xi

Daftar Gambar... xiii

Daftar Tabel ... xv

Daftar Lampiran... xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah... 4

1.5 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Angin... 6

2.2 Turbin Angin... 7

2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 9

2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 14

2.3 Komposit... 16

2.3.1 Polimer ... 20

2.3.2 Serat (Fiber)... 22

xii

2.4.1 Energi Angin dan Daya Angin... 24

2.4.2 Daya Mekanis... 26

2.4.3 Daya Listrik... 27

2.4.4 Koefisien Daya... 27

2.5 Perhitungan Torsi danTip Speed Ratio... 28

2.5.1 Torsi ... 28

2.5.2 Tip Speed Ratio... 29

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 30

3.2 Tahapan Penelitian... 30

3.3 Bahan dan Alat... 31

3.4 Langkah – Langkah Pembuatan Sudu Kincir Angin... 37

3.5 Langkah – Langkah Penelitian... 42

3.6 Langkah – Langkah Pengolahan Data... 44

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengujian ... 46

4.2 Pengolahan Data... 48

4.3 Pembahasan Grafik ... 54

4.3.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi... 55

4.3.2 Grafik Hubungan Daya Ouput dan Torsi... 56

4.3.3 Grafik Hubungan Cp (mekanis) dan TSR... 61

4.3.4 Grafik Hubungan Cp (listrik) dan TSR... 64

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 68

5.2 Saran ... 69

Daftar Pustaka... 71

xiii

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 2.1 American Windmill... 12

Gambar 2.2 Cretan Sail... 13

Gambar 2.3 Dutch Four Arm... 13

Gambar 2.4 Turbin Angin Darrieus ... 15

Gambar 2.5 Turbin Angin Savonius ... 16

Gambar 2.6 Grafik hubungan tegangan dan regangan antara komposit, matriks, dan serat... 18

Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya... 19

Gambar 2.8 Klasifikasi komposit berdasarkan matriksnya... 20

Gambar 2.9 Grafik hubungan antara CP dan TSR... 28

Gambar 3.1 Diagram alir yang menggambarkan langkah – langkah penelitian ... 30

Gambar 3.2 Sudu turbin angin berjenispropellerberbahan komposit . 31 Gambar 3.3 Hub... 32

Gambar 3.4 Resinpolyester... 32

Gambar 3.5 Seratgelas /fiberglass... 33

Gambar 3.6 Mesin Blower ... 34

Gambar 3.7 Alat uji Anemometer... 34

Gambar 3.8 Alat uji Tachometer... 35

Gambar 3.9 Alat uji neraca pegas ... 35

Gambar 3.10 Alat uji Multimeter... 36

Gambar 3.11 Alat uji Voltmeter... 37

Gambar 3.12 Lampu pembebanan ... 37

Gambar 3.13 Desain sudu turbin angin berjenispropeller ... 38

Gambar 3.14 Proses menggambar cetakan pada pipa... 38

Gambar 3.15 Proses pemotongan dan penghalusan cetakan... 38

Gambar 3.16 Proses pencampuran resin dengan katalis ... 39

xiv

Gambar 3.18 Proses pembuatan sudu kincir berbahan komposit... 40

Gambar 3.19 Proses pemotonga nsudu ... 41

Gambar 3.20 Proses pengeboran sudu ... 41

Gambar 3.21 Proses pengecatan sudu... 41

Gambar 3.22 Sudu kincir angin berbahan komposit... 42

Gambar 3.23 Skema rangkaian listrik... 43

Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... 55

Gambar 4.2 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 56

Gambar 4.3 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s ... 57

Gambar 4.4 Grafik hubungan dayaoutputdengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s ... 58

Gambar 4.5 Grafik hubungan dayaoutput(mekanis) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... 59

Gambar 4.6 Grafik hubungan dayaoutput(listrik) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin... ` 60

Gambar 4.7 Grafik hubungan CP (mekanis) dengantip speed ratio untuk ketiga variasi kecepatan angin... 62

Gambar 4.8 Grafik hubungan CP (listrik) dengantip speed ratio untuk ketiga variasi kecepatan angin... 65

xv

DAFTAR TABEL

Hal Tabel 2.1 _{Tingkat Kecepatan Angin ... 6} Tabel 2.2 _{Kekuatan Serat ... 23} Tabel 2.3 _{Sifat – sifat dari jenis serat gelas ... 24} Tabel 4.1 _{Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

7,3 m/s... 46 Tabel 4.2 _{Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

8,3 m/s... 47 Tabel 4.3 _{Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

9,4 m/s... 48 Tabel 4.4 _{Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

7,3 m/s... 52 Tabel 4.5 _{Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

8,3 m/s... 53 Tabel 4.6 _{Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata}

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Hal Lampiran 1. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi

pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 73 Lampiran 2. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi

pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s ... 73 Lampiran 3. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi

pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s ... 74 Lampiran 4. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3

m/s ... 74 Lampiran 5. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3

m/s ... 75 Lampiran 6. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4

m/s ... 75 Lampiran 7. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3

m/s ... 76 Lampiran 8. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3

m/s ... 76 Lampiran 9. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip

speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4

m/s ... 77 Lampiran 10. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar

poros pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s ... 77 Lampiran 11. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar

xvii

Lampiran 12. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi di dunia dan khususmya di Indonesia setiap tahun semakin meningkat seiring dengan pertambahan jumlah penduduk, perkembangan ekonomi dan pola konsumsi masyarakat terhadap energi. Menurut Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konversi Energi (EBTKE), sumber daya energi di Indonesia dan dunia semakin menipis, dimana energi menjadi langka dan semakin mahal dengan pertumbuhan konsumsi energi rata-rata 7% setahun (Andri Kusbiantoro, dkk., 2013). Sedangkan, pertumbuhan kebutuhan energi ini tidak diimbangi dengan pasokan energi yang cukup, sehingga pasokan kebutuhan energi fosil masih terlalu besar, penggunaan energi fosil sendiri dapat mengakibatkan perubahan iklim global yang disebabkan oleh meningkatnya Gas Rumah Kaca (GRK) di atmosfir bumi. Untuk memenuhi kebutuhan energi dan mengurangi gas rumah kaca ini perlu ditingkatkan upaya pemanfaatan Energi Baru Terbarukan (EBT) atau energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang mudah dan dapat digunakan adalah angin (Andri Kusbiantoro, dkk., 2013).

Energi angin adalah sumber energi terbarukan yang telah dimanfaatkan selama lebih dari seabad. Pemanfaatan energi angin menjadi salah satu pemanfaatan energi baru terbarukan paling efektif di dunia, karena sumber daya angin tersedia dimana pun dan bebas polusi. Untuk memanfaatkan energi angin,

dibutuhkan sebuah alat yang disebut 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, dan lain-lain. Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi angin menjadi energi mekanik pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator yang akan menghasilkan listrik. Pemanfaatan kincir angin atau turbin lebih menguntungkan dibandingkan dengan pemanfaatan mesindiesel,photovoltaicatau penambahan jaringan listrik.

Salah satu jenis turbin angin yang dapat digunakan adalah Turbin Angin Sumbu Horizotnal (TASH). Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun sejajar dengan permukaan tanah. Kelebihan utama dari jenis ini adalah daya listrik yang dihasilkan relatif besar. Turbin angin sederhana dengan diameter 0.6 m, dapat menghasilkan daya listrik sebesar 80 W (Ahmet Z. Sahin, et al., 2001). Selain itu, jenis turbin ini dapat menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibanding dengan jenis turbin angin sumbu vertikal, karena sudu atau blade pada turbin angin sumbu horizontal selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin dan menerima daya sepanjang putaran.

Dalam pembuatannya, sudu turbin angin dapat dibuat menggunakan berbagai macam material, salah satunya adalah komposit. Komposit merupakan material yang tersusun dari kombinasi dua atau lebih unsur yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan (Schwartz (1984), dalam Daniel Andri Porwanto, 2009). Penggunaan material komposit pada sudu turbin angin bertujuan untuk mengurangi bobot

kincir angin dibanding menggunakan material lain, serta memberi kekakuan dan kekuatan spesifik pada sudu turbin angin.

Berdasarkan latar belakang tersebut, dilakukan pengujian terhadap unjuk kerja turbin angin sumbu horizontal 4 sudu berbahan komposit. Variasi kecepatan angin yang digunakan bertujuan untuk mengetahui perbandingan unjuk kerja dari turbin angin tersebut.

1.2 Perumusan Masalah

Perumusan masalah dari pengujian turbin angin sumbu horizontal ini adalah sebagai berikut :

1) Bagaimana desain dan bentuk dari turbin angin jenispropellerini. 2) Bagaimana nilai koefisien daya dan tip speed ratio dari turbin angin

jenispropellerini.

