PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE (HAWT) UNTUK DAERAH PANTAI SELATAN JAWA

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh: AHMAD SAYOGO

20120130216

PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

i

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE

HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

(HAWT) UNTUK

DAERAH PANTAI SELATAN JAWA

TUGAS AKHIR

Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Mencapai Derajat Strata-1

Fakultas Teknik Program Studi Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun oleh:

Ahmad Sayogo

20120130216

PROGRAM STUDI S.1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

ii

“PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE

HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE (HAWT) UNTUK DAERAH

PANTAI SELATAN JAWA “ ini adalah asli hasil karya saya dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan Tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta,

Ahmad Sayogo 20120130216

iii

Motto

“Selesaikan apa yang sudah kamu mulai”

“

Tak ada masalah yang tak dapat

diselesaikan”

iv

1. Bapak dan Ibuku tercinta, Darwoto dan Sri Lertari, terimakasih atas didikan, kasih sayang, kesabaran, kepercayaan dan dukunganmu selama ini, sehingga aku mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. Dimasa depan kelak aku akan membuatmu bangga dengan karya-karyaku.

2. Alfa Widi Astuti S.Hut. kakak tercinta yang telah memberikan motivasi untuk sukses semuda mungkin, saya harap kakak lebih sukses daripada saya saat ini, semoga kakak bisa meraih apa yang kalian cita-citakan.

3. Novi Caroko, S.T., M.Eng. dan Wahyudi, S.T., M.T. Selaku dosen pembimbing, terimakasih atas bimbingan bapak sehingga saya bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini sampai selesai.

4. Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D. Selaku dosen penguji Tugas Akhir. 5. Teman-teman Teknik Mesin UMY angkatan 2012 dan semua angkatan

v Intisari

Kincir angin merupakan salah satu penggerak mula dari sumber energi untuk membangkitkan listrik yang memanfaatkan tenaga angin. Kelebihan kincir angin adalah disamping sumber daya yang melimpah dan terbarui juga tidak menimbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas buang. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk merancang dan membuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk didapat.

Proses perancangan meliputi perhitungan daya output kincir, desain blade, pemilihan perbandingan roda gigi gearboxs, dan pemilihan generator. Material yang digunakan untuk membuat blade (sudu) adalah kayu Pinus dengan ukuran awal 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Proses pembuatan dilakuan dengan cara menyerut kayu secara manual dengan menggunakan mesin pasah. Proses finishing

dilakukan dengan mengamplas secara manual hingga membentuk profil yang diinginkan kemudian dilakukan proses pengecatan untuk menutup pori-pori kayu.

Hasil perancangan yaitu kincir angin tipe horisontal Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dengan jumlah sudu 3 buah. Diameter rotor 3 m dengan material sudu (blade) adalah kayu Pinus dan perbandingan roda gigi pada

gearboxs adalah 1:3 dengan kapasitas generator 500 Watt. Jenis sudu yang digunakan adalah sudu airfoil tipe Clark-Y dengan permukaan bawah datar (flat botom). Berdasarkan uji coba yang telah dilakukan kincir dapat bekerja pada kecepatan angin 1,5-3,9 m/s.

vi

Syukur Alhamdulillah kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan judul ” PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE (HAWT) UNTUK DAERAH PANTAI SELATAN JAWA”. Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan akademis untuk menyelesaikan Program Strata-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

Hasil dari perancangan ini didapat desain prototype kincir angin tipe horisontal (HAWT) bersudu 3. Sudu (blade) yang digunakan adalah sudu jenis

airfoil dengan airfoil jenis Clark-Y flat botom. Dari hasil uji coba didapat kincir angin dapat beroprosi pada kecepatan 1,5-3,9 m/s.

Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini penulis ucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng., selaku kepala program studi Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

2. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng., selaku dosen pembimbing I yang telah bersedia memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat.

3. Bapak Wahyudi, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing II yang telah bersedia memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat.

4. Kedua orang tua yang telah memberi dukungan, pengertian, semangat, dan doa.

5. Bapak Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D.., selaku dosen penguji yang telah bersedia memberikan masukan-masukan dalam laporan tugas akhir.

