unjuk kerja kincir angin sumbu horizontal dua … · 2018-03-24 · unjuk kerja kincir angin sumbu...

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SUMBU HORIZONTAL DUA

SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, BERDIAMETER 100 CM

DENGAN LEBAR MAKSIMAL 13 CM PADA JARAK 19 CM

DARI PUSAT POROS

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan

mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan oleh :

OKTAFIANUS DAMAR PRIYAMBADA

NIM : 125214040

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

THE PERFORMANCE OF TWO BLADES HORIZONTAL

AXIS WINDMILL MADE FROM COMPOSITE IN DIAMETER

OF 100 CM, WITH MAXIMUM BLADE WIDTH OF 13 CM

AND LENGTH OF 19 CM FROM AXIAL CENTER

FINAL PROJECT

Presented as partial fulfillment of the requirement

To obtain Sarjana Teknik degree

In Mechanical Engineering

By :

OKTAFIANUS DAMAR PRIYAMBADA

Student Number : 125214040

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016


iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR

Dengan ini penulis menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam Skripsi dengan

judul :

Unjuk Kerja Kincir Angin Sumbu Horizontal dua

Sudu berbahan Komposit, berdiameter 100 Cm

dengan lebar maksimal 13 Cm pada jarak 19 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 Skripsi yang sudah dipublikasikan di Perguruan tinggi

manapun. Kecuali bagian informasi yang dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat di : Yogyakarta

Pada tanggal : 24 Agustus 2016

Penulis

Oktafianus Damar Priyambada


v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK

KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : OKTAFIANUS DAMAR PRIYAMBADA

Nomor Mahasiswa : 125214040

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :

Unjuk Kerja Kincir Angin Sumbu Horizontal dua

Sudu berbahan Komposit, berdiameter 100 Cm

dengan lebar maksimal 13 Cm pada jarak 19 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 24 Agustus 2016

Yang menyatakan

Oktafianus Damar Priyambada


vii

ABSTRAK

Pemakaian energi terutama energi listrik sekarang ini sangat diperlukan

oleh setiap warga masyarakat. Jumlah pemakaiannya yang besar mengakibatkan

pemborosan sumber daya energi. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya

ide untuk menghasilkan energi alternatif yaitu energi terbarukan, contohnya yakni

angin. Kincir angin sebagai alat untuk mengubah energi menjadi energi listrik

,dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk

meneliti unjuk kerja kincir angin sumbu horizontal, berbahan komposit,

berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm, pada jarak 19 cm dari pusat

sumbu poros.

Kincir angin yang diteliti adalah kincir angin sumbu horizontal dua sudu

berbahan komposit berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak

19 cm dari pusat poros. Penelitian ini diarahkan pada tiga variasi kecepatan angin,

yaitu kecepatan angina 7,4 m/s, kecepatan angin 8,5 m/s dan kecepatan angin 9,5

m/s. Besarnya beban kincir dapat dilihat pada neraca pegas, putaran kincir angin

diukur mengunakan tachometer, kecepatan angin diukur menggunakan

anemometer, tegangan diukur dengan voltmeter ,dan arus yang mengalir diukur

menggunakan ampermeter.

Dari hasil penelitian ini, kincir angin dengan kecepatan angin 7,4 m/s

menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 30% pada tip speed ratio optimal

4,3 dengan daya output mekanis sebesar 55.9 watt dan torsi sebesar 0,8 N.m dan

daya output listrik sebesar 36.3 watt dan torsi sebesar 0.9 N.m. Kincir angin

dengan variasi kecepatan angin 8,5 m/s menghasilkan koefisien daya maksimal

sebesar 26% pada tip speed ratio optimal 3.9 dengan daya output mekanis sebesar

73.8 watt pada torsi sebesar 1,1 N.m dan daya output listrik sebesar 50.3 watt

pada torsi sebesar 1.05 N.m. Kincir angin dengan kecepatan angin 9,5 m/s

menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 22% pada tip speed ratio optimal

4.1 dengan daya output mekanis sebesar 88.6 watt pada torsi sebesar 1,1 N.m dan

daya output listrik sebesar 62.8 watt pada torsi sebesar 1,1 N.m. Dari ketiga

variasi angin yang sudah diteliti, dapat disimpulkan bahwa kincir angin dengan

kecepatan angin 7,4 m/s memiliki nilai koefisien daya maksimal dan tip speed

ratio paling tinggi.

Kata kunci : kincir angin sumbu horizontal, komposit, koefisien daya maksimal,

tip speed ratio.


viii

ABSTRACT

Nowadays the electricity power become one of the primary needs among the society.

Because of its large amount of usage, there is a large waste of the natural resources.

Meanwhile, the natural resources in the world is decreasing. Regarding this situation, creating

alternative energy by utilizing other resources, like wind, would help to solve the problem of

natural resources scarcity. Windmill is a tool to change wind energy into electricity power.

This research has aim to observe the performance of the horizontal axis, composite-headed

windmills

The object of this research is the horizontal axis, composite-headed windmills. The

diameter of the windmills is 100 cm and its maximum width is 13 cm at a distance of 19 cm

from the center axis of the shaft. This research was directed on the three various wind

velocity, namely 7,4 m/s, 8,5 m/s and 9,5 m/s. The magnitude of the load wheel could be seen

in the spring balance. The rotation of the windmill could be measured using tachometer. The

wind velocity was gauged using the anemometer. The voltage is measured by voltmeter while

the electrical current flowing was measured by ammeter.

The result of the research shows that windmills of which wind velocity is 7,4 m/s

could produce a maximum power coefficient of 30% at the optimum tip speed ration 4,3 with

mechanical output power of 55,9 watts and a torque of 0,8 Nm. Meanwhile, by having the

output power of the electricity at 36,3 watts, the produced torque is 0,9 Nm. Furthermore, the

windmills of which wind velocity is 8,5 m/s could produce a maximum power coefficient of

26% at the optimum tip speed ration 3,9 with mechanical output power of 73,8 watts and a

torque of 1,1 Nm. Meanwhile, by having mechanical output power of the electricity at 50,3

watts, the produced torque is 1,05 Nm. Then, the windmills of which wind velocity is 9,5 m/s

could produce a maximum power coefficient of 22% at the optimum tip speed ration 3,9 with

mechanical output power of 88,5 watts and a torque of 1,1 Nm. Meanwhile, by having

mechanical output power of the electricity at 62,8 watts, the produced torque is 1,1 Nm.

Regarding the result of research, it can be concluded that windmill of which wind velocity is

7,5 m/s can produce a maximum power coefficient and the highest tip speed ratio.

Keyword: horizontal axis wind turbines, composite, maximum power coefficient, tip speed

ratio


ix

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih

dan anugerah-Nya yang telah memberi kesempatan bagi penulis untuk dapat

menyelesaikan laporan tugas akhir dengan judul “UNJUK KERJA KINCIR

ANGIN DUA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT, BERDIAMETER 100 CM

DENGAN LEBAR MAKSIMUM 13CM PADA JARAK 19 CM DARI PUSAT

POROS” Laporan tugas akhir merupakan salah satu persyaratan bagi para

mahasiswa/mahasiswi untuk dapat menyelesaikan jenjang pendidikan S1 pada

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta. Dalam laporan tugas akhir ini membahas mengenai

perancangan, pembuatan kincir angin sumbu horizontal jenis , dan perbandingan

daya.

Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih 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 Ketua Program Studi Teknik Mesin.

3. Doddy Purwadianto, S.T.,M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

4. Dr. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

5. Seluruh dosen program studi Teknik Mesin yang telah mendidik dan

memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.

6. Seluruh staff Fakultas Sains dan Teknologi atas kerja sama dan dukungan

kepada penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir.

7. Markus Warsana dan Margareta Rumiyatun sebagai orang tua dari penulis,

serta Andreas Dhito Aldinata dan Clara Dhini Swastika sebagai saudara dari

penulis yang selalu berdoa, mendukung secara material dan yang lain – lain

kepada penulis.

8. Sahabat dan rekan - rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2012 khususnya

yang telah memberi kritik, saran, dan dukungan kepada penulis dalam

penyelesaian laporan tugas akhir.


x

9. Semua pihak yang tidak mungkin disebut satu persatu yang telah berperan serta

membantu penulis untuk dapat menyelesaikan laporan tugas akhir.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan – kekurangan yang

perlu diperbaiki pada pembuatan laporan tugas akhir, untuk itu penulis

mengharapkan saran dan kritikan yang membangun untuk menyempurnakan

laporan tugas akhir. Penulis mengharapkan semoga laporan tugas akhir ini

berguna dan bermanfaat untuk dapat memberikan sumbangan ilmu pengetahuan

bagi para mahasiswa khususnya, serta bagi para pembaca pada umumnya.