3) Bagaimana torsi dan dayaoutputdari turbin angin jenispropellerini. 4) Bagaimana perngaruh kecepatan angin terhadap kecepatan putar turbin

angin jenispropellerini. 1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1) Membuat dan mengembangkan turbin anginpropeller4 sudu berbahan komposit.

2) Mengetahui koefisien daya dan tip speed ratio dari turbin angin jenis propellerini.

3) Mengetahui torsi dan dayaoutputdari turbin angin jenispropellerini. 4) Mengetahui pengaruh kecepatan angin terhadap kecepatan putar turbin

angin jenispropellerini. 1.4 Batasan Masalah

Permasalahan dalam pengujian ini dibatasi pada :

1) Jenis turbin angin yang digunakan adalah turbin angin sumbu horizontal berdiameter 100 cm, dengan lebar maksimum sudu 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu poros.

2) Model turbin angin yang digunakan adalah turbin angin propeller dengan jumlah sudu sebanyak 4 buah sudu.

3) Bahan material yang digunakan pada sudu kincir menggunakan material komposit

4) Pengujian dilakukan di dalam laboratorium Universitas Sanata Dharma Yogyakarta menggunakanfan blower.

5) Variasi yang digunakan adalah variasi kecepatan angin. 1.5 Manfaat Penelitian

Pengujian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut : 1) Memberikan informasi mengenai unjuk kerja, kecepatan putar turbin,

2) Memberikan informasi mengenai pemanfaatan turbin angin propeller sebagai pengaplikasian energi terbarukan dan alternatif pembangkit tenaga listrik yang ramah lingkungan.

3) Menjadikan turbin angin propeller berbahan komposit sebagai salah satu alternatif pembangkit tenaga listrik yang ramah lingkungan.

6

BAB II

LANDASAN TEORI 2.1 Angin

Angin merupakan gerakan udara dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah (Surya Bagaskara, dkk, 2010). Angin menjadi salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan sebagai penggerak pompa air, generator, dan sebagainya. Angin terjadi karena perbedaan suhu atau temperatur antara udara panas dan udara dingin (Sunarwo dan Bambang Sumiyarso, 2011). Di daerah yang panas, udara mengembang, menjadi panas lebih ringan sehingga udara naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin.

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin

Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas permukaan tanah Kelas

Angin

Kecepatan Angin (m/s)

Kondisi Alam di Daratan 1 0.00 – 0.02 ---2 0.3 – 1.5 Angin bertiup, asap lurus ke atas 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 jalan, 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

plumpang bergoyang kecil

8 13.9 – 17.1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga

berat melawan arah angin

10 20.8 – 24.4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh

11 24.5 – 28.4 Dapat merubuhkan pohon, menimbulkan kerusakan

12 28.5 – 32.6 Menimbulkan kerusakan parah

13 32.7 – 36.9 Tornado

(sumber :www.mataduniakami.id/2016/01/sumber-daya-energi-angin.html, diakses 2 Juni 2016)

Sebagian besar wilayah Sumatera dan Kalimantan memiliki potensi kecepatan angin yang cukup rendah yaitu antara 1,3 m/s – 2,7 m/s. Pulau Jawa dan Sulawesi memiliki potensi kecepatan angin antara 2,7 m/s – 5 m/s. Sebagian besar wilayah Maluku dan Nusa Tenggara memiliki potensi kecepatan angin 4,5 m/s – 5,5 m/s (Puji S, dkk, 2012).

2.2 Turbin Angin

Turbin angin (wind turbine) pertama kali digunakan oleh bangsa Persia dalam bentuk kincir angin pada abad ke 5. Kemudian penggunaan kincir angin menyebar ke seluruh Eropa. Bangsa Belanda mulai menggunakan kincir angin sekitar abad ke 13. Pada saat itu, bangsa Belanda memanfaatkan kincir angin sebagai salah satu cara untuk memperluas wilayah daratnya. Pada abad ke 17, bangsa Belanda mulai memanfaatkan kincir angin dalam bidang industri dan membantu para petani dalam kegiatan pertanian. Kemudian pada akhir abad ke 19, seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, P. La Cour dari Denmark mulai memanfaatkan kincir angin sebagai alat pembangkit energi

listrik yang disebut turbin angin (wind turbine). Pada periode yang sama, Charles Brush membangun turbin angin dengan menambahkangearbox untuk menaikkan putaran.

Pada tahun 1920, seorang insiyur asal Perancis, Darrieus G.J.M, menciptakan turbin angin sumbu vertikal pertama dan mematenkannya sebagai Turbin Angin Darrieus pada tahun 1931. Pada tahun 1922, S.J. Savonius turut serta dalam perkembangan turbin angin dengan menciptakan Turbin Angin Savonius di Finlandia. Pada tahun 1931, sebuah turbin angin berdaya output 100 kW dengan menerapkan utility-scale sistem pertama didirikan di Rusia dan diaplikasikan di sekitar pantai Laut Caspia. Dan pada tahun 1941, Palmer C. Putman membangun turbin angin berdaya output 1250 kW dengan rotor yang dapat berputar secara konstan.

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi energi putar pada kincir, selanjutnya putaran kincir digunakan untuk memutar generator sehingga dapat menghasilkan listrik. Putaran kincir tersebut dikarenakan adanya kombinasi dari gaya lift dan gaya drag yang dihasilkan akibat bentuk aerodinamis dari penampang sudu / bilah turbin angin (Farid Ridha Muttaqin, dkk, 2015). Perubahan sudut pitch dari sudu / bilah akan mempengaruhi kecepatan sudut dari rotor karena adanya perubahan jumlah daya angin yang diterima sudu / bilah yang dikonversi menjadi kecepatan putar rotor (Harika (2008) dalam Farid Ridha Muttaqin, dkk, 2015).

2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal

Berdasarkan sumbu putarnya, turbin angin digolongkan menjadi dua macam tipe, yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Turbin angin sumbu horizontal atau HAWT adalah turbin angin yang memiliki poros atau sumbu rotor utama sejajar dengan permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal bekerja berdasarkan prinsip aerodinamis, dimana rotor turbin mengalami gaya geser (drag force) dan gaya angkat (lift force).

Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki komponen – komponen sebagai berikut, yaitu :

a. Rotor

Rotor pada turbin angin berfungsi untuk menerima energi kinetik dari angin dan mengubahnya ke dalam bentuk energi gerak putar (Puji S, dkk., 2012). Padarotor, terdapat blade/ sudu / baling – baling. Semakin panjang

blade/ sudu / baling – baling, maka semakin luas area yang dapat menerima hembusan angin.

b. Gearbox

Gearbox berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi (Puji S, dkk., 2012).

c. Generator

Generator merupakan salah satu komponen terpenting dalam pembuatan turbin angin. Generator berfungsi untuk mengubah energi gerak dari rotor menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator menerapkan teori

medan elektromagnetik. Poros pada generator dipasang dengan material

ferromagnetic permanen dan di sekeliling poros terdapat stator yang terbentuk dari kumparan – kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros tersebut berputar, maka akan terjadi perubahan fluks pada stator. Perubahan fluks tersebut akan menghasilkan tegangan dan arus listrik yang berupa AC (alternating current). Tegangan dan arus listrik AC memiliki bentuk gelombang kurang lebihsinusoidal(Puji S, dkk., 2012).

d. Brake Sistem

Brake sistem diperlukan saat terjadi hembusan angin yang terlalu kencang dan menimbulkan putaran berlebih pada generator. Brake sistem

digunakan untuk menjaga putaran poros setelahgearboxagar generator tetap bekerja pada titik aman. Dampak dari terjadinya putaran berlebih diantaranya : kerusakan pada generator, kerusakan padarotor, dan overheat

pada turbin angin. e. Penyimpanan Energi

Alat penyimpan energi digunakan untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh generator sebagai cadangan energi listrik. Alat penyimpan energi memerlukan arus DC (direct current) untuk mengisi energi. Salah satu alat penyimpanan energi yang dapat digunakan dalam turbin angin adalah aki mobil.

f. Rectifier dan Inverter

Rectifier merupakan penyearah. Rectifier berfungsi untuk menyearahkan arus AC yang dihasilkan oleh generator menjadi arus DC.

Rectifierdigunakan dalam proses penyimpanan energi pada turbin angin.

Invertermerupakan pembalik arah.Inverterberfungsi untuk mengubah arus DC menjadi arus AC, sehingga energi listrik dapat disalurkan untuk kebutuhan energi rumah tangga.

g. Tower

Tower atau tiang penyangga adalah bagian struktur dari turbin angin sumbu horizontal. Tower atau tiang penyangga berfungsi sebagai penopang dari komponen – komponen turbin angin, sepertirotor, generator, gearbox, dan poros.

Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya yaitu : (1) Pengaplikasian pada menara yang tinggi memberikan akses terhadap angin yang lebih kuat, (2) Turbin angin sumbu horizontal memiliki efisiensi yang tinggi, karena blade / sudu / baling – baling selalu bergerak tegak lurus dengan angin, dan (3) Desain permukaan blade ./ sudu / baling – baling yang terkena angin pada sudut yang konsisten dapat mengurangi getaran dan noise pada menara.

Disamping itu, Turbin Angin Sumbu Horizontal juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya yaitu : (1) Pemasangan yang sulit, karena perlu pengangkutan rotor dan generator ke atas menara, (2) Membutuhkan kontruksi

menara yang kuat dan besar untuk menyangga komponen – komponen turbin angin, (3) Membutuhkan perangkat tambahan untuk mengatur pergerakan turbin sesuai dengan arah angin, (4) Turbin angin dengan penerapan mesin downwind

lebih sering mengalami kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi, dan (5) Desain turbin angin yang tinggi dapat mempengaruhi radar pesawat.

Turbin Angin Sumbu Horizontal memiliki beberapa jenis turbin angin, diantaranya adalah sebagai berikut :

a. American Windmill

American Windmill atau Wind Engine dirancang oleh Daniel Halladay pada tahun 1854. Turbin angin ini digunakan sebagai kincir angin untuk mengangkat air dari sumur dan penggilingan gabah, serta memotong jerami.

Gambar 2.1American Windmill

(sumber :www.neenigeria.com/html/mechanical_windmills.html, diakses 6 Juni 2016)

b. Cretan Sail

Cretan Sail dibuat pada tahun 1976 dengan menggunakan material kayu sebagai material utamanya dan material kain untuk perancangan sudunya.

Gambar 2.2Cretan Sail

(sumber :www.fieldlines.com/index.phptopic=140886.0, diakses 6 Juni 2016)

c. Dutch Four Arm

Desain rancangan kincir angin ini sangat sederhana, dan menjadi awal dari rancangan kincir angin yang asli. Material yang digunakan dalam pembuatan kincir angin ini adalah material kayu dan tanah liat. Kincir angin ini berasal dari negara Belanda.

Gambar 2.3Dutch Four Arm

(sumber :www.abdolian.com/thoughts/?/p=2806, diakses 6 Juni 2016)

2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertical adalah turbin angin yang memiliki poros atau sumbu rotor utama tegak lurus dengan permukaan tanah. Kelebihan utama dari turbin angin ini adalah tidak harus diarahkan ke arah datangnya angin untuk menghasilkan energi listrik. Kelebihan ini sangat berguna di tempat – tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Selain itu, torsi yang dihasilkan turbin angin jenis savonius relatif tinggi (Sargolzei, 2007 dalam Andri Kusbiantoro, 2013).

Kelebihan lain dari turbin angin ini adalah sebagai berikut : (1) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar, (2) Memilikitip speed ratioyang lebih rendah, sehingga mengurangi kemungkinan rusak akibat hembusan angin yang sangat kencang, dan (3) Desain turbin angin sumbu vertical berbilah lurus dengan luas penampang berbentuk persegi atau persegi panjang, sehingga memiliki luas tangkapan angin yang lebih besar.

Disamping itu, turbin angin sumbu vertikla juga memiliki kekurangan, diantaranya : (1) Pengaplikasian pada ketinggian yang rendah membuat turbin ini mendapat energi angin yang sedikit, (2) Sudu yang mampu mendapatkan energi angin dinamakan downwind dan sudu yang menolak angin dinamakan upwind, sudu bagian ini cenderung menghambat putaran poros, dan (3) Berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan (bearing) menjadi beban tambahan pada kerja turbin angin.

Turbin Angin Sumbu Vertikal memiliki beberapa jenis turbin angin, yaitu : a. Turbin Angin Darrieus

Tubrin angin Darrieus diciptakan di Perancis sekitar tahun 1920-an oleh seorang insiyur asal Perancis, Darrieus G.J.M. Turbin angin ini menjadi turbin angin sumbu vertical pertama yang diciptakan.

Gambar 2.4 Turbin Angin Darrieus

(sumber :www.brightub.com/environment/renewable-energi articles/92978.aspx, diakses 6 Juni 2016)

b. Turbin Angin Savonius

Turbin angin Savonius diciptakan pertama kali di Finlandia pada tahun 1922 oleh S.J. Savonius. Turbin angin Savonius bergerak lebih pelan dibanding turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar.

Gambar 2.5 Turbin Angin Savonius

(sumber :

www.kompasiana.com/rudypamungkas/keren-kincir-angin-savonius-pembangkit-listrik-untuk-pulau-kecil_54f7cda5a33311641e8b4bea, diakses 6 Juni

2016)

2.3 Komposit

Komposit merupakan material yang mempunyai dua atau lebih fasa (Nuning Aisah, dkk, 2004). Menurut Hendriwan Fahmi, dkk. (2011), komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki karakteristik lebih baik dari keduanya. Bahan komposit banyak digunakan di berbagai bidang, seperti industri pesawat terbang, otomotif, komponen elektronik, maupun peralatan rumah tangga. Hal tersebut dikarenakan sifat bahan komposit yang ringan, kuat, kaku, serta tahan terhadap korosi (Hendriwan Fahmi, dkk, 2014).

Pada umumnya, komposit dibentuk dari dua unsur utama, yaitu matriks dan penguat (reinforcement). Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Fungsi utama matriks dalam komposit adalah sebagai pengikat partikel – partikel yang dipakai, untuk mempertahankan partikel tersebut agar berada pada tempatnya (Hendriwan

Fahmi, dkk, 2011). Selain itu, matriks berfungsi sebagai distributor tekanan dan pelindung serat dari cacat permukaan akibat reaksi kimia dengan lingkungan (Nuning Aisah, dkk, 2004). Fasa matriks dapat berupa keramik, logam, atau polimer.

Reinforcement adalah bahan penguat dalam komposit. Fasa reinforcement

dapat berupa laminar, partikel, dan serat / fiber. Serat / fiber adalah suatu jenis bahan berupa potongan – potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis serat, yaitu serat alami dan serat sintetis. Penggunaan serat dalam komposit berfungsi sebagai penerus beban dari serat yang satu ke serat lainnya (Viktor Malau, 2010). Jika ada serat yang putus dalam arah pembebanan aksial, maka beban dari serat yang putus tersebut akan diteruskan melalui matriks menuju serat selanjutnya.

Menurut Viktor Malau (2010), komposit memiliki beberapa kelebihan diantaranya : (1) Dapat dirancang dengan kekakuan dan kekuatan tinggi sehingga bahan ini member kekakuan dan kekuatan spesifik yang tinggi yang dapat melebihi kemampuan bahan baja atau aluminium, (2) Memiliki sifat fatigue dan

toughness yang baik, (3) Tahan terhadap korosi, (4) Mampu meredam getaran atau vibrasi, dan (5) Memiliki penampilan dan kehalusan permukaan yang baik. Disamping kelebihan tersebut, komposit juga memiliki beberapa kelemahan antara lain : (1) Bersifat anisotropic yang memiliki sifat berbeda antara satu lokasi / orientasi dengan lokasi / orientasi lainnya, (2) Tidak aman terhadap zat – zat tertentu, dan (3) Pembuatannya membutuhkan waktu yang relatif lama.

Gambar 2. 6 Grafik hubungan tegangan dan regangan antara komposit, matriks, dan serat

(sumber:www.mse.mtu.edu/drjohn/my4150/compositesdesign/cd2/cd1.html, diakses 5 Juni 2016)

Berdasarkan bahan penguat / reinforcement yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, yaitu :

a. Fibrous Composites(Komposit Serat)

Komposit Serat merupakan jenis komposit yang hanya terdiro dari satu lapisan penguat berupa serat /fiber.Fiberyang digunakan berupafiberglass,

fiber carbon,poly aramide, dan sebagainya. b. Laminated Composites(Komposit Laminat)

Komposit Laminat merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua atau lebih lapisan yang digabung menjadi satu, dan setiap lapisannya memiliki karakteristik bahan sendiri.

c. Particulate Composites(Komposit Partikel)

Komposit Partikel merupakan jenis komposit yang menggunakan partikel / serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.

Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya

Berdasarkan matriks yang digunakan, komposit dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:

a. Polymer Matrix Composites(Komposit Matriks Polimer)

Polymer Matrix Composites merupakan jenis komposit yang sering digunakan. Komposit jenis ini menggunakan suatu polimer berbahan resin sebagai matriksnya. Kelebihan dari komposit jenis ini adalah mudah dibentuk mengikuti profil yang digunakan, memiliki ketangguhan yang baik, dan lebih ringan dibanding jenis komposit yang lainnya.

b. Metal Matirx Composites(Komposit Matriks Logam)

Metal Matirx Composites merupakan jenis komposit yang menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matriksnya. Kelebihan dari jenis

komposit ini adalah tahan terhadap temperatur tinggi, memiliki kekuatan tekan dan geser yang baik, dan tidak menyerap kelembapan.

c. Ceramic Matrix Composites(Komposit Matriks Keramik)

Ceramic Matrix Composites merupakan jenis komposit yang menggunakan bahan keramik sebagai penguatnya. Kelebihan dari jenis ini adalah memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik, tahan terhadap korosi, dan tahan terhadaptemperaturtinggi.