6. Aditya Ivanda dan Erwin Pratama selaku tim kelompok dalam penelitian tugas akhir yang telah bekerjasama dengan baik dalam pengyelesaian tugas akhir.

vii

7. Semua Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan bekal ilmu bagi penulis selama penulis mengikuti kuliah di Program Studi Teknik Mesin selama kurang lebih 4 tahun.

8. Seluruh karyawan Jurusan Teknik Mesin di Universitas Muhammadiyah Yogyakarta atas bantuan yang telah diberikan selama masa kuliah.

Kritik dan saran dari pembaca sangat diharapkan oleh penulis demi perbaikan laporan ini, semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penyusun dan teman-teman mahasiswa yang lain.

Wassalamualaikum Warohmatullahi Wabarokatuh.

Yogyakarta, 2016

viii

HALAMAN PERNYATAAN ... iii

HALAMAN MOTTO ... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ... v

INTISARI ... vi

KATA PENGANTAR ... vi

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii

DAFTAR NOTASI DAN SINKATAN ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 2

1.3. Batasan Masalah... 2

1.4. Tujuan Penelitian ... 3

1.5. Manfaat Penelitian ... 3

BAB II LANDASAN TEORI ... 4

2.1 Tinjauan Pustaka ... 4

2.2. Dasar Teori ... 5

2.2.1. Potensi Angin di Indonesia ... 5

2.2.2. Kincir Angin ... 6

2.2.3. Jenis Kincir Angin ... 7

2.2.3.1. Kincir Angin Tipe Horizontal (HAWT) ... 7

2.2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ... 8

2.2.4. Komponen Utama Kincir Angin ... 11

ix

2.2.4.2. Transmisi (Gearboxs) ... 11

2.2.4.3. Generator ... 12

2.2.4.4. Menara (Tower) ... 13

2.2.4.5. Penyimpan Daya (Baterei) ... 14

2.2.5. Parameter Yang Berpengaruh Dalam Peracangan Blade ... 15

2.2.5.1. Swept Area ... 15

2.2.5.2 Daya Angin ... 15

2.2.5.3. TSR (Tip Speed Ratio) ... 17

2.2.5.4. Rotor Solidity ... 18

2.2.6. Airfoil ... 18

2.2.7. Sistem Transmisi ... 20

2.2.7.1. Poros ... 20

2.2.7.2. Roda Gigi ... 21

2.2.8. Pengelasan ... 26

2.2.8.1. Pengelasan SMAW ... 26

2.2.9. Mur dan Baut ... 28

2.2.9.1. Jenis Baut ... 28

2.2.9.2. Jenis Mur ... 29

BAB III METODE PENELITIAN ... 30

3.1. Tempat dan Waktu Pembuatan ... 30

3.1.1. Tempat Perancangan dan Pembuatan... 30

3.1.2. Waktu pembuatan... 30

3.2.Alat dan Bahan pembuatan ... 30

3.2.1 Alat Pembuatan ... 30

3.2.2. Bahan Pembuatan ... 31

3.3.Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan ... 31

BAB IV Perhitungan dan Pembahasan ... 32

4.1. Perhitungan ... 32

x

4.2. Perancangan Blade (Sudu) Kincir Angin ... 36

4.2.1. Proses Desain ... 36

4.2.2. Proses Analisa Desain ... 37

4.3. Perancangan Poros dan Gearbox ... 42

4.3.1. Perancangan Gearbox ... 42

4.3.2. Perancangan Poros ... 46

4.4. Proses Pembuatan ... 47

4.4.1. Pembuatan Pola ... 47

4.4.2. Proses Penyerutan ... 48

4.4.3. Proses Pengamplasan ... 49

4.4.4. Proses Finishing ... 50

4.4.5. Hasil Pembuatan Kincir Angin ... 51

4.5. Uji Coba Kincir Angin ... 53

4.6. Estimasi Biaya ... 54

BAB VPENUTUP ... 56

5.1. Kesimpulan ... 56

5.2. Saran ... 56

DAFTAR PUSTAKA ... 57

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kincir Angin Tipe Horizontal ... 7