Yogyakarta, 24 Agustus 2016

Penulis


xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................................. i

TITLE PAGE ............................................................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ................................................................................... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ........................................................ v

LEMBAR PUBLIKASI ............................................................................................. vi

ABSTRAK ................................................................................................................. vii

ABSTRACT ............................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ............................................................................................... ix

DAFTAR ISI .............................................................................................................. xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xiv

DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .................................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ....................................................................................... 3

1.4 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3

1.5 Manfaat Penelitian .................................................................................... 3

BAB II DASAR TEORI

2.1 Angin ........................................................................................................ 5

2.1.1 Pengertian Angin ............................................................................ 5

2.1.2 Jenis Angin ..................................................................................... 6

2.2 Kincir Angin ............................................................................................. 10

2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal ...................................................... 10

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal .......................................................... 11

2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap TSR ............................................ 14

2.4 Rumus Perhitungan .................................................................................. 15


xii

2.4.1 Energi dan Daya Angin .................................................................. 15

2.4.2 Daya Mekanis ................................................................................. 16

2.4.3 Daya Listrik .................................................................................... 16

2.4.4 Koefisien Daya ............................................................................... 17

2.4.5 Torsi ............................................................................................... 17

2.4.6 Tip Speed Ratio .............................................................................. 17

2.5 Tinjauan Pustaka ...................................................................................... 19

2.6 Komposit .................................................................................................. 20

2.6.1 Kelebihan Komposit ....................................................................... 22

2.6.2 Kekurangan Angin ......................................................................... 22

2.7 Resin poliester .......................................................................................... 22

2.7.1 Kelebihan dan Kekurangan Resin .................................................. 23

2.8 Serat Fiberglass ........................................................................................ 24

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Tahap Penelitian ....................................................................................... 25

3.2 Alat dan Bahan ......................................................................................... 26

3.3 Desain Kincir ............................................................................................ 31

3.4 Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin .................................................... 31

3.4.1 Alat dan Bahan ............................................................................... 31

3.4.2 Proses Pembuatan Sudu / Blade .................................................... 32

3.4.2.1 Pembuatan Cetakan Sudu dengan Pipa PVC 8 inch ............... 32

3.4.2.2 Pembuatan Sudu / Blade ......................................................... 34

3.5 Langkah Penelitian ................................................................................... 37

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian ................................................................................ 38

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ............................................................ 40

4.3 Hasil Perhitungan ..................................................................................... 43

4.4 Grafik Hasil Perhitungan .......................................................................... 45


xiii

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 55

5.2 Saran ......................................................................................................... 55

Daftar Pustaka ............................................................................................................ 56

Lampiran .................................................................................................................... 57


xiv

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 2.1 Angin Laut 6

Gambar 2.2 Angin Darat 7

Gambar 2.3 Angin Lembah 8

Gambar 2.4 Angin Gunung 8

Gambar 2.5 Contoh Angin Muson Barat dan Angin Muson Timur 10

Gambar 2.6 American Windmill 12

Gambar 2.7 Cretan Sail Windmill 13

Gambar 2.8 Dutch Four Arm 13

Gambar 2.9 Kincir Angin Savonius 14

Gambar 2.10 Kincir Angin Darrius 14

Gambar 2.11 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dengan

Tips Speed Ratio (TSR) dari Beberapa Jenis Kincir 15

Gambar 2.12 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Penguatnya 21

Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian Kincir Angin 25

Gambar 3.2 Blade / Kincir 26

Gambar 3.3 Naf / Hap 27

Gambar 3.4 Fan Blower 27

Gambar 3.5 Anemometer 28

Gambar 3.6 Tachometer 28

Gambar 3.7 Timbangan Digital 29

Gambar 3.8 Voltmeter 29


xv

Gambar 3.9 Amperemeter 30

Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu 30

Gambar 3.11 Pembebanan Lampu 31

Gambar 3.12 Desain Kincir 31

Gambar 3.13 Pemotongan Pipa 32

Gambar 3.14 Mal / Cetakan Kertas 33

Gambar 3.15 Membentuk Pipa Dengan Mal Kertas 33

Gambar 3.16 Pembentukan Sudu Pada Pipa 34

Gambar 3.17 Pembentukan Sudu Pada Pipa 34

Gambar 3.18 Resin dan Harderner 35

Gambar 3.19 Pengolesan Cetakan Sudu yang Dilapisi Alumunium Foil 36

Gambar 3.20 Peletakan Serat Glass Pada Cetakaan Sudu. 36

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara cp mekanis dengan tsr kincir

angin sumbu horizontal dua sudu berbahan komposit,

berdiameter 100 cm dengan lebar 13 cm pada jarak 19

cm dari pusat poros

Gambar 4.2 Grafik hubungan CP listrik dengan TSR kincir angin

sumbu horizontal dua sudu berbahan komposit,

berdiameter 100cm dengan lebar maksimum 13cm pada

jarak 19 cm dari pusat poros 48

Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi tsr kincir



xvi

berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada

jarak 19 cm dari pusat poros 50

Gambar 4.4 Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi kincir


berdiameter 100cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak

19 cm dari pusat poros 51

Gambar 4.5 Grafik hubungan antar daya output dan torsi kincir angin

sumbu horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter

100 cm dengan lebar 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros

dengan kecepatan angin 7.4 m/s 52



100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari

pusat poros dengan kecepatan angin 8.5 m/s 53




pusat poros dengan kecepatan angin 9.5 m/s 54


xvii

DAFTAR TABEL

hal

Tabel 2.1 Tingkat Kecepatan Angin 5

Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu / Blade 32

Tabel 4.1 Data penelitian kincir kecepatan angin 7,4 m/s, kincir angin



pusat poros 38




pusat poros 39




pusat poros 39

Tabel 4.4 Data perhitungan kincir kecepatan angin 7,4 m/s sumbu

horizontal berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan

lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros 43

Tabel 4.5 Data penelitian kincir kecepatan angin 8,5 m/s, dua sudu

berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar 13 cm

pada jarak 19 cm dari pusat poros 44


xviii

Tabel 4.6 Data penelitian kincir kecepatan angin 9,5 m/s dua sudu

berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar

maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros 45


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada zaman sekarang kebutuhan energi listrik di Indonesia semakin

meningkat. Kebutuhan energi dapat meningkat secara bertahap, baik ditinjau dari

kapasitasnya, kualitasnya maupun ditinjau dari tuntutan distribusinya. Konsumsi

listrik di Indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan

pertumbuhan ekonomi nasional. Komsumsi listrik Indonesia yang begitu besar

akan menjadi masalah bila dalam penyediaannya tidak sejalan dengan kebutuhan.

Kebutuhan pasokan energi listrik yang terus-menerus dan berkualitas menjadi

tuntutan yang harus dipenuhi oleh negara. Untuk mengatasi pemenuhan

kebutuhan listrik ini, maka diperlukan sebuah sumber energi baru yang mampu

memenuhi kebutuhan listrik nasional yang semakin besar.

Angin, sebagai sumber yang tersedia di alam dapat dimanfaatkan sebagai

salah satu sumber energi listrik. Angin merupakan sumber energi yang tidak ada

habisnya sehingga pemanfaatan sistem perubahan energi angin akan berdampak

positif terhadap lingkungan. Hal ini dirasa sangat perlu untuk mengetahui lebih

dalam mengenai angin dan pembangkit listrik tenaga angin ini. Selain itu juga

perlu diketahui proses pembangkitan listrik tenaga angin ini sehingga dapat

dianalisa kelebihan dan kekurangannya dibandingkan dengan sistem pembangkit

listrik lain. . Untuk memanfaatkan energi angin, dibutuhkan sebuah alat yang

disebut turbin angin. Kincir angin adalah kincir yang digunakan untuk

membangkitkan tenaga listrik. Kincir angin ini pada awalnya dibuat untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,

keperluan irigasi, dan lain-lain.

Salah satu jenis turbin aau kincir 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


2

tanah. Kelebihan utama dari jenis ini adalah daya keluaran yang dihasilkan cukup

tinggi. Selain itu, jenis turbin ini dapat menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi

dibanding dengan jenis turbin angin sumbu vertikal, karena sudu 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 perpaduan

dari dua material atau lebih yang memiliki fase yang berbeda menjadi suatu

material baru yang memiliki propertis lebih baik dari keduanya. Jika perpaduan

ini terjadi dalam skala makroskopis maka disebut sebagai komposit Jika

perpaduan ini terjadi secara mikoroskopis (molekular level) maka disebut sebagai

alloy atau paduan. Keunggulan bahan komposit, diantaranya berat yang lebih

ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan

yang lebih murah.

Berdasarkan latar belakang tersebut, dilakukan pengujian terhadap unjuk

kerja turbin angin sumbu horizontal dua sudu berbahan komposi, berdiameter 100

cm, dengan lebar sudu maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sumbu

poros. Variasi kecepatan angin yang digunakan bertujuan untuk mengetahui

perbandingan unjuk kerja dari turbin angin tersebut.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari pengujian turbin angin sumbu horizontal ini adalah

sebagai berikut :

1. Indonesia merupakan salah satu negara yang memiliki potensi angin yang

besar.

2. Perlunya desain baru untuk pembangkit energi angin, yaitu kincir angin

sumbu horizontal dengan bahan komposit

3. Diperlukan bentuk atau tipe kincir angin yang cocok dan mampu

mengkonversi energi dengan efisiensi maksimal.


http://id.wikipedia.org/wiki/Korosi

http://id.wikipedia.org/wiki/Korosi

3

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Merancang dan membuat sudu kincir angin poros horizontal berbahan

komposit.

2. Mengetahui unjuk kerja turbin angin horizontal berbahan komposit

berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari

pusat sudu poros.

3. Mengetahui nilai coefisien performance (Cp) dan mengetahui Tip Speed Ratio

(TSR) turbin angin sumbu horizontal berbahan komposit berdiameter 100 cm

dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat sudu poros.