Gambar 2.8 Klasifikasi komposit berdasarkan matriksnya

2.3.1 Polimer

Polimer atau disebut juga makromolekul merupakan molekul besar yang dibangun dengan pengulangan oleh molekul sederhana yang disebut monomer. Polimer berasal dari dua kata, yaitu poly (banyak) dan meros (bagian – bagian). Polimer memiliki berat molekul lebih dari 10.000 gr/mol (Daniel Andri Porwanto, 2009).

Klasifikasi polimer berdasarkan ketahanan terhadap panas dibagi menjadi dua, yaitu :

a) PolimerThermoplastic

Polimer Thermoplastic merupakan polimer yang mempunyai sifat tidak tahan terhadap panas. Polimer jenis ini bersifat reversible, yaitu akan meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu, dan akan kembali mengeras bila didinginkan. Contoh dari polimer jenis ini adalah

Nylon 66, Polipropena, Polietilena, dan PVC. b) PolimerThermoset

Polimer Thermoset merupakan polimer yang mempunyai sifat tahan terhadap panas. Polimer jenis ini bersifat irreversible, yaitu tidak dapat dilunakkan kembali saat dipanaskan. Contoh dari polimer jenis ini adalah Epoksida, Bismaleimida, dan Poli-imida.

Jenis polimer yang paling banyak digunakan adalah resin polyester. Resin

polyester merupakan jenis resin termoset dengan viskositas yang relatif rendah, dan dapat mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis atau hardener tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Resin polyester memiliki beberapa kelebihan, yaitu sifatnya yang ringan dan mudah dibentuk, serta tahan terhadap korosi. Namun, resin polyester juga memiliki kekurangan, yaitu sifat mekaniknya yang lemah karena sifat dasarnya yang rapuh.

2.3.2 Serat (Fiber)

Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan – potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh (Hendriwan Fahmi, dkk, 2011). Manusia menggunakan serat dalam banyak hal, antara lain untuk membuat tali, kain, atau kertas. Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis, yaitu serat alami dan serat sintetis (buatan). Serat alami merupakan jenis serat yang dihasilkan oleh tanaman, hewan, dan proses geologis. Serat alami dapat mengalami proses pelapukan. Serat alami dibagi menjadi empat jenis, yaitu serat tumbuhan, serat kayu, serat hewan, dan serat mineral. Serat alami yang paling banyak dimanfaatkan manusia adalah serat hewan, yaitu sutera dan bulu domba.

Sedangkan, serat sintetis adalah jenis serat yang umumnya berasal dari bahan petrokimia. Sifat dari serat sintetis adalah (1) sangat kuat dan tahan gesekan, (2) elastic dan tahan regangan, (3) sulit menghisap air, dan (4) peka terhadap panas. Salah satu serat sintetis yang paling banyak digunakan adalah serat gelas / fiberglass. Serat gelas (fiberglass) mempunyai karakteristik yang berbeda antara satu dengan yang lain (Hendriwan Fahmi, dkk, 2014). Serat gelas terbuat dari silica dan paduan lain seperti alumina, magnesia, dan sebagainya. Serat gelas banyak digunakan di industri – industri otomotif seperti panel body kendaraan.

Serat gelas memiliki beberapa kelebihan, diantaranya : (1) memiliki stabilitas dimensi yang baik, (2) tahan terhadap korosi, (3) tahan terhadap panas, (4) tahan terhadap dingin, serta (5) memiliki sifat isolasi thermal dan elektrikal yang baik. Disamping itu, serat gelas juga memiliki beberapa kekurangan, yaitu :

(1) kekuatannya yang relatif rendah, (2) densitas yang rendah, dan (3) memiliki elongasi yang tinggi.

Tabel 2.2 Kekuatan Serat Fibre Density

(g/cm3₎

Elongation (%)

Tensile

Strength (MPa)

Young’s modulus (GPa)

Cotton 1.5-1.6 7.0-8.0 287-597 5.5-12.6

Jute 1.3 1.5-1.8 393-773 26.5

Flax 1.5 2.7-3.2 345-1035 27.6

Hemp - 1.6 690

-Ramie - 3.6-3.8 400-938 61.4-128

Sisal 1.5 2.0-2.5 511-635 9.4-22.0

Coir 1.2 30.0 175 4.0-6.0

Viscose (cord)

- 11.4 593 11.0

Soft wood kraft

1.5 - 1000 40.0

E-glass 2.5 2.5 2000-3500 70.0

S-glass 2.5 2.8 4570 86.0

Aramide (normal)

1.4 3.3-3.7 3000-3150 63.0-67.0

Carbon (standard)

1.4 1.4-1.8 4000 230.0-240.0

(sumber :

http://imamengineering.blogspot.co.id/2015/03/makalah-mekanika-bahan-komposit.html, diakses 18 Juni 2016)

Serat gelas dibagi menjadi 3 jenis, yaitu E-glass, C-glass, dan S-glass (Istanto (2006) dalam Daniel Andri Purwanto, dkk, 2009). Sifat – sifat dari jenis serat gelas dapat dilihat pada Tabel 2.3 berikut.

Tabel 2.3 Sifat – sifat dari jenis serat gelas

No Jenis Serat

E-glass C-glass S-glass

1 Isolator listrik yang baik

Tahan terhadap korosi

Modulus lebih tinggi 2 Kekakuan tinggi Kekuatan lebih

rendah dari

E-glass

Lebih tahan terhadap suhu tinggi 3 Kekuatan tinggi Harga lebih

mahal dari

E-glass

Harga lebih mahal dari E-glass

(sumber : Istanto (2006) dalam Daniel Andri Purwanto, dkk, 2009)

2.4 Perhitungan Koefisien Daya 2.4.1 Energi Angin dan Daya Angin

Energi angin adalah energi yang terkandung dalam massa udara yang bergerak (Puji S, dkk., 2012). Energi angin berasal dari energi matahari, sekitar 1% hingga 2% dari energi yang datang dari matahari diubah menjadi bentuk energi angin (Puji S, dkk., 2012). Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat gerakannya. Secara umum, energi kinetik angin dapat dirumuskan sebagai berikut :

= (1)

dengan :

Ek : energi kinetik angin (Joule)

v : kecepatan angin (m/detik)

Sedangkan daya angin adalah energi angin tiap satuan waktu. Dari Persamaan (1), didapat persamaan sebagai berikut :

= _̇ (2)

dimana :

PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

ṁ : laju aliran massa udara (kg/detik)

v : kecepatan angin (m/detik)

Laju aliran massa udara dapat dirumuskan ke dalam persamaan berikut:

̇ = (3)

dengan :

ṁ : laju aliran massa udara (kg/detik)

ρ : kerapatan udara (kg/m3₎

v : kecepatan angin (m/detik)

Dengan mensubtitusikan Persamaan (3) ke Persamaan (2), didapat persamaan untuk daya angin sebagai berikut :

= (4)

dengan :

PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

ρ : kerapatan udara (kg/m3₎

A : luas daerah sapuan angin (m2₎

2.4.2 Daya Mekanis

Daya mekanis adalah daya yang dihasilkan turbin angin akibat adanya kerja dariblade/ sudu / baling – baling dengan cara mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi mekanik atau energi putar pada poros. Daya mekanis tidak sama dengan daya angin, karena daya mekanis dipengaruhi oleh koefisien daya angin (Cp). Daya mekanis dapat dirumuskan sebagai berikut :

= (5)

dimana :

PT : daya yang dihasilkan turbin angin (watt)

T : Torsi (Nm)

ω : kecepatan sudut (rad/detik)

Satuan kecepatan sudut adalah radian per detik, satuan lain yang dapat digunakan adalah putaran per menit (rpm). Konversi satuan yang menghubungkan radian per detik (rad/detik) dan putaran per menit (rpm) dapat dirumuskan sebagai berikut :

= (6)

dengan :

ω : kecepatan sudut (rad/detik)

n : putaran poros (rpm)

Dengan mensubtitusikan Persamaan (6) ke Persamaan (5), persamaan untuk daya turbin angin dapat dirubah menjadi :

dengan :

PT : daya yang dihasilkan turbin angin (watt)

T : Torsi (Nm)

n : putaran poros (rpm)