Gambar 2.2. Skema dan prinsip kerja kincir angin VAWT tipe Savonius ... 8

Gambar 2.3. Kincir angin VAWT tipe Darrieus ... 9

Gambar 2.4. Kincir angin VAWT tipe H-rotor ... 9

Gambar 2.5. Bilah (Blade) ... 10

Gambar 2.6. Transmisi ... 11

Gambar 2.7. Generator ... 11

Gambar 2.8. Tower ... 12

Gambar 2.9. Baterai (ACU) ... 13

Gambar 2.10. Swept Area... 13

Gambar 2.11. Hubungan nilai TSR terhadap Cp ... 16

Gambar 2.13. Airfoil ... 17

Gambar 2.14. Macam-macam roda gigi ... 22

Gambar 2.15. Komponen Las SMAW ... 26

Gambar 2.16.Jenis baut ... 27

Gambar 2.17. Jenis Mur ... 28

Gambar 3.1.Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan ... 31

Gambar 4.1.Gambar 3D Airfoil ... 36

Gambar 4.2. Bentuk Airfoil ... 37

Gambar 4.3 Gambar 3D Kincir Angin ... 37

Gambar 4.4. Analisa aliran fluida pada blade ... 36

Gambar 4.5. Turbulensi pada blade ... 37

Gambar 4.6. Distribusi tekanan pada bladeairfoil ... 38

xii

Gambar 4.11. Distribusi aliran tekanan pada blade yang dipasangi stik ... 42

Gambar 4.12.Balok kayu pinus ... 47

Gambar 4.13. Pola pada kayu pinus ... 48

Gambar 4.14. Proses penyerutan ... 48

Gambar 4.15. Kayu setelah dilakukan penyerutan... 49

Gambar 4.16. Proses pengamplasan ... 49

Gambar 4.17. Proses finishing ... 50

Gambar 4.18. Kayu pinus setelah dipernis ... 50

Gambar 4.19. Stik blade... 51

Gambar 4.20. Blade yang sudah dirakit dengan stik blade ... 51

Gambar 4.21. Kincir Angin HAWT ... 52

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Diagram Pemilihan Modul Roda Gigi ... 59

Lampiran 2. Tabel 1. Tabel Propertis Udara Tekanan 1 atm ... 60

Lampiran 3. Tabel 2. Karakteristik bahan roda gigi ... 61

Lampiran 4. Tabel 3. Faktor bentuk roda gigi ... 62

Lampiran 5. Tabel 4. Faktor dinamis roda gigi (fv) ... 63

Lampiran 6. Tabel 5. Faktor tegangan kontak bahan roda gigi ... 64

Lampiran 7. Tabel 6. Bahan untuk konstruksi mesin ... 65

Lampiran 8. Komponen UtamaKincir Angin... 66

Lampiran 9. GAmbar Desain Blade ... 67

xiv VAWT : Vertical Axis Wind Turbine

A : Luas Area Swept (m2)

d : Diameter Rotor (m)

P : Daya mekanik kincir angin (Watt) Cp : Koefisien daya

ρ : Densitas udara (kg/m3) V : Kecepatan Angin (m/s) TSR : Tip Speed Ratio

n : Putaran rotor (rpm) N : Jumlah Blade (sudu) C : lebar blade (m) R : Jari-jari rotor (m) Pd : Daya rencana (Watt)

fc : Faktor koreksi

T : Torsi (Mpa)

σB : Kekuatan tarik bahan (Mpa) Sf1.Sf2 : Faktor koreksi bahan

ds : diameter poros (mm)

d’0 : Diameter jarak bagi sementara pinion dan roda gigi (mm)

i : Jumlah gigi

a :Jarak sumbu poros (m)

xv

m : modul gigi

z : jumlah gigi

dk : Diameter kepala roda gigi (mm)

df : Diameter kaki roda gigi (mm)

fv : Faktor koreksi kecepatan

Ft : Gaya tangensial yang terjadi pada roda gigi (Mpa)

F’b : Beban lentur yang diizinkan (N) Y : Faktor bentuk gigi

menimbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas buang. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk merancang dan membuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk didapat.