1.4 Batasan Masalah

Penelitian kincir angin ini dibatasi:

1. Model kincir angin yang digunakan adalah jinis kincir angin sumbu

horizontal dua sudu, berbahan komposit berdiameter 100 cm, dengan lebar

maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros.:

2. Menggunakan komposit poliester sebagai bahan dasar pembuatan sudu.

3. Penelitian dilakukan dengan menggunakan wind tunnel dengan keceparan

angin rata-rata 7.4 m/s, 8.5 m/s dan 9,5 m/s.

4. Menggunakan lampu sebagai pembebananan.

5. Pengujian dilakukan di dalam laboratorium Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

1.5 Manfaat Penelitian

Pengujian terhadap unjuk kerja turbin angin sumbu horizontal dua sudu

berbahan komposi, berdiameter 100 cm, dengan lebar sudu maksimum 13 cm

pada jarak 19 cm dari pusat poros ini diharapkan dapat memberikan manfaat

sebagai berikut :

1. Memaanfaatkan informasi mengenai unjuk kerja kincir angin sumbu

horizontal


4

berbahan komposit berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada

jarak 19 cm dari pusat poros.

2. Menambah informasi mengenai salah satu teknologi pembangkit listrik yang

ramah lingkungan.

3. Menambah informasi mengenai penggunaan kincir angin sumbu horizontal

sebagai selah satu alternatif dalam pemanfaatan energi terbarukan.

4. Turut serta dalam upaya mengurangi kerusakan lingkungan akibat

penggunaan energi yang berlebihan dan tidak dapat diperbaharui.


5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Angin

2.1.1 Pengertian Angin

Angin adalah udara yang bergerak, angin terjadi karena perbedaan tekanan di

permukaan bumi. Angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah.

Perbedaan tekanan ini disebabkan oleh perbedaan penerimaan dan penyerapan

panas matahari oleh bumi. Energi angin dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit

listrik tenaga angin (PLTA) dengan memanfaatkan turbin angin atau kincir angin.

Cara kerjanya cukup sederhana, angin memutar kincir angin yang kemudian

memutar rotor pada generator yang terletak dibagian belakang. Energi listrik yang

dihasilkan bisa dimanfaatkan secara langsung, ataupun disimpan dengan

menggunakan battery. Kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan

energi listrik dapat dilihat pada Tabel 2.1.

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 keatas

3 1,6 – 3,3 Asap bergerak mengikuti arah angina

4 3,4 – 5,4 Wajah terasa ada angin, daun bergoyang,

petunjuk arah angin bergerak

5 5,5 – 7,9 Debu jalanan dan kertas berterbangan, ranting

pohon bergoyang

6 8,0 – 10,7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar

7 10,8 – 13,8 Ranting pohon besar bergoyang, air kolam

bergoyang kecil

8 13,9 – 17,1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin


6

terasa di telinga

9 17,2 – 20,7 Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat

melawan arah angin

10 20,8 – 24,4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumah

rubuh

11 24,5 – 28,4 Dapat merubuhkan pohon dan menimbulkan

kerusakan

12 28,5 – 32,5 Dapat menimbulkan keruskan parah

13 32,6 – 42,3 Angin Topan

Sumber : hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. diakses Mei 2016.

Batas minimum untuk menggerakkan kincir ialah angin kelas 3 dan batas

maksimum adalah angin kelas 8.

2.1.2 Jenis-jenis angin

1. Angin Laut

Angin laut adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di tepian danau

dan di sepanjang garis pantai di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari laut atau

danau menuju daratan. Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas daratan mengalami

pemanasan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga

tekanan udara diatas daratan lebih rendah dibandingkan di atas permukaan laut

atau danau seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Angin Laut


7

Sumber : https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-

cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/ diakses Mei 2016.

2. Angin Darat

Angin darat adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di tepian danau

dan di sepanjang garis pantai di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari darat

menuju laut. Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas daratan mengalami

pendinginan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga

tekanan udara diatas permukaan laut atau danau menjadi lebih rendah

dibandingkan di atas daratan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Angin Darat.

Sumber : https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan

cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/ diakses Mei 2016.

3. Angin Lembah

Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan

pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari lembah menuju gunung.

Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pemanasan lebih

cepat dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan gunung

menjadi lebih rendah dibandingkan di atas permukaan lembah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.3.


https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/

https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/

https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dancuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/

https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dancuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/

8

4. Angin Gunung.

Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan

pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah.

Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pendingin lebih cepat

dibandingkan di atas permukaan lembah, sehingga tekanan udara di atas

permukaan lembah menjadi lebih rendah di atas permukaan gunung seperti yang


Gambar 2.3 Angin Lembah

Sumber:http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-

angin.html. diakses Mei 2016.

Gambar 2.4 Angin Gunung

Sumber : http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-

angin.html diakses Mei 2016.


http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html

http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html

http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html%20diakses%20Mei%202016

http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html%20diakses%20Mei%202016

9

5. Angin Muson

Angin muson yang terjadi di Indonesia ada dua, yaitu muson barat dan muson

timur. Angin ini disebabkan adanya perbedaan tekanan udara dua benua yang

mengapit kepulauan Indonesia, yaitu Benua Asia yang kaya perairan dan Australia

yang kering. Angin Musim/Muson Barat adalah angin yang mengalir dari benua

Asia (musim dingin) ke Benua Australia (musim panas) dan mengandung curah

hujan yang banyak di Indonesia bagian barat, hal ini disebabkan karena angin

melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra. Contoh perairan dan

samudra yang dilewati adalah Laut China Selatan dan Samudra Hindia. Angin

Musim Barat menyebabkan Indonesia mengalami musim hujan. Angin ini terjadi

pada bulan Desember, Januari dan Februari, dan maksimal pada bulan januari

dengan Kecepatan Minimum 3 m/s. Angin Musim/Muson Timur adalah angin

yang mengalir dari Benua Australia( musim dingin) ke Benua Asia (Musim

panas) sedikit curah hujan ( kemarau) di Indonesia bagian timur karena angin

melewati celah-celah sempit dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan

Victoria). Ini yang menyebabkan indonesia mengalami musim kemarau. Terjadi

pada bulan juni, juli dan Agustus, dan maksimal pada bulan juli seperti yang



10

Gambar 2.5 Contoh angin muson barat dan angin muson timur.

Sumber : http://www.berpendidikan.com/2015/06/macam-macam-angin-beserta-

contoh-gambar-dan-penjelasannya.html diakses Mei 2016.

2.2 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga

menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan

dinegara – negara Eropa khususnya Belanda dan Denmark yang pada waktu itu

banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, penggilingan gandum

dan pembangkit tenaga listrik.

Dilihat dari posisi porosnya turbin angin dapat dibedakan menjadi 2 yaitu

Turbin Angin Sumbu Horizontan ( TASH) dan Turbin Angin Sumbu Vertikal

(TASV). Turbin Angin Sumbu Horizontal adalah turbin angin yang mempunyai

sumbu putar sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor searah

dengan arah angin. Sedangkan turbin angin sumbu vertical adalah turbin angin

yang mempumyai sumbu putar tegak lurus dengan permukaan tanah dan sumbu

putar rotor tegak lurus dengan arah angin.


http://www.berpendidikan.com/2015/06/macam-macam-angin-beserta-contoh-gambar-dan-penjelasannya.html

http://www.berpendidikan.com/2015/06/macam-macam-angin-beserta-contoh-gambar-dan-penjelasannya.html

11

2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal

Kincir Angin Poros Horisontal atau propeler adalah kincir angin yang

memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan

arah angina. Kincir angin Poros Horisontal ini memiliki jumlah bilah lebih dari

dua, kincir angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aerodinamis yang

bekerja pada suatu kincir.

Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal:

Kelebihan kincir angin poros horisontal:

1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.

2. Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju

rotor.

3. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.

4. Memiliki efisiensi yang tinggi (Hendra Dermwan, 2015)

Kekurangan kincir angin poros horisontal:

1. Memiliki desain yang lebih rumit karena membutuhkan perngkat tambahan

untuk mengatur arah, selain itu penempatan generator di atas tower dapat

menambah beban turbin (Hendra Dermwan, 2015 ).

2. Perawatan lebih rumit dikarnakan letak komponen-komponen berada diatas

tower.

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin poros vertikal atau Vertikal Axis Wind Turbin (VAWT) adalah

salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin

atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala

arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi

yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal. Beberapa jenis kincir

angin poros Vertikal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada

Gambar 2.7

Kelebihan dan kekurangan kincir angin poros vertikal adalah:

Kelebihan kincir angin poros vertikal:

1. Kerja Turbin tidak dipengaruhi arah angin(Hendra Dermwan, 2015).


12

2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah(Hendra Dermwan, 2015).

Kekurangan kincir angin poros vertikal:

1. Kecepatan angin dibagian bawah sangat rendah apabila tidak memakai tower

akan menghasilkan putaran yang rendah juga(Hendra Dermwan, 2015).

2. Evisiensi lebih rendah dibandingkan turbin angin sumbu horizontal(Hendra

Dermwan, 2015).

Adapun jenis jenis turbin angin sumbu horizontal yang sering kita jumpai

dibandingakan turbin angin sumbu vertikal, yaitu:

1. American Windmill

American windmill dirancang oleh Daniel Halladay pada tahun 1857.