2.4.3 Daya Listrik

Daya listrik adalah daya keluaran yang dihasilkan dari putaran generator. Daya listrik dapat dirumuskan sebagai berikut :

= × (8)

dengan

PL : daya listrik yang dihasilkan oleh generator (watt)

V : tegangan yang dihasilkan oleh generator (volt)

I : arus yang mengalir pada beban (ampere)

2.4.4 Koefisien Daya

Koefisien daya merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin angin dengan daya yang dihasilkan oleh angin. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuwan Jerman bernama Albert Betz, didapatkan efisiensi maksimum turbin angin adalah sebesar 59,3%. Angka tersebut disebut

Betz Limit. Secara teori, koefisien daya dapat dirumuskan :

dengan

CP :Coefficient of Power, koefisien daya (%)

PT : daya yang dihasilkan oleh turbin (watt)

PA : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

Gambar 2.9 Grafik hubungan antara CP dan TSR

(sumber :https://mech.vub.ac.be/thermodynamics/wind brochurePInhoud.html, diakses 31 Mei 2016)

2.5 Perhitungan Torsi dan Tip Speed Ratio 2.5.1 Torsi

Torsi bisa didefinisikan sebagai ukuran keefektifan gaya yang bekerja dalam menghasilkan putaran mengelilingi sumbu (Andri Kusbiantoro, dkk., 2013). Selain itu, torsi dapat diartikan sebagai perkalian antara gaya yang bekerja pada sudu dengan jarak yang tegak lurus terhadap gaya dari sumbu putar turbin. Secara teori, Torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :

= (10) dimana :

T : Torsi (Nm)

F : gaya yang bekerja pada sudu (N)

r : jarak yang tegak lurus terhadap gaya dari pusat poros (m)

2.5.2Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin.Tip Speed Ratiodapat dirumuskan sebagai berikut :

= (11)

Kecepatan ujung sudu adalah kecepatan sudut dikalikan dengan jarak dari pusat poros ke ujung sudu, atau bisa dirumuskan menjadi :

= (12)

Dari Persamaan (11) dan Persamaan (12), persamaanTip Speed Ratiodapat diubah menjadi :

= (13)

dimana :

r : jari – jari turbin angin (m)

n : putaran poros (rpm)

30

BAB III

METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelittian

Proses pembuatan kincir dan pengambilan data dilaksanakan pada bulan January sampai dengan bulan Mei 2016 di Laboratorium Konveksi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.2 Tahapan Penelitian

Gambar 3.1 Diagram alir yang menggambarkan langkah – langkah penelitian Mulai

Konsultasi dan Studi Pustaka

Perancangan kincir angin jenispropeller Pembuatan kincir angin jenispropeller

Pengujian kincir angin Pengambilan data

Pengolahan data Pembahasan dan Laporan

Selesai BAIK

TIDAK BAIK

3.3 Bahan dan Alat

Bagian – bagian turbin angin berjenis propeller dalam pengujian ini adalah sebagai berikut :

a. Sudu / baling – baling /blade

Sudu kincir pada turbin angin berfungsi untuk menangkap angin yang datang melintasi turbin. Sudu yang dibuat berukuran panjang 46 cm dan lebar sudu 13 cm, dengan jarak dari ujung bawah sudu 15 cm.

Gambar 3.2 Sudu turbin angin berjenispropeller berbahan komposit

b. Hub

Hub pada turbin angin berfungsi sebagai dudukan atau penyangga sudu / bilah /bladeturbin angin, sehingga dapat menangkap angin.Hub yang digunakan dalam pengujian ini memiliki penampang berbentuk segienam.

Gambar 3.3Hub

Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenis propellerini adalah komposit, dengan menggunakan polimer dan penguat sebagai berikut :

a. ResinPolyester

Polimer matriks yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenis propeller ini adalah resin berjenis polyester. Resin polyester menjadi jenis resin yang paling banyak digunakan sebagai polimer matriks komposit.

b. Serat Gelas /Fiberglass

Penguat atau reinforcement yang digunakan dalam pembuatan sudu turbin angin berjenispropellerini adalah serat gelas /fiberglass.

Gambar 3.5 Serat gelas /fiberglasstipe E-glass

Sedangkan, alat yang digunakan dalam pengujian turbin angin ini adalah sebagai berikut :

a. Blower

Blower adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau memperbesar tekanan udara atau gas yang akan dialirkan dalam suatu ruangan tertentu. Selain itu, blower juga berfungsi sebagai penghisap atau vacuum untuk udara atau gas. Pada percobaan ini, blower yang digunakan berfungsi untuk menghembuskan angin dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 15 hp, dan menggunakanbeltdanpulleysebagai transmisinya.

Gambar 3.6 Mesin Blower b. Anemometer

Anemometer adalah alat yang digunakan untuk kecepatan udara atau gas yang berhembus. Anemometer diletakkan di depanturbin angin. Anemometer terdiri dari dua komponen utama, yaitu sensor elektrik yang diletakkan di depanturbin angin dan modul digital yang berfungsi untuk menerjemahkan data dari sensor yang kemudian ditampilkan pada layar.

Gambar 3.7 Alat uji Anemometer c. Tachometer

Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah puataran dari suatu objek dalam satu satuan waktu. Terdapat dua jenis

tachometer, yaitu tachometer analog dan tachometer digital. Pada percobaan ini, digunakan tachometer berjenis tachometer digital, prinsip kerjanya adalah dengan memantulkan sinar infrared ke reflectoryang dipasang pada generator turbin angin.

Gambar 3.8 Alat uji Tachometer d. Neraca Pegas

Neraca pegas adalah alat yang digunakan untuk menimbang atau mengukur massa suatu benda. Neraca pegas digantung dengan menggunakan kawat dan dihubungkan pada plat besi yang berfungsi sebagai lengan ayun pada generator. Panjang lengan ayun yang digunakan adalah 27,5 cm.

e. Multimeter dan Voltmeter

Multimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur arus listrik, tegangan listrik, dan hambatan listrik atau resistansi pada suatu benda. Terdapat dua jenis multimeter dalam menampilkan hasil pengukurannya, yaitu multimeter analog dan multimeter digital. Pada percobaan ini, multimeter yang digunakan adalah jenis multimeter digital dan digunakan untuk mengukur arus listrik. Multimeter dihubungkan secara seri dengan lampu pembebanan dan batas ukur yang digunakan adalah 10A.

Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur besaran tegangan atau beda potensial listrik antara dua titik pada suatu rangkaian listrik. Terdapat dua jenis voltmeter, yaitu voltemeter analog dan voltmeter digital. Dalam percobaan ini, voltmeter dipasang secara paralel dengan sumber tegangan (output generator) dan batas ukurnya adalah mV (milivoltmeter).

Gambar 3.11 Alat uji Voltmeter f. Lampu Pembebanan

Dalam percobaan ini, lampu digunakan untuk memberikan variasi pembebanan atau efek pengereman pada generator. Lampu disusun secara paralel sebanyak jumlah variasi pembebanan yang digunakan.

Gambar 3.12 Lampu pembebanan

3.4 Langkah – Langkah Pembuatan Sudu Kincir Angin

Langkah – langkah dalam pembuatan sudu turbin angin berjenis propeller berbahan komposit adalah sebagai berikut :

a. Proses pembuatan cetakan dari pipa, dengan membuat cetakan di pipa PVC AW 8 inch sesuai dengan profil yang ditentukan. Kemudian, memotong cetakan menggunakan gerinda. Setelah itu, menghaluskan dan membuat radius profil cetakan yang telah dipotong.

Gambar 3.13 Desain sudu turbin angin berjenispropeller

Gambar 3.14 Proses menggambar cetakan pada pipa

b. Proses pembuatan polimer sebagai matriks komposit, dengan mencampurkan resin dan katalis. Resin yang digunakan adalah jenis resin polyester. Perbandingan yang digunakan adalah 95% untuk resin dan 5% katalis.

Gambar 3.16 Proses pencampuran resin dengan katalis

c. Proses pembuatan sudu kincir dari komposit. Proses pembuatan sudu menggunakan teknik hand lay-up. Proses awal pembuatan sudu adalah dengan menutupi atau melapisi cetakan profil dengan alumunium foil. Hal ini bertujuan untuk mencegah menempelnya resin ke cetakan selama proses pembuatan sudu. Proses selanjutnya adalah dengan melapisi cetakan dengan matriks dan reinforcement. Lapisan pertama dibuat dari resin sebanyak satu lapis. Kemudian, lapisan pertama tersebut dilapisi dengan serat fiber sebagai reinforcement sebanyak satu lembar. Selanjutnya, lapisan ketiga dibuat dari resin sebanyak satu lapis, lapisan keempat menggunakan serat fiber sebanyak satu lembar, dan seterusnya hingga menjadi 7 lapisan. Proses selanjutnya adalah proses pengeringansudu selama 15 – 20 menit. Kemudian, melakukan kembali proses pembuatan sudu hingga menjadi 4 buah sudu.