Sebagaian besar digunakan untuk mengangkat air dari sumur, sedangkan untuk

versi yang lebih besar digunakan untuk penambangan dan penggilingan padi serta

memotonng jerami

Gambar2.6 American Windmill

Sumber : (xaharts.org)

2. Cretan sail windmill

Dibuat pada tahun 1973, dengan bahan atau matrial utama yang terbuat dari

kayu dan sebuah kain di sudutnya


13

Gambar 2.7 Cretan sail windmill

(Sumber : pinterest.com)

3. Dutch Four Arm

Desain rancangan turbin angin ini bisa dibilang sederhana dan mungkin pada

awalnya dari rancangan kincir angin yang asli,karena bentuk dan bahan

matrialnya terbuat dari kayu dan tana lliat serta jumblah sudunya . model turbin

angin ini sangat terkenal dibelanda oleh karena itu kita menyebutnya sebagai

Negara kincir angin.

Gambar 2.8 Dutch Four Arm

(Sumber :travelwriterstales.com)

Sedangkan turbin angin sumbu vertical memiliki beberapa jenis yang sudah

umum dikenal dan kembangkan:


http://travelwriterstales.com/15amsterdam.htm

14

1. Kincir angin savonius

Kincir angin savonius pertama kali ditemukan oleh Sigurd J Savonius yang

berasal dari negara Filandia pada tahun 1922.

Gambar 2.9 kincir angin savonius

(Sumber : www.ecosources.info)

2. Kincir angin darrius

Darrius sama dengan savonius namun desain sudu menggunakan sisten

airfoil. Desain ini dipatenkan oleh Georges Darrius pada tahun 1927.

Gambar 2.10 kincir angin Darrius

(Sumber : www.wind-works.org)


http://www.ecosources.info/en/topics/Savonius_vertical_axis_wind_turbine

http://www.wind-works.org/cms/index.php?id=64&tx_ttnews%5Btt_news%5D=2194&cHash=d1b21f3bd1f35d9e4804f1598b27bd86

15

2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr

Menurut Albert Betz Ilmuan Jerman bahwa koefisien daya maksimal dari

kincir angin adalah sebesar 59% seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 dia

menamai batas maksimal tersebut dengan Betz limit. Untuk lebih jelasnya dapat

dilihat pada Gambar 2.3.

.

Gambar 2.11 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya

(Cp) dengan Tips Speed Ratio (TSR) dari

beberapa jenis kincir.

(Sumber : www.gunturcuplezt.com) diakses Mei 2016.

2.4 Rumus Perhitungan

Berikut ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk melakukan

perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.

2.4.1 Energi dan Daya Angin

Energi angin merupakan sumber daya alam yang terbarukan yang memiliki

jumlah tidak terbatas di sekitar permukaan bumi. 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) pada udara. Perbedaan massa jenis ini menyebabkan perbedaan

tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida dan menghasilkan angin.

Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau permukaan bumi yang dilalui


http://www.gunturcuplezt.com/

16

oleh aliran angin dan perbedaan temperatur permukaan bumi. Energy yang

terdapat di angin adalah energy kinetic, energy ini dapat dituliskan dalam

peramaan berikut:

𝐸 =1

2𝑚𝑣2 (1)

dimana :

E : energy kinetic (joule)

m : massa (kg)

v : kecepatan angin (m/s)

Daya merupakan energy per satuan waktu, maka dari persamaan di atas dapat

dituliskan:

𝑃𝑖𝑛=

1

2�̇�𝑣2 (2)

dimana:

Pin : daya yang dihasilkan angin, j/s (watt) .

�̇� : massa udara yang mengalir persatuan waktu (kg/s)

Massa udara yang mengalir per satuan waktu adalah:

�̇� = 𝜌𝐴𝑣 (3)

dimana:

�̇� : massa jenis udara (1,18kg/m3)

A : luas penampang keseluruhan (m2)

Dengan menggunakan persamaan 3, maka daya angin dapat dirumuskan menjadi:

𝑃𝑖𝑛 =1

2(𝜌𝐴𝑣)𝑣2 ,yang dapat disederhanakan menjadi:

𝑃𝑖𝑛 =1

2𝜌𝐴𝑣3 (4)

2.4.2 Daya Mekanis

Daya mekanis adalah daya yang dihasilkan turbin angin dengan cara

mengonfersikan energi kinetik menjadi energi mekanik.

Daya mekanis dapat ditulis dengan persamaan berikut:

𝑃 = 𝑇𝜔 (5)

dimana:

T : torsi (Nm)


17

ω : kecepatan sudut (rad/s)

Sedangkan persamaan dari kecepat sudut didapat dari

𝜔 =2𝜋.𝑛

60 (6)

dimana:

n : putaran poros (rpm)

Dengan demikian daya mekanik dapat dinyatakan dengan persamaan:

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇2𝜋.𝑛

60 (7)

dimana:

Pout : daya yang dihasilkan kincir angin (watt)

2.4.3 Daya Listrik

Daya listrik adalah daya yang dihasilkan oleh putaran generator, daya listrik

dapat ditulis dengan persamaan berikut:

𝑃𝐿 = 𝑉. 𝐼 (8)

dimana:

PL : daya listrik (Watt)

V : teganggan (Volt)

I : arus yang mengalir pada beban (Amper)

2.4.4 Koefisien Daya

Koefisien Daya (Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan

perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan daya yang

disediakan oleh angin (Pin). Sehingga Cp dapat dirumuskan :

𝐶𝑝 =𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 (9)

dimana:

CP : koefisien daya


18

Pout : daya yang dihasilkan kincir (watt)

Pin : daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

2.4.5 Torsi

Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya

dorong pada sumbu turbin kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhadap

sumbu poros yang berputar, dengan persamaan berikut:

𝑇 = 𝐹. 𝑙 (10)

dimana:

T : torsi yang dihasilkan dari putaran poros (Nm)

l : panjang lengan torsi ke poros (m)

F : gaya (N)

2.4.6 Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

Turbin angin yang berputar dengan kecepatan angin

𝑡𝑠𝑟 =𝑉𝑡

𝑣 (11)

dimana:

Vt : kecepatan ujung sudu

v : kecepatan angin (m/s)

Persamaan dari kecepatan ujung sudu yaitu:

(𝑉𝑡) = 𝜔. 𝑟 (12)

dimana:

𝜔 : kecepat sudut (rad/s)

r : jari-jari kincir (m)

Dari persamaan 11 dan 12 maka tsr dapat dirumuskan sebagai berikut

𝑡𝑠𝑟 =𝜋.𝑟.𝑛

30.𝑣 (13)


19

dimana:

r : jari-jari kincir angin (m)

n : putaran poros (rpm)

2.5 Tinjauan Pustaka

Ada beberapa tinjauan pustaka yang menjadi contoh atau ukuran dalam

penelitian yang akan dilakukan. Tinjaun pustaka yang dipilih sebagai ukuran

dalam penelitian ini dilihat dari performa kiincir angin yang telah diteliti sebelum

nya.

Penelitian kincir angin jenis propeler bersirip yang dipakai petani garam di

pesisir pantai utara Jawa menunjukkan bahwa sudut sirip pada sudu sangat

berpengaruh terhadap karakteristik kincir. Hasil penelitian menunjukkan bahwa

nilai Cp maksimum 21% pada kincir plat datar bersirip dengan sudut kemiringan

100. Karakteristik kincir pada variasi sudut sirip antara 100 sampai dengan 400

menunjukkan bahwa prestasi kincir mengalami penurunan seiring bertambahnya

sudut kemiringan sirip sudu baik nilai efisiensi atau koefisien daya,Cp dan putaran

poros yang dihasilkan, 819 rpm (sudut sirip 100, tanpa beban) dan terendah 473

rpm (sudut sirip 400, tanpa beban) pada kecepatan angin sekitar 8,5 m/detik, tetapi

torsi mengalami kenaikan seiring bertambahnya sudut sirip sudu pada kecepatan

angin yang sama. Kincir model propeler plat datar bersirip mempunyai prestasi

sangat baik jika sudut sirip antara 100 – 200. (Doody Purwadianto, 2013)

Telah berhasil dibuat kincir angin propeler tiga sudu menggunakan variasi

sudut sektor lingkaran pada pangkal sudu kincir dengan pembagian sudut 70˚, 80˚

dan 90˚ berbahan dasar kayu jenis tripleks (plywood) dengan diameter sudu kincir

yaitu 80 cm. Kincir angin dengan sudut potong sudu 70° menghasilkan koefisien

daya maksimal 30% pada tip speed ratio 2,8. Kincir angin dengan sudut potong

sudu 80° menghasilkan koefisien daya maksimal 23% pada tip speed ratio 2,1.

Kincir angin dengan sudut potong sudu 90° menghasilkan koefisien daya

maksimal 27% pada tip speed ratio 2,4. Kincir angin dengan sudut potong 70˚

menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio paling tinggi dibandingkan


20

variasi sudut potong sudu 80˚ dan 90˚ yaitu dengan koefisien daya maksimal 30%

pada tip speed ratio 2,8. (Yulius hendra F, P., 2015)

2.6 Komposit

Komposit adalah suatu matrial yang terbentuk dari dua atau lebih matrial

sehingga dihasilkan matrial komposit yang mempunyai sifat mekanik dan

karakteristik yang berbeda dari matial pembentuknya.

Komposit terdiri dari dua bahan utama utama yaitu:

1. Matriks

Matrial yang berfungsi sebagai perekat atau pengikat dan pelindung filler

(pengisi) dari kerusakan eksternal.

2. Filler (Pengisi)

Matrial yang berfungsi sebagai penguat dari matriks. Filler yang umum

digunakan adalah carbon, glass, aramid, Kevlar.

Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang

digunakan:

1. Fibrous composites

Fibrous composites (komposit serat) merupakan komposit yang terdiri dari

satu lapisan atau dua lapisan yang menggunakan penguat berupa serat/fiber. Fiber

yang digunakan bisa berupa glass fibers,carbon fiber, dan aramid fibers. Fiber ini

bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam

bentuk yang lebih komplek seperti anyaman.

2. Laminad composites

Laminad composites ( komposit laminat) merupakan komposit yang terdiri

dari dua lapisan atau lebih yang digabungkan menjadi satu dan setiap lapisan

memiliki karakteristik sifat sendiri.

3. Particulate composites


21

Particulate composites (komposit partikel) merupak komposit yang

menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata

dalam matriknya.

Gambar 2.12 Klasifikasi komposit berdasarkan penguatnya

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

1. 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.

2. 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 temperature tinggi, memiliki kekuatan tekan dan geser

yang baik, dan tidak menyerap kelembapan.

3. 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 terhadap

temperature tinggi.


22

2.6.1 Kelebihan komposit

Keunggulan bahan komposit adalah :

1. Struktur lebih ringan, kuat.

2. Tahan terhadap berbagai kondisi lingkungan yang buruk.

3. Perbaikan struktur komposit dapat dilakukan dengan mudah.

4. Sifat – sifat bahan komposit dapat dibuat disesuaikan dengan karakteristik

beban dan kondisi lingkungan kerja.(Maryono Ismail, 2009)

2.6.2 Kekurangan komposit

Disamping keunggulan di atas, komposit mempunyai kelemahan antara

lain:

1. komposit bersifat anisotropik yang memiliki sifat berbeda antara satu lokasi

orientasi dengan lokasi / orientasi lainnya.

2. komposit tidak aman terhadap serangan zat-zat tertentu.

3. komposit relatif mahal.

4. komposit memerlukan pembuatan relatif lama dan mahal. (Viktor Malau,

2010)

2.7 Resin poliester

Resin Polyester merupakan jenis resin termoset atau lebih populernya

sering disebut polyester. Resin ini berupa cairan dengan viskositas yang

relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa

menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya.

(Hendriwan Fahmi, et all., 2011)

Resin polyester terbagi menjadi beberapa jenis antara lain :

1. Polyester (Orthophtalic)

Merupakan salah satu tipe resin yang memiliki daya tahan yang baik

terhadap proses korosi air laut dan reaksi kimia.


23

2. Polyester (Isophtalic)

Sifat resin ini memiliki daya tahan yang baik terhadap panas dan larutan

asam, memiliki kekerasan yang lebih tinggi, serta kemampuan menahan resapan

air (abesion) yang lebih baik bila dibandingkan dengan resin tipe Orthophtalic.

2.7.1 Kelebihan dan kekurangan resin

Jenis polimer yang sering dipakai adalah resin polyester yang memiliki

kelebihan-kelebihan: ringan, mudah dibentuk, tahan korosi dan murah. Tetapi

polyester juga memiliki kekurangan karena sifat dasarnya kaku dan rapuh

sehingga sifat mekaniknya lemah terutama ketahanan terhadap uji impact.

2.8 Serat

Serat adalah jenis bahan yang berupa potongan-potongan komponen yang

membentuk jaringan memanjang yang utuh. Jenis-jenis serat berdasarkan asalnya

dibedakan menjadi dua yaitu serat alami dan serat buatan atau sintetis. Serat yang

paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah serat pada kain.

Manusia sendiri telah menggunakan serat dalam banyak hal antar lain untuk

membuaat benang, kain atau kertas.

Serat dapat digolongan menjadi dua jenis yaitu:

1. Serat alam

Serat alam adalah serat yang dihasilkan oleh tanaman, hewan, dan proses

geologis. Serat jenis ini sangat ramah lingkungan karena dapat mengalami

pelapukan.

2. Serat buatan atau sintetis

Serat sintetis terbuat dari bahan pertokimia. Sarat buatan terbentuk dari

polimer-polimer yang berasal dari alam maupun polimer-polimer buatan yang

dibuat dengan cara kopolimeran senyawa-senyawa kimia.cara pembuatan serat ini

menggunakan cairan yang disemprotkan melalui lubang-lubang kecil. Salah satu

yang termasuk serat buatan atasu sintetis adalah serat fiber atau fiber glass.


24

2.8.1 Serat Glass

Serat glass adalah bahan yang tidak mudah terbakar,serat jenis ini biasanya

digunakan sebagai penguat matik jenis polimer. Serat mempunyai karakteristik

yang berbeda antara satu dengan yang lain. Pada penggunaannya serat glass

disesuaikan dengan sifat atau karakteristik yang dimilikinya. Keunggulan serat

glass terletak pada rasio harga dan performance yaitu biaya produksi rendah,

proses produksi sederhana. Serat glass banyak digunakan di industri-industri

otomotif seperti pada panel-panel bodi kendaraan, bahkan pada kendaraan roda

dua seluruh bodi terbuat dari komposit yang berpenguat serat glass.

Serat gelas terbagi menjadi 3 jenis antara lain sebagai berikut ; serat E-

glass, serat C-glass dan serat S- glass (Istanto, 2006). Sifat - sifat serat gelas

dapat dilihat pada tabel 2.4


25

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tahapan Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perencanaan kincir hingga

analisis data. Langkah kerja dalam penelitian ini dalam bentuk gambar diagram

alir seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1

Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian kincir angin.

Mulai

Perancangan kincir angin propeller dua sudu

Pembuatan kincir angin sumbu horizontal dua sudu bahan komposit,

berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari

pusat poros

Pengambilan data, untuk mengetahui:

V : teganggan (Volt),

I: arus yang mengalir pada beban (Amper)

l :panjang lengan torsi ke poros (m)

Pengolahan data untuk mencari koefisien daya , Pin, Pout, torsi, tip speed

ratio. Membandingan koefisien daya dan tip speed ratio pada masing –

masing variasi kecepatan angin.

Analisa serta pembahasan data dan pembuatan laporan

Selesai


26

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 propeler dilakukan di Laboratorium

Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi

dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk

memutar fan blower yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir.

3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi)

Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap

objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeler pada wind tunnel.

3.2 Alat dan Bahan

Model kincir angin propeler dengan bahan komposit Kincir ini dibuat

dengan diameter 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 berputar. Semua

sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu kincir angin yang dibuat dapat

dilihat pada Gambar 3.3

Gambar 3.2. Blade / Sudu.


27

2. Naf / hub.

Hap atau dudukan sudu 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 dan beddiameter 15

cm, untuk mengatur sudu kemiringan cukup memutar kemiringan plat dudukan

sudu. Posisi plat dudukan dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan

Dudukan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.3

Gambar 3.3 Naf / hub

3. Fan blower.

Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan

blower dengan power sebesar 15 Hp. Gambar 3.4 akan menunjukan bentuk dari

fan blower.


28

Gambar 3.4 Fan Blower

4. Anemometer.

Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, dan juga

digunakan untuk mengukur suhu angin di sekitar lingkungan. Gambar 3.5

menunjukan bentuk dari anemometer.

Gambar 3.5 Anemometer.

6. Tachometer.

Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran

poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (rotation per minute). Jenis

tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup

sederhana meliputi 3 bagian, yaitu: Sensor, pengolah data dan penampil. Gambar

3.6 menunjukan bentuk tachometer.


29

Gambar 3.6 Tachometer.

7. Timbangan Digital.

Timbangan Digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat

kincir angin berputar. Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari Timbangan Digital

yang digunakan dalam penelitian. Timbangan Digital ini diletakan pada bagian

lengan generator.

Gambar 3.7 Timbangan Digital.

8. Voltmeter.

Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan yang dihasilkan kincir angin

oleh setiap variasinya. Gambar Voltmeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.8

Gambar 3.8 Voltmeter.


30

9. Amperemeter.

Ampermeter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh Kincir

Angin dengan setiap variasinya. Gambar Ampermeter seperti ditunjukan oleh

Gambar 3.9 Ampermeter

.

Gambar 3.9 Amperemeter.

10. Pembebanan.

Pembebanan yang dilakukan dengan menggunakan lampu bermaksud

untuk mengetahui performa kincir angin. Variasi voltase lampu yang diberikan

bermaksud supaya data yang dihasilkan lebih bervariasi. Lampu yang digunakan

adalah lampu 75 Watt sebanyak 5 buah, dan lampu 25 Watt sebanyak 5 buah

Skema rangkaian lampu pembebanan dapat dilihat di Gambar 3.10 dan Gambar

pembebanan lampu seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.11 Pembebanan lampu.

Gambar 3.10 Skema Pembebanan Lampu.


31

Gambar 3.11 Pembebanan lampu.

3.3 Desain Kincir.

Desain kincir angin yang dibuat seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.6.

Gambar tersebut menunjukan bahwa kincir angin yang dibuat panjang

diameternya berukuran 100m dengan lebar maksimum sudu 13cm. Gambar 4.6

menunjukan desain dari sudu kincir angin.

Gambar 3.12 Desain kincir.

3.4 Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin

3.4.1 Alat dan Bahan

Pembuatan sebuah sudu / blade merupakan proses yang dilakukan secara

bertahap serta membutuhkan alat dan bahan, seperti yang ditunjukkan oleh tabel

3.1


32

Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu / Blade.

3.4.2 Proses Pembuatan Sudu / Blade

Dalam proses pembuatan sudu / blade dilakukan dengan beberapa tahapan.

tahapan – tahapan pembuatan sudu seperti berikut:

3.4.2.1 Pembuatan Cetakan Pipa

1. Memotong pipa 8 inchi dengan panjang 50 cm.

Pipa 8 inchi berfungsi sebagai mal / cetakan dari proses pembuatan sudu

blade kincir angin yang mana bahan yang digunakan adalah komposit. Proses

memotong menggunakan gerinda dengan panjang pipa yang diinginkan adalah 50

cm. Setelah pipa dipotong, kemudian pipa di belah dua. Hal ini bertujuan pada

saat pembentukan pipa dengan mal kertas agar lebih mudah dilakukan. Pipa yang

digunakan adalah Pipa Wavin D 8 inchi, Pemotongan pipa seperti yang

ditunjukkan oleh gambar 3.13

Gambar 3.13 Pemotongan Pipa.

ALAT BAHAN

Bor Pipa 8 Inchi

Gerinda Hardener

Ampelas Resin

Timbangan Serat gelas

Kertas Karton Alumunium foil

Kuas Cat Semprot

Gergaji Besi Dempul

Gunting Plat Alumunium


33

2. Membentuk Mal / cetakan kertas.

Mal atau cetakan kertas mempermudah pembentukan pipa menjadi sebuah

sudu / balde. Mal ditempelkan pada pipa kemudian pipa ditandai sesuai dengan

mal menggunakan spidol. Mal / cetakan kertas seperti yang ditunjukkan oleh

gambar 3.14

.

Gambar 3.14 Mal / Cetakan Kertas.

3. Membentuk pipa dengan mal kertas.

Pipa yang telah ditandai oleh mal ketas, kemudian dipotong menggunakan

gerinda. Proses pembentukan ini dilakukan secara bertahap, pemotongan di mulai

dari garis mal yang mudah dipotong. Proses pembentukan pipa seperti yang

ditunjukkan oleh gambar 3.15

Gambar 3.15 Membentuk pipa dengan mal kertas.

4. Menghaluskan pipa.

Setelah pipa yang telah dibentuk sesuai dengan bentuk dari mal kertas,

kemudian pinggiran pipa dihaluskan. Hal ini bertujuan untuk mencapai sebuah

presisi ukuran dan estetika dari pipa.


34

Gambar 3.16 Pembentukan sudu pada pipa.

3.2.2.2 Pembuatan sudu / blade.

1. Pelapisan cetakan pipa.

Setelah cetakan dari pipa telah siap, kemudian dilanjutkan pada tahap dua

yaitu pembuatan sudu/blade. Sebelum perpaduan dari resin dan harderner

dioleskan dipermukaan cetakan. Mal pipa dilapisi dengan alumunium foil. Hal ini

bertujuan agar cetakan dengan sudu yang telah jadi tidak menempel, pelapisan

cetakan seperti yang terlihat pada gambar 3.17

2. Pencampuran Resin dan Harderner.

Pencampuran resin dan harderner dilkakukan dengan perbandingan 10:1.

Resin berfungsi untuk mengeraskan campuran dan harderner adalah bahan yang

dikeraskan. Pencampuran kedua bahan seperti yang ditunjukkan pada gambar

3.18.

Gambar 3.17 Pelapisan Mal.


35

Gambar 3.18 Resin dan Harderner.

3. Pembuatan Sudu / Blade.

Dalam membuat sebuah sudu dengan bahan komposit yang terdiri dari Resin,

Harderner dan Serat Glass. Proses pembuatan sudu / blade dilakukan secara

berulang dan cepat. Karena saya mengharapkan sebuah sudu yang jadi nanti nya

terdiri dari empat lapis serat glass. Di antara lapisan kedua dan ketiga serat glass

diberikan sebuah plat alumunium pada pangkal sudu yang berukuran 2 cm x 10

cm. Pemberian sebuah plat pada lapisan serat glass bertujuan untuk menambah

ketahanan pangkal sudu terhadap gaya tekan yang diberikan oleh baut. Langkah –

langkah pembuatan sudu sebagai berikut:

a. Mengoleskan campuran resin dan harderner pada permukaan pipa yang telah

dilapisi alumunium foil menggunakan spon/karet kotak. Mengoleskan

campuran resin dan harderner seperti yang ditujukkan oleh gambar 4.3.

b. Menempelkan lapisan pertama serat glass pada cetakan yang telah dioleskan

campuran resin dan harderner. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.4.

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

d. Menempelkan lapisan kedua serat glass kedua.

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

f. Menempelkan lapisan ketiga serat glass.

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

8. Pengeringan sudu / Blade.

Setelah proses pembuatan sudu selesai dilakukan, kemudian sudu / blade


36

dikeringkan dengan cara dijemur dibawah matahari. Proses pengeringan yang

dilkukan dibawah matahari memerlukan waktu paling lama 1 hari.

Gambar 3.19 Pengolesan cetakan sudu yang dilapisi alumunium foil.

Gambar 3.20 Peletakan serat glass pada cetakaan sudu.

4. Finishing sudu / blade.

Proses finishing sudu / blade meliputi: Pemotongan, Penghalusan,

Pengurangan berat sudu, Pendempulan dan pewarnaan sudu / blade. Pengurangan

berat sudu yang dimaksud adalah menyamakan berat sudu menjadi 185 gram

menggunakan timbangan duduk digital.


37

5. Pembuatan Lubang Baut.

Pembuatan Lubang pada sudu dilakukan menggunakan bor dengan diameter

lubang baut 6mm

.

3.5 Langkah Penelitian

Langkah yang dilakukan sebelum pengambilan data penelitian adalah

pemaasangan kincir angin di depan fan blower, pemasangan komponen poros

penghubung kincir angin dengan sistem pembebanan lampu yang berada di

bagian belakang kincir Angin. Proses pengambilan data Kecepatan Angin, Putaran

Poros (rpm), tegangan, arus listrik dan pembebanan kincir angin ada beberapa hal

yang perlu dilakukan yaitu:

a. Poros kincir di hubungkan dengan mekanisme pembebanan lampu.

b. Memasang Blade / Sudu pada dudukan sudu.

c. Memasang anemometer pada tiang di depan kincir angin untuk mengukur

kecepatan angin.

d. Memasang timbangan digital pada lengan generator.

e. Memasang generator pada poros kincir angin.

f. Merangkai pembebanan lampu pada generator.

g. Jika sudah siap, fan blower dihidupkan untuk memutar kinicr angin.

h. Percobaan pertama kincir Angin dua sudu dengan kecepatan angin 9,5 m/s,

percobaan kedua kincir angin dua sudu dengan kecepatan 8,5 m/s, percobaan

ketiga kincir angin dua sudu dengan kecepatan angin 7,4 m/s.

i. Untuk mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara

memundurkan jarak gawang Kincir Angin terhadap fan blower agar dapat

menentukan variasi kecepatan angin.

j. Bila kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang

diinginkan, maka pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa

pengimbang yang terukur pada timbangan digital.

k. Mengukur kecepatan angin dengan menggunakan anemometer dan kecepatan

kincir angin dengan mengunakan Tachometer.

l. Mengamati selama waktu yang telah ditentukan.


38

BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data hasil penelitian

Berikut ini adalah hasil data dari penelitian kincir angin sumbu horizontal dua

sudu berbahan komposit. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel 4.1, Tabel 4.2 ,

dan Tabel 4.3

Tabel 4.1 Data penelitian kincir kecepatan angin 7,4 m/s, kincir angin sumbu

horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan

lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros.

Beban

Kecepatan Angin

Kecepatan Putar Poros Massa Tegangan Arus

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

0

7,4

901 0.1 63.9 0

1 887 0.14 61.2 0.13

2 846 0.16 60.7 0.25

3 805 0.18 57 0.36

4 773 0.2 54.1 0.48

5 752 0.24 52.9 0.6

6 711 0.25 49.6 0.67

7 689 0.27 46.1 0.72

8 660 0.3 44.8 0.78

9 619 0.32 42.3 0.84

10 588 0.33 41 0.88

11 561 0.34 37.8 0.92

12 545 0.36 36.7 0.99


39

Tabel 4.2 Data penelitian kincir kecepatan angin 8,5 m/s, kincir angin sumbu

horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar

maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros.

Beban

Kecepatan Angin Kecepatan

Putar Poros Massa Tegangan Arus

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

0

8.5

999 0.1 68.3 0

1 987 0.14 66.8 0.17

2 960 0.19 64.1 0.34

3 943 0.23 62.7 0.5

4 883 0.26 58.7 0.66

5 847 0.29 55.4 0.76

6 793 0.31 51.2 0.85

7 737 0.33 48.5 0.92

8 693 0.35 45.8 1.02

9 671 0.37 44.4 1.12

10 652 0.39 41.2 1.22

11 637 0.41 38.1 1.25

12 597 0.41 37.9 1.3

Tabel 4.3 Data penelitian kincir kecepatan angin 9,5 m/s, kecepatan angin sumbu



Beban

Kecepatan Angin Kecepatan

Putar Poros Massa Tegangan Arus

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

0

9.5

1097 0.1 75.1 0

1 1085 0.14 72.1 0.17

2 1036 0.18 68.9 0.34

3 1004 0.23 66.1 0.5

4 960 0.27 63.2 0.65


40

5 939 0.3 60.3 0.79

6 864 0.32 56.6 0.95

7 824 0.34 54.7 1.05

8 797 0.36 52.1 1.16

9 772 0.39 49.7 1.24

10 747 0.42 47.2 1.33

11 644 0.43 40.8 1.34

12 613 0.44 39.1 1.38

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

Pengolahan data menggunakan berbagai asumsi untuk mempermudah dalam

proses perhitungan, yaitu percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2) dan massa jenis

udara (1,18kg/m3).