Gambar 3.17 Proses pelapisan sudu dengan aluminium foil

Gambar 3.18 Proses pembuatan sudu kincir berbahan komposit d. Proses penyelesaian atau finishing pembuatan sudu. Setelah semua sudu

kering dan keras, proses selanjutnya adalah memotong dan mengukir hasil cetakan komposit tersebut agar terbentuk sudu sesuai dengan cetakan pada pipa atau profil yang telah ditentukan sebelumnya. Kemudian, sudu yang telah sesuai dengan profil atau cetakan dihaluskan dan dibentuk radius pada sudut – sudut sudu dengan menggunakan gerinda. Proses selanjutnya adalah melubangi sudu pada jarak dan ukuran yang telah ditentukan, yaitu berjarak 5 cm dan 9 cm dari ujung bawah sudu dengan diameter lubang sebesar 4 mm, menggunakan mesin bor. Kemudian, tahap finishing terakhir dari pembuatan sudu adalah pengecatan sudu dengan cat atau sprayer sesuai

warna yang diinginkan. Pada percobaan ini, warna yang dipakai adalah warna hijau.

Gambar 3.19 Proses pemotongan sudu

Gambar 3.20 Proses pengeboran sudu

Gambar 3.22 Sudu kincir angin berbahan komposit

3.5 Langkah – Langkah Penelitian

Langkah – langkah penelitian pada pengujian turbin angin ini adalah sebagai berikut :

a. Memasang sudu kincir yang akan diuji padahub.

b. Memasang neraca pegas pada besi yang dijadikan lengan ayun pada generator. Kemudian, mengaitkan neraca pegas pada arah horizontal menggunakan kawat.

c. Merangkai rangkaian listrik yang digunakan pada pengujian ini dengan menghubungkan lampu pembebanan dan sumber tegangan (output generator) secara seri. Kemudian. menghubungkan voltmeter dengan sumber tegangan (output generator) secara paralel dan multimeter dengan lampu pembebanan secara seri. Skema rangkaian listrik pada pengujian ini diterangkan pada Gambar 3.23

Gambar 3.23 Skema rangkaian listrik

d. Menyalakan fan blower dan mencari variasi kecepatan angin yang ditentukan menggunakan anemometer. Setelah mendapatkan variasi kecepatan angin yang ditentukan, pindahkan turbin angin sesuai posisi variasi kecepatan angin tersebut didapatkan menggunakanfork lift. e. Menempatkan anemometer yang terpasang pada tiang penyangga di

depan turbin angin.

f. Setelah semua alat uji dan sudu kincir terpasang pada tempatnya, pengujian siap dilakukan.

g. Pengambilan data kecepatan angin dilakukan dengan membaca hasil yang tertera pada layar digital anemometer. Pengambilan data kecepatan putar poros dengan meletakkan tachometer tegak lurus dengan generator yang telah ditempel isolasi hitamagar tachometer dapat membaca kecepatan putar poros.

h. Pengambilan data gaya torsi yang bekerja dilakukan dengan membaca hasil yang tertera pada layar digital neraca pegas. Satuan dari hasil tersebut berupa satuan gaya (kilogram-gaya).

i. Pengambilan data tegangan yang dihasilkan dan arus yang mengalir pada beban dilakukan dengan mengatur keluaran pada voltmeter menjadi volt dan keluaran pada multimeter menjadi 10A DC.

j. Lakukan pengambilan data untuk setiap beban lampu hingga jumlah beban lampu yang telah ditentukan.

k. Setelah pengujian pada variasi kecepatan angin tersebut selesai, matikanfan blower.

l. Ulangi langkah 4 hingga langkah 11 untuk variasi kecepatan angin lainnya yang telah ditentukan.

3.6 Langkah – Langkah Pengolahan Data

Dari data pengujian yang telah didapat, maka akan diolah untuk mencari unjuk kerja dari turbin angin tersebut. Langkah – langkah pengolahan data adalah sebagai berikut :

a. Dari data kecepatan angin (v), dan dengan diketahuinya densitas udara (ρ) serta luas sapuan turbin (A), maka didapatkan daya angin (PA) dengan menggunakan persamaan (4).

b. Dari data tegangan yang dihasilkan generator (V) dan arus yang mengalir pada beban lampu (I), maka didapatkan daya listrik (PL) sebagai daya keluaran kincir dengan menggunakan persamaan (8). c. Dari data massa yang bekerja pada turbin (m) dan panjang lengan ayun

(r), maka didapatkan torsi (T) yang bekerja pada kincir angin dengan menggunakan persamaan (10).

d. Dari data kecepatan putar poros (n) dan torsi (T) yang bekerja pada turbin, maka didapatkan daya turbin (PT) dengan menggunakan persamaan (7)

e. Dengan membandingkan kecepatan di ujung sudu (vt) dan kecepatan angin (v), maka akan didapatkan tip speed ratio (TSR) dengan menggunakan persamaan (11).

f. Dengan membandingkan daya turbin (PT) dan daya angin (PA), maka akan didapatkan coefficient of power (CP) dengan menggunakan persamaan (9).

46 BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Pengujian

Pengujian unjuk kerja turbin angin propeller 4 sudu berbahan komposit dilakukan dengan tiga variasi kecepatan angin, yaitu kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, dan kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s. Pengujian yang dilakukan meliputi pengukuran kecepatan angin, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus listrik. Pengujian selesai apabila beban yang diberikan kepada turbin sudah maksimal, kecepatan putar poros mengalami penurunan secara drastis, dan gaya pengimbang mengalami penurunan atau tidak mengalami perubahan. Pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, pengujian dilakukan dengan menggunakan 16 lampu pembebanan.

Tabel 4.1 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 7,3 m/s

Beban

Kecepatan Angin Rata - rata

Kecepatan Putar Poros

Gaya

Pengimbang Tegangan Arus

[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]

0

7.3

797 0.1 53.1 0

1 765 0.14 51.4 0.15

2 751 0.18 50.6 0.3

3 746 0.2 49.3 0.44

4 726 0.24 48.3 0.59

5 703 0.27 46 0.72

6 686 0.3 44.3 0.84

7 676 0.32 43.4 0.98

8 639 0.35 40 1.08

9 627 0.38 38.8 1.2

10 604 0.41 37.8 1.31

12 573 0.46 34.3 1.5

13 551 0.48 32.1 1.57

14 544 0.5 31.6 1.67

15 502 0.51 29.8 1.72

16 488 0.53 28.6 1.78

Pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, pengujian dilakukan dengan menggunakan 18 lampu pembebanan. Data yang diperoleh pada variasi keepatan angin rata – rata 8,3 m/s ditunjukkan pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 8,3 m/s

Beban

Kecepatan Angin Rata - rata

Kecepatan Putar Poros

Gaya

Pengimbang Tegangan Arus

[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]

0

8.3

814 0.1 54.1 0

1 800 0.14 53.4 0.15

2 790 0.18 52.7 0.31

3 760 0.21 50.3 0.45

4 743 0.24 49.4 0.59

5 726 0.28 48.2 0.75

6 708 0.31 46.3 0.86

7 685 0.33 45.2 0.99

8 662 0.37 43.6 1.12

9 635 0.4 42.5 1.23

10 627 0.43 41.6 1.35

11 608 0.45 40.6 1.45

12 589 0.47 37.7 1.53

13 557 0.49 36.1 1.61

14 535 0.52 35.5 1.71

15 523 0.54 34.2 1.82

16 516 0.56 33.5 1.9

17 505 0.57 31.7 2

Pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s, pengujian dilakukan dengan menggunakan 19 lampu pembebanan. Data yang diperoleh pada variasi keepatan angin rata – rata 9,4 m/s ditunjukkan pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Data Pengujian Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 9,4 m/s

Beban

Kecepatan Angin Rata - rata

Kecepatan Putar Poros

Gaya

Pengimbang Tegangan Arus

[ m/s ] [ rpm ] [ kg ] [ V ] [ A ]

0

9.4

829 0.1 55.9 0

1 793 0.13 53.1 0.15

2 788 0.17 51.1 0.3

3 748 0.21 49.7 0.44

4 735 0.25 48.8 0.58

5 713 0.28 46.8 0.72

6 699 0.3 45.4 0.85

7 680 0.32 44 0.99

8 675 0.36 42.1 1.1

9 644 0.39 41 1.2

10 632 0.41 39.6 1.28

11 623 0.44 38.7 1.4

12 605 0.46 37.3 1.48

13 590 0.48 36.7 1.57

14 580 0.49 35.5 1.66

15 563 0.51 34.02 1.72

16 547 0.53 33.5 1.8

17 512 0.55 32.23 1.9

18 477 0.55 30.1 1.9

19 466 0.57 29.5 2

4.2 Pengolahan Data

Pengolahan data meliputi perhitungan daya yang dihasilkan oleh angin, daya mekanis yang dihasilkan kincir, daya listrik yang dihasilkan generator, torsi yang bekerja, tip speed ratio dan koefisien daya untuk menentukan unjuk kerja turbin

angin propeller 4 sudu berbahan komposit. Sebagai contoh perhitungan, diambil data dari beban 1 pada kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s. Data tersebut meliputi kecepatan angin rata – rata, kecepatan putar poros, gaya pengimbang, serta tegangan dan arus yang dihasilkan generator.

Untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari dengan persamaan (4) pada sub Bab 2.4.1, yaitu :

maka dengan diketahui densitas udara sebesar 1,18 kg/m3, diameter kincir angin 100 cm, dan kecepatan angin rata – rata sebesar 7,3 m/s diperoleh daya yang dihasilkan oleh angin sebesar :

⁄ ⁄

Untuk mengetahui torsi yang bekerja dapat dicari dengan persamaan (10) pada sub Bab 2.5.1, yaitu :

maka dengan gaya pengimbang sebesar 0,14 kg dan panjang lengan ayun yang tegak lurus dengan pusat poros 27,5 cm diperoleh torsi sebesar :

⁄

Dari nilai torsi tersebut, dapat diketahui daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir angin dengan persamaan (7) pada sub Bab 2.4.2, yaitu :

maka dengan diketahui torsi yang bekerja sebesar 0,378 Nm dan kecepatan putar poros 765 rpm diperoleh daya mekanis sebesar :

Untuk mengetahui daya listrik yang dihasilkan generator dapat dicari dengan persamaan (8) pada sub Bab 2.4.3, yaitu :

maka dengan tegangan yang dihasilkan generator sebesar 51,4 volt dan arus yang mengalir pada beban sebesar 0,15 A diperoleh daya listrik sebesar:

Untuk mengetahui koefisien daya dari perbandingan daya mekanis yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari menggunakan persamaan (9) pada sub Bab 2.4.4, yaitu :

maka dengan diketahui daya mekanis yang dihasilkan kincir sebesar 30,257 watt dan daya yang dihasilkan angin sebesar 183,129 watt diperoleh koefisien daya sebesar :

Untuk mengetahui koefisien daya dari perbandingan daya listrik yang dihasilkan generator dengan daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari dengan persamaan di atas, yaitu :

maka dengan diketahui daya listrik yang dihasilkan generator sebesar 7,71 watt dan daya yang dihasilkan angin sebesar 183,129 watt diperoleh koefisien daya sebesar :

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan di ujung sudu dengan kecepatan angina atau tip speed ratio dapat dicari menggunakan persamaan (13) pada sub Bab 2.5.2, yaitu :

maka dengan kecepatan putar poros 765 rpm, kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, dan jari – jari kincir 50 cm diperoleh tip speed ratio sebesar :

_⁄

Hasil pengolahan data pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s untuk semua beban ditunjukkan pada Tabel 4.4

Tabel 4.4 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 7,3 m/s

Beban Torsi Daya Angin

Daya Mekanis

Daya

Listrik TSR

CP (mekanis)

CP (listrik)

[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]

0 0.270 180.265 22.516 0 5.7166 12.4905 0 1 0.378 180.265 30.257 7.71 5.4870 16.7845 4.2770 2 0.486 180.265 38.189 15.18 5.3866 21.1852 8.4210 3 0.540 180.265 42.150 21.692 5.3507 23.3824 12.0334 4 0.647 180.265 49.224 28.497 5.2073 27.3066 15.8084 5 0.728 180.265 53.623 33.12 5.0423 29.7467 18.3730 6 0.809 180.265 58.140 37.212 4.9204 32.2526 20.6430 7 0.863 180.265 61.112 42.532 4.8487 33.9013 23.5942 8 0.944 180.265 63.183 43.2 4.5833 35.0501 23.9648 9 1.025 180.265 67.310 46.56 4.4972 37.3397 25.8287 10 1.106 180.265 69.960 49.518 4.3322 38.8097 27.4696 11 1.214 180.265 74.243 50.26 4.1888 41.1856 27.8812 12 1.241 180.265 74.463 51.45 4.1099 41.3078 28.5414 13 1.295 180.265 74.718 50.397 3.9521 41.4489 27.9572 14 1.349 180.265 76.842 52.772 3.9019 42.6274 29.2747 15 1.376 180.265 72.328 51.256 3.6006 40.1230 28.4338 16 1.430 180.265 73.068 50.908 3.5002 40.5336 28.2407

Berdasarkan perhitungan data dari beban 1 pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, didapat pula hasil pengolahan data lainnya pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s dan 9,4 m/s yang ditunjukkan pada Tabel 4.5 dan Tabel 4.6

Tabel 4.5 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 8,3 m/s

Beban Torsi Daya Angin

Daya Mekanis

Daya

Listrik TSR

CP (mekanis)

CP (listrik)

[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]

0 0.270 256.406 22.996 0 5.0196 8.9686 0 1 0.378 256.406 31.641 8.01 4.9333 12.3401 3.1239 2 0.486 256.406 40.173 16.337 4.8716 15.6675 6.3715 3 0.567 256.406 45.088 22.635 4.6866 17.5847 8.8278 4 0.647 256.406 50.377 29.146 4.5818 19.6472 11.3671 5 0.755 256.406 57.428 36.15 4.4770 22.3973 14.0987 6 0.836 256.406 62.005 39.818 4.3660 24.1822 15.5293 7 0.890 256.406 63.861 44.748 4.2241 24.9061 17.4520 8 0.998 256.406 69.197 48.832 4.0823 26.9874 19.0448 9 1.079 256.406 71.757 52.275 3.9158 27.9856 20.3876 10 1.160 256.406 76.167 56.16 3.8665 29.7055 21.9027 11 1.214 256.406 77.294 58.87 3.7493 30.1452 22.9596 12 1.268 256.406 78.207 57.681 3.6321 30.5010 22.4959 13 1.322 256.406 77.105 58.121 3.4348 30.0713 22.6675 14 1.403 256.406 78.594 60.705 3.2991 30.6520 23.6753 15 1.457 256.406 79.786 62.244 3.2251 31.1169 24.2755 16 1.511 256.406 81.633 63.65 3.1820 31.8375 24.8239 17 1.538 256.406 81.320 63.4 3.1141 31.7152 24.7264 18 1.592 256.406 79.339 57.195 2.9353 30.9429 22.3064

Tabel 4.6 Pengolahan Data Pada Variasi Kecepatan Angin Rata – rata 9,4 m/s

Beban Torsi Daya Angin

Daya Mekanis

Daya

Listrik TSR

CP (mekanis)

CP (listrik)

[ Nm ] [ watt ] [ watt ] [ watt ] [%] [%]

0 0.270 366.697 23.420 0 4.5374 6.3867 0 1 0.351 366.697 29.124 7.965 4.3404 7.9422 2.1721 2 0.459 366.697 37.845 15.33 4.3130 10.3204 4.1806 3 0.567 366.697 44.376 21.868 4.0941 12.1016 5.9635 4 0.674 366.697 51.911 28.304 4.0229 14.1563 7.7186 5 0.755 366.697 56.400 33.696 3.9025 15.3805 9.1890 6 0.809 366.697 59.242 38.59 3.8259 16.1555 10.5237 7 0.863 366.697 61.474 43.56 3.7219 16.7641 11.8790 8 0.971 366.697 68.649 46.31 3.6945 18.7210 12.6289 9 1.052 366.697 70.955 49.2 3.5248 19.3496 13.4171 10 1.106 366.697 73.203 50.688 3.4592 19.9629 13.8228 11 1.187 366.697 77.441 54.18 3.4099 21.1185 14.7751 12 1.241 366.697 78.622 55.204 3.3114 21.4405 15.0544 13 1.295 366.697 80.006 57.619 3.2293 21.8180 15.7130 14 1.322 366.697 80.289 58.93 3.1745 21.8951 16.0705 15 1.376 366.697 81.116 58.5144 3.0815 22.1208 15.9571 16 1.430 366.697 81.902 60.3 2.9939 22.3350 16.4441 17 1.484 366.697 79.554 61.237 2.8024 21.6948 16.6996 18 1.484 366.697 74.116 57.19 2.6108 20.2117 15.5960 19 1.538 366.697 75.040 59 2.5506 20.4637 16.0896

4.3 Pembahasan Grafik

Dari data hasil penelitian dan pengolahan data, maka dibuat grafik untuk melihat hubungan yang terjadi. Grafik yang dibuat adalah grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi, grafik hubungan daya output dan kecepatan putar poros untuk ketiga variasi kecepatan angin, grafik hubungan CP (mekanis) dengan TSR, dan grafik hubungan CP (listrik) dengan TSR.