Sebagai contoh perhitungan diambil data dari beban 1 pada kecepatan angin

rata-rata 8,5 m/s. data tersebut meliputi kecepatan angin, kecepatan putar poros,

massa yang bekerja, serta tenaga dan arus yang dihasilkan generator.

Untuk mengetahui daya yang dihasilkan oleh angin dapat dicari dengan

menggunakan persamaan (4) pada sub bab 2.4.1

maka dengan diameter kincir angin 100 cm densitas udara sebesar 1,18 kg/m3, dan

kecepatan angin 8,5 m/s diperoleh daya yang dihasilkan angin sebesar:

Jadi daya yang dihasilkan oleh angin sebesar watt


41

Untuk mengetahui torsi yang bekerja pada kecepatan angin 8,5 m/s dapat dicari

menggunakan persamaan (10) pada sub bab 2.4.5

Maka dengan massa yang bekerja sebesar 0,1 kg dan panjang lengan ayun yang

tegaklurus dengan pusat poros 27,5 cm diperoleh torsi sebesar:

Jadi torsi yang dihasilkan oleh kincir angin sebesar 0.27 Nm

Dari nilai torsi yang didapat, maka kita dapat mengetahui daya mekanis yang

dihasilkan oleh kincir angin dengan menggunakan persamaan (9) dapat sub bab 2.4.4

Dengan diketahui torsi yang bekerja sebesar 0.27 Nm dan kecepatan putar poros

sebesar 999 diperoleh daya mekanis sebesar:

Jadi daya mekanis yang dihasilkan oleh kincir angain sebesar 28.2 watt

Untuk mengetahui daya listrik yang dihasilkan oleh generator dapat dicari

menggunakan persamaan 10 pada sub 2.4.5 yaitu:

Dengan tegangan yang dihasilkan generator sebesar 66,8 volt dan arus yang mengalir

pada beban sebesar 0,17 ampere, dapat diketahui dayalistrik sebesar:


42

Jadi daya listrik yang dihasilkan generator sebesar 0 watt

Untuk mengetahui koefisien daya dari perbandingan daya mekanis yang

dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan angin dapat dicari dengan

menggunakan persamaan (11) pada sub bab 2.4.6 yaitu:

Maka dengan diketahui daya mekanis yang dihasilkan kincir sebesar 28.2 watt dan

daya yang dihasilkan angin sebesar 281.4 watt, diperoleh koefisien daya sebesar:

Jadi koefisien daya dari perbandingan daya mekanis yang dihasilkan kincir dengan

daya yang dihasilkan oleh angin sebesar 10.02 %

Untuk mengetahui koefisien daya dari perbanding daya listik yang dihasilkan

generator dengan daya yang dihasilkan angin.

Maka dengan diketahui daya daya listrik yang dihasilkan generator sebesar 0 watt

dan daya yang dihasilkan angin sebesar 284.6 watt diperoleh koefisien daya listrik

sebesar:

Jadi koefisien daya dari perbandingan daya listrik yang dihasilkan kincir dengan

daya yang dihasilkan oleh angin sebesar 0 %


43

Untuk mengetahui besarnya tip speed ratio dapat dicari menggunakan

persamaan (6) pada sub bab 2.4.2 yaitu:

Dengan kecepatan angin 8,5 m/s ,jari-jari kincir 50 cm dan kecepatan putar poros

987, maka didapat tip speed ratio sebesar;

Jadi tip speed ratio yang dihasilkan oleh kincir angin sebesar 6.2

4.3 Hasil Perhitungan

Pengujian kincir angin sumbu horizontal bahan komposit jenis propeller dua

sudu diperoleh data-data seperti berikut ;

Dari pengujian yang telah dilakukan diperoleh data-data yang dapat dilihat di

tabel 4.4

Tabel 4.4 Data perhitungan kincir kecepatan angin 7,4 m/s sumbu horizontal

berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm

pada jarak 19 cm dari pusat poros.

Beban

Daya

Angin

Rata -

rata

Daya

Kincir

Daya

Listrik Torsi

TSR

CP

mekanis

CP

listrik

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

0 181.4 25.5 0 0.3 6.4 14 0

1 181.4 35.08 7.9 0.4 6.3 19 4

2 181.4 38.3 15.2 0.4 6.1 21 8


44

3 181.4 40.9 20.5 0.5 5.8 22 11

4 181.4 43.7 25.9 0.5 5.5 24 14

5 181.4 50.9 31.7 0.6 5.4 28 17

6 181.4 50.2 33.2 0.7 5.1 27 18

7 181.4 52.6 33.2 0.7 4.9 28 18

8 181.4 55.9 34.9 0.8 4.7 30 19

9 181.4 55.9 35.5 0.9 4.4 30 19

10 181.4 54.8 36.08 0.9 4.2 30 19

11 181.4 53.9 34.8 0.9 4.0 29 19

12 181.4 55.4 36.3 0.9 3.9 30 20

Tabel 4.5 Data penelitian kincir kecepatan angin 8,5 m/s, dua sudu berbahan

komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar 13 cm pada jarak 19 cm dari

pusat poros.

beban

Daya Angin

Daya Kincir

Daya Listrik

Torsi TSR

CP mekanis

CP listrik

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

0 281.4 28.9 0 0.3 6.2 10 0

1 281.4 39.03 11.4 0.4 6.1 13 4

2 281.4 51.5 21.8 0.5 5.9 18 7

3 281.4 61.3 31.3 0.6 5.8 21 11

4 281.4 64.9 38.7 0.7 5.4 23 13

5 281.4 69.4 42.1 0.8 5.2 24 14

6 281.4 69.4 43.5 0.8 4.9 24 15

7 281.4 68.7 44.6 0.9 4.5 24 15

8 281.4 68.5 46.7 0.9 4.3 24 16

9 281.4 70.1 49.7 0.99 4.1 24 17

10 281.4 71.8 50.3 1 4.03 25 17

11 281.4 73.8 47.6 1.1 3.9 26 16

12 281.4 69.1 49.2 1.1 3.7 24 17


45

Tabel 4.6 Data penelitian kincir kecepatan angin 9,5 m/s dua sudu berbahan

komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak

19 cm dari pusat poros.

beban Daya Angin

Daya Kincir

Daya Listrik

Torsi TSR

CP mekanis

CP listrik

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

0 392.4 30.9 0 0.3 6.07 7 0

1 392.4 42.9 12.6 0.4 6.0 10 3

2 392.4 52.6 23.4 0.5 5.7 13 5

3 392.4 65.2 33.05 0.6 5.6 16 8

4 392.4 73.2 41.08 0.7 5.3 18 10

5 392.4 79.6 47.6 0.8 5.2 20 12

6 392.4 78.1 53.8 0.8 4.9 19 13

7 392.4 79.1 57.4 0.91 4.7 20 14

8 392.4 81.05 60.4 0.97 4.4 20 15

9 392.4 85.05 61.6 1.0 4.3 21 15

10 392.4 88.6 62.8 1.1 4.1 22 15

11 392.4 78.2 54.7 1.2 3.6 19 13

12 392.4 76.2 53.9 1.2 3.4 19 13

4.4 Grafik hasil perhitungan

Pengolahan data yang dilakukan pada sub bab 4.2 dan 4.3 didapatkan hasil

grafik. Grafik-grafik hubungan tersebut antara lain grafik hubungan koefisien daya

mekanis dengan tip speed ratio untuk ketiga variasi, grafik hubungan koefisien daya

listrik dengan tip speed ratio untuk ketiga variasi, grafik hubungan torsi dengan

kecepatan putar poros untuk ketiga variasi, dan grafik hubungan antara daya out put

dengan kecepatan putar poros untuk tiap variasi


46

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara CP mekanis dengan TSR kincir angin

sumbu horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100

cm dengan lebar maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat

poros.

Dari grafik pada gambar 4.1 dapat dilihat bahwa kecepatan angin rata rata 7,4

m/s memiliki koefisien daya lebih besar dari variasi kecepatan angin lainnya. Dengan

persamaan yang tertera pada grafik dapat diketahui cp maksimum pada tsr optimal.

Sebagai contoh digunakan persamaan pada variasi kecepatan angin 7,4 m/s.

Persamaan pada variasi kecepatan angin 7,4 m/s sebagai berikut:

Dengan menggunakan analisis matismatis dicari :


47

Setelah nilai trs optimal diketahui selanjutnya dapat mengetahui Cp maksimal

dengan cara mensubtitusikan tsr kedalam persamaan di atas, hasil dari Cp maksimal

adalah sebagai berikut;

3.043tsr2 + 25.848tsr - 24.345

Dari contoh perhitungan di atas didapat Cp maksiamal pada trs optimal untuk

masing -masing variasi kecepatan angin. Untuk kecepatan angin 7,4 m/s didapat cp

maksimalnya sebesar 30% pada tsr optimal 4,3, pada kecepatan angin 8,5 m/s cp

maksimal sebesar 26% pada tsr optimal 4.49 dan untuk variasi kecepatan angin rata-

rata 9,5 m/s didapat cp maksimal sebesar 21% pada trs optimal 4.27.

Hasil yang didapat dari persamaan ketiga variasi di atas dapat diketahui bahwa

untuk variasi kecapatan angin 7,4 m/s memeiliki efesiensi lebih baik dari kedua

variasi lainnya. Hal ini dikarenakan variasi angin kecepatan 7,4 m/s memiliki

perbandingan antara daya output dan daya input lebih rendah dari kedua variasi angin

lainnya.


48

Gambar 4.2. Grafik hubungan CP listrik dengan TSR kincir angin sumbu horizontal

dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar


Dari grafik pada gambar 4.2 dapat dilihat bahwa kecepatan angin 7,4 m/s memiliki

koefisien daya lebih besar dari variasi kecepatan angin lainnya. Dengan persamaan

yang tertera pada grafik dapat diketahui cp maksimum pada tsr optimal. Sebagai

contoh digunakan persaan pada variasi kecepatan angin 7,4 m/s. persamaan pada

variasi kecepatan angin 7.4 m/s sebagai berikut:

y = -4.4924tsr2 + 39.566tsr - 66.921

Dengan menggunakan analisis matismatis dicari:


49

Setelah nilai trs optimal diketahui selanjutnya dapat mengetahui Cp maksimal

dengan cara mensubtitusikan tsr kedalam persamaan diatas, hasil dari Cp maksimal

adalah sebagai berikut;

Dari contoh perhitungan di atas didapat Cp maksiamal pada trs optimal untuk

masing masing variasi kecepatan angin. Untuk kecepatan angin 7,4 m/s didapat cp

maksimalnya sebesar 20% pada tsr optimal 4.4, pada kecepatan angin 8,5m/s cp

maksimal sebesar 17% pada tsr optimal 4.03, dan untuk variasi kecepatan angin 9,5

m/s didapat cp maksimal sebesar 15% pada trs optimal 4.1.

Hasil yang didapat dari persamaan ketiga variasi diatas dapat diketahui bahwa

untuk variasi kecapatan angin 7,4 m/s memeiliki efesiensi lebih baik dari kedua

variasi lainnya. Hal ini dikarenakan variasi angin kecepatan rata-rata 7,4 m/s

memiliki perbandingan antara daya output dan daya input lebih rendah dari kedua

variasi angin lainnya.


50

Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi tsr kincir angin sumbu


maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros

Gambar 4.3 memperlihakan bahwa setiap ada kenaikan torsi maka putaran

poros akan turun hal ini disebab kan karena ada penambahan beban, saat beban

ditambahkan maka akan terjadi peningkatan atau kenaikan torsi namun pristiwa ini

member dapak terhadap putaran yang akitbanya akan mengalami penurunan rpm


51

Gambar 4.4 Grafik hubungan kecepatan putar poros dengan torsi kincir angin sumbu

horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100cm dengan lebar

maksimum13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros.

Gambar 4.4 memperlihakan bahwa setiap ada kenaikan torsi maka putaran

poros akan turun hal ini disebab kan karena ada penambahan beban, saat beban

ditambahkan maka akan terjadi peningkatan atau kenaikan torsi namun pristiwa ini

member dapak terhadap putaran yang akitbanya akan mengalami penurunan rpm.


52

Gambar 4.5 Grafik hubungan antar daya output dan torsi kincir angin sumbu

horizontal dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar 13

cm pada jarak 19 cm dari pusat poros dengan kecepatan angin 7.4 m/s

Dari tabel 4.5 yang diperoleh pada perhitungan sebelumnya dapat digunakan

untuk membut grafik hubungan antara daya output dengan torsi. Pada gambar 4.4

menunjukan bahwa nilai daya output mengalami titik puncak pada besaran torsi

tertentu.

Untuk daya output mekanis mengahasilkan daya puncak sebesar 55.9 watt pada

torsi sebesar 0,8 N.m sedangkan daya output listrik mengalami daya puncak sebesar

36.3 watt pada torsi sebesar 0.9 N.m


53

Gambar 4.6 Grafik hubungan antar daya output dan torsi kincir angin sumbu


maksimum 13 cm pada jarak 19 cm dari pusat poros dengan kecepatan angin

8.5 m/s


untuk membut grafik hubungan antara daya output dengan torsi. Pada gambar

4.56menunjukan bahwa nilai daya output mengalami titik puncak pada besaran torsi

tertentu.


torsi sebesar 1.1 N.m sedangkan daya output listrik mengalami daya puncak sebesar



54

Gambar 4.7 Grafik hubungan antar daya output dan torsi kincir angin sumbu horizontal

dua sudu berbahan komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13

cm pada jarak 19 cm dari pusat poros dengan kecepatan angin 9.5 m/s


untuk membut grafik hubungan antara daya output dengan torsi. Pada gambar 4.7

menunjukan bahwa nilai daya output mengalami titik puncak pada besaran torsi

tertentu.


torsi sebesar 1.1 N.m sedangkan daya output listrik mengalami daya puncak sebesar



55

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari penelitian kincir angin sumbu horizontal berbahan lomposit tiga sudu

dengan tiga kecepatan variasi angin yang sudah, maka dapat disimpulkan;

1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horizontal dua sudu berbahan komposit

dengan desain dari potongan pipa pvc 8’’ berdiameter 1 meter.

2. Pada variasi kecepatan angin 9.5 m/s menghailkan torsi tertinggi 1.2Nm,

sedangkan variasi kecepatan angin 8.47 m/s menghasilkan torsi tertinggi 1.1Nm,

dan variasi kecepatan angin 7.4 m/s menghasilkan torsi tertinggi 0.9Nm.

3. Kincir angin dengan variasi kecepatan angin rata-rata 9,5 m/s menghasilkan

koefisien daya maksimum sebesar 22% dan TSR optimal 4.1, sedangkan kincir

angin dengan variasi kecepatan angin rata-rata 8.5 m/s menghasilkan koefisien

daya maksimum sebesar 26% dan TSR optimal 3.9, dan kincir angin dengan

variasi kecepatan angin rata-rata 7.4 m/s menghasilkan koefisien daya

maksimum sebesar 30% dan TSR optimal 4.4.

5.2 Saran

Setelah melakukan penelitian penulis member beberapa saran yang dapat

dijadikan perhatian untuk penelitian selanjutnya

1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan variasi tambahan ekor pada sudu

kincir.

2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang pengurangan berat sudu dan

jumlah lapisan serat.

3. Perlu dilakukan uji coba dengan variasi kecepatan angin yang lebih rendah (3

m/s - 6 m/s), mengingat karakteristik angin di Indonesia cenderung rendah.


56

DAFTAR PUSTAKA

Daryanto,Y., 2007, “Kajian Potensi angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga

Bayu”,Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005.

Pengelolaan Energi Nasional.

Dermawan, H., 2012, “ Perancangan Turbin Angin Savonius L Sumbu

Vertikal.”,Program Study Teknik Elektro,FT UMRAH.

Sari, Eka., 2012,“ Belanda Sang Negeri Kincir Angin”,

http://www.1powerbloger.com.

Ginting, Soeripno, J., 1993, “Pemasangan dan Uji Coba Pemanfaatan Kincir

Angin Poros Horisontal.”, Lembaga Fisika Nasional LIPI,Bandung

Aji, Riangga. 2011 : Pengaruh Variasi Tinggi Sudu Terhadap Performansi

Vertical Axis Wind TurbineJenis Savonius Type-U”, Jurusan Teknik

Mesin FakultasTeknikUniversitas Brawijaya

Yulius Hendra F, P., (2015),” Unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu

berbahan dasar kayu berlapis pelat seng dengan sudu-sudu dari

belahan dinding silinder .“ Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

.http://www.kincirangin.info/plta-gambar.php. diakses Mei 2016

http://www.xahart.blogspot.com, diakses 15 Mei 2016

http://www.ecosources.info.com, diakses 15 Mei 2016

http://www.wind-work.com, diakses 15 Mei 2016

http://www.intechopen.com, diakses 15 Mei 2016


http://www.1powerbloger.com/

http://www.kincirangin.info/plta-gambar.php

http://www.xahart.blogspot.com/

http://www.ecosources.info.com/

http://www.wind-work.com/

http://www.intechopen.com/

56

LAMPIRAN

Lamp.1 Grafik hubungan koefisien daya mekanis dengan tip speed ratio untuk

kecepatan angin 7,4 m/s torsi kincir angin sumbu horizontal bahan

komposit, berdiameter 100 cm dengan lebar maksimum 13 cm dan jarak

dari pusat poros 19 cm

0

5

10

15

20

25

30

35

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR

Kecepatan angin 7.4m/s



57





0

5

10

15

20

25

30

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR



58





0

5

10

15

20

25

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR



59

Lamp.4 Grafik hubungan koefisien daya listrik dengan tip speed ratio untuk




0

5

10

15

20

25

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR

kecepatan angin 7.4m/s


60





0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR



61





0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Cp

(%

)

TSR



62

Lamp.7 Grafik hubungan antara kecepatan putar poros dengan torsi untuk




0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Pu

tara

nP

oro

s(r

pm

)

Torsi(N/m)

Kecepatan angin 7.4


63





0

200

400

600

800

1000

1200

0,000 0,500 1,000 1,500

Pu

tara

nP

oro

s(r

pm

)

Torsi(N/m)

Kecepatan angin 8.5


64





0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0,000 0,500 1,000 1,500

Pu

tara

N P

oro

s(r

pm

)

Torsi(N/m)

Kecepatan angin 9.5


unjuk kerja kincir angin sumbu horizontal dua … · 2018-03-24 · unjuk kerja kincir angin sumbu...

Documents