4.3.1 Grafik Hubungan Kecepatan Putar Poros dan Torsi

Berdasarkan data pengujian dan pengolahan data maka dibuat grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi untuk melihat hubungan dari kecepatan putar poros dengan torsi.

Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan putar poros dan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin

Dari grafik hubungan torsi dan kecepatan putar poros, dapat dilihat kecepatan putar maksimum terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s dan torsi maksimum terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s. Berdasarkan tabel pengujian dan pengolahan data, kecepatan putar maksimum pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s adalah sebesar 829 rpm dan torsi maksimum pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s adalah sebesar 1,592 Nm. Pada grafik tersebut dapat dilihat pula bahwa grafik mengalami penurunan, dengan hubungan semakin besar torsi yang bekerja maka semakin rendah

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

K e ce p a ta n P u ta r P o ro s (r p m ) Torsi (Nm) Kecepatan Angin 7,3 m/s Kecepatan Angin 8,3 m/s Kecepatan Angin 9,4 m/s

kecepatan putar poros. Hal tersebut disebabkan oleh penambahan beban lampu yang diterima kincir.

4.3.2 Grafik Hubungan Daya Output dan Torsi

Berdasarkan data pengujian dan pengolahan data maka dibuat grafik hubungan daya ouput dan torsi untuk melihat hubungan dari daya output dengan torsi yang bekerja. Daya output disini meliputi daya mekanis atau daya yang dihasilkan kincir dan daya listrik yang dihasilkan generator. Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s dapat dilihat pada Gambar 4.2 berikut

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s

Pada grafik hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s, dapat dilihat bahwa grafik mengalami

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

D a y a O u tp u t (w a tt ) Torsi (Nm) Daya Mekanis Daya Listrik

peningkatan hingga titik tertentu, kemudian mengalami penurunan. Hal tersebut dikarenakan pada kondisi torsi tertentu, kincir bekerja secara optimal dan dapat menghasilkan daya keluaran maksimum. Berdasarkan Tabel 4.4, daya mekanis maksimum adalah sebesar 76,842 watt pada torsi 1,349 Nm dan daya listrik maksimum adalah sebesar 52,772 watt pada torsi 1,349 Nm. Hubungan yang terjadi pada grafik tersebut adalah semakin besar torsi yang bekerja, maka semakin besar daya output yang dihasilkan. Pada grafik tersebut dapat dilihat juga bahwa daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir lebih besar dibanding daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Hal tersebut disebabkan oleh pengurangan daya akibat kerja dari generator.

Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s dapat dilihat pada Gambar 4.3 berikut

Gambar 4.3 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

D a y a O u tp u t (w a tt ) Torsi (Nm) Daya Mekanis Daya Listrik

Pada grafik hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s, juga terjadi peningkatan hingga titik tertentu, kemudian mengalami penurunan. Hal tersebut juga dikarenakan kincir bekerja optimal dan dapat menghasilkan daya keluaran maksimum pada kondisi torsi tertentu. Berdasarkan Tabel 4.5, daya mekanis maksimum adalah sebesar 81,633 watt pada torsi 1,511 Nm dan daya listrik maksimum adalah sebesar 63,65 watt pada torsi 1,511 Nm. Pada grafik tersebut, hubungan yang terjadi adalah semakin besar torsi yang bekerja, maka semakin besar daya output yang dihasilkan. Selain itu, daya mekanis yang dihasilkan kincir juga lebih besar dibanding daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Hal tersebut juga diakibatkan oleh kerja dari generator.

Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s dapat dilihat pada Gambar 4.4 berikut.

Gambar 4.4 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

D a y a O u tp u t (w a tt ) Torsi (Nm) Daya Mekanis Daya Listrik

Seperti pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s dan 8,3 m/s, grafik hubungan daya output dengan torsi yang bekerja pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s, juga terjadi peningkatan hingga titik tertentu, kemudian mengalami penurunan. Hal tersebut juga dikarenakan kincir bekerja optimal dan dapat menghasilkan daya keluaran maksimum pada kondisi torsi tertentu. Berdasarkan Tabel 4.6, daya mekanis maksimum adalah sebesar 81,902 watt pada torsi 1,430 Nm dan daya listrik maksimum adalah sebesar 61,237 watt pada torsi 1,484 Nm. Hubungan yang terjadi pada grafik tersebut adalah semakin besar torsi yang bekerja, maka semakin besar daya output yang dihasilkan. Daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir juga lebih besar dibanding daya listrik yang dihasilkan oleh generator.

Untuk grafik hubungan daya mekanis sebagai daya output dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin dapat dilihat pada Gambar 4.5 berikut.

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output (mekanis) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

D a y a M e ka n is ( w a tt ) Torsi (Nm) Kecepatan Angin 7,3 m/s

Kecepatan Angin 8,3 m/s

Kecepatan Angin 9,4 m/s

Pada grafik hubungan daya output mekanis dengan torsi yang bekerja, dapat dilihat bahwa daya keluaran berupa daya mekanis tertinggi terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s. Berdasarkan tabel pengujian, daya mekanis terbesar terjadi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s yaitu sebesar 81,902 watt pada torsi 1,430 Nm. Perbedaan tersebut dikarenakan oleh pendekatan grafik yang digunakan. Pada grafik hubungan daya output mekanis dengan torsi di atas, dapat dilihat juga bahwa semakin tinggi kecepatan angin, maka semakin besar daya mekanis yang dihasilkan. Hal tersebut dikarenakan peningkatan kecepatan angin berpengaruh pada peningkatan kecepatan putar poros yang kemudian mempengaruhi daya mekanis.

Untuk grafik hubungan daya listrik sebagai daya output dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin dapat dilihat pada Gambar 4.6 berikut.

Gambar 4.6 Grafik hubungan daya output (listrik) dengan torsi untuk ketiga variasi kecepatan angin

0 10 20 30 40 50 60 70

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

D a y a L is tr ik (w a tt ) Torsi (Nm) Kecepatan Angin 7,3 m/s Kecepatan Angin 8,3 m/s Kecepatan Angin 9,4 m/s

73 LAMPIRAN

Lampiran 1. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s

Lampiran 2. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

K

e

ce

p

a

ta

n

P

u

ta

r

P

o

ro

s

(r

p

m

)

Torsi (Nm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80

K

e

ce

p

a

ta

n

P

u

ta

r

P

o

ro

s

(r

p

m

)

Lampiran 3. Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s

Lampiran 4. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0,00 0,40 0,80 1,20 1,60

K

e

ce

p

a

ta

n

P

u

ta

r

P

o

ro

s

(r

p

m

)

Torsi (Nm)

CP = (-9.240 TSR2_{) + (69.86 TSR) - 88.86}

R² = 0.989

0 10 20 30 40 50

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

P

(

%

)

Lampiran 5. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s

Lampiran 6. Grafik hubungan koefisien daya (mekanis) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s

CP = (-7.019 TSR2_{)+ (46.26 TSR) - 44.82}

R² = 0.988

0 5 10 15 20 25 30 35

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

p

(

%

)

TSR

CP = (-6.621 TSR2_{) + (39.07 TSR) - 35.84}

R² = 0.980

0 4 8 12 16 20 24

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

P

(

%

)

Lampiran 7. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s

Lampiran 8. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s

CP = (-10.06 TSR2_{) + (77.64 TSR) - 119.4}

R² = 0.983

0 5 10 15 20 25 30 35

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

P

(

%

)

TSR

CP = (-7.779 TSR2_{) + (51.41 TSR) - 60.94}

R² = 0.991

0 5 10 15 20 25

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

P

(

%

)

Lampiran 9. Grafik hubungan koefisien daya (listrik) dengan tip speed ratio pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s

Lampiran 10. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar poros pada variasi kecepatan angin rata – rata 7,3 m/s

CP = (-5.827 TSR2_{) + (32.85 TSR) - 29.85}

R² = 0.991

0 3 6 9 12 15 18

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

C

P

(

%

)

TSR

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 200 400 600 800 1000

D

a

y

a

O

u

tp

u

t

(w

a

tt

)

Kecepatan Putar Poros (rpm)

Daya Mekanis Daya Listrik

Lampiran 11. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar poros pada variasi kecepatan angin rata – rata 8,3 m/s

Lampiran 12. Grafik hubungan daya output dengan kecepatan putar poros pada variasi kecepatan angin rata – rata 9,4 m/s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 200 400 600 800 1000

D

a

y

a

O

u

tp

u

t

(w

a

tt

)

Kecepatan Putar Poros (rpm)

Daya Mekanis Daya Listrik

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 200 400 600 800 1000

D

a

y

a

O

u

tp

u

t

(w

a

tt

)

Kecepatan Putar Poros (rpm)

Daya Mekanis Daya Listrik