Proses perancangan meliputi perhitungan daya output kincir, desain blade, pemilihan perbandingan roda gigi gearboxs, dan pemilihan generator. Material yang digunakan untuk membuat blade (sudu) adalah kayu Pinus dengan ukuran awal 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Proses pembuatan dilakuan dengan cara menyerut kayu secara manual dengan menggunakan mesin pasah. Proses finishing

dilakukan dengan mengamplas secara manual hingga membentuk profil yang diinginkan kemudian dilakukan proses pengecatan untuk menutup pori-pori kayu.

Hasil perancangan yaitu kincir angin tipe horisontal Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dengan jumlah sudu 3 buah. Diameter rotor 3 m dengan material sudu (blade) adalah kayu Pinus dan perbandingan roda gigi pada

gearboxs adalah 1:3 dengan kapasitas generator 500 Watt. Jenis sudu yang digunakan adalah sudu airfoil tipe Clark-Y dengan permukaan bawah datar (flat botom). Berdasarkan uji coba yang telah dilakukan kincir dapat bekerja pada kecepatan angin 1,5-3,9 m/s.

ABSTRACT

Wind turbine was one of the early movers from the energy source to generate electricity utilizing wind power. The advantages of the wind turbine is beside the abundant resources and renewable resources also does not cause the impact of environmental pollution. The purpose of this design is to design and create a windmill that corresponds to wind speed in Indonesia with a strong material, cheap and easy to come by.

The design process includes the calculation of power output of wind turbine, the design of the blade, the selection of gear gearboxs comparison, and selection of the generator. The material used to make the blade is a Pine wood with initial size of 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Making process took place by means of a wooden manually by using the machine. The finishing process is done with sanding by hand to form the desired profile then done painting process to close the pores of the wood.

The results of the design of a Horizontal Axis Wind turbines, i.e. (was HAWT) with the number of vanes 3 pieces. The rotor diameter of 3 m with blade is a Pine Wood and comparison gears on gearboxs is 1:3 with a capacity of 500 Watt generator. This type of turbine blade used is type airfoil Clark-Y with a flat bottom surface (flat botom). Based on the testing that has been done so that can work on wind speed 1.5-3.9 m/s.

1

Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk dan perkembangan teknologi membuat kebutuhan akan suplai energi semakin meningkat, terutama kebutuhan akan energi listrik. Hal ini membuat harga listrik setiap tahunnya mengalami kenaikan. Kebutuhan listrik saat ini masih tergantung pada bahan bakar fosil yang berupa bahan bakar minyak (BBM) dan batu bara yang jumlahnya semakin menipis. Upaya yang dilakukan pemerintah saat ini adalah dengan mencari sumber energi alternatif yang tidak bergantung pada bahan bakar fosil yang jumlahnya terus berkurang. Salah satu upaya pemanfaatan energi alternatif terbarukan yang ramah lingkungan adalah energi yang berasal dari angin. Kincir angin merupakan salah satu contoh penggerak mula dari sumber energi untuk membangkitkan listrik yang memanfaatkan tenaga angin.

Indonesia adalah negara yang memiliki sumber daya energi yang sangat melimpah, salah satunya adalah energi angin. Indonesia yang merupakan negara kepulauan dan salah satu negara yang terletak di garis khatulistiwa merupakan faktor bahwa Indonesia memiliki potensi energi angin yang melimpah. Melimpahnya sumber energi di Indonesia tidak dibarengi dengan pemanfaatan sumber energi secara maksimal. Wilayah pesisir pantai Selatan Jawa merupakan wilayah Indonesia yang mempunyai potensi energi angin yang cukup melimpah, walaupun potensi anginya cukup rendah yaitu antara 3-6 m/s (BPPT, 2015).

Potensi angin tersebut cocok digunakan untuk pembangkit listrik dengan daya keluaran maksimum 1000 Watt. Daya tersebut sangat cocok digunakan untuk skala rumah tangga, walaupun masih tergolong kecil. Daya keluaran yang tergolong kecil tersebut dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif, terutama bagi daerah yang belum teraliri listrik PLN. Beberapa daerah pesisir Pantai Selatan Jawa masih ada yang belum teraliri oleh listrik PLN, terutama daerah pesisir yang jauh dari pusat kota. Daerah pesisir Pantai Selatan Jawa juga

2

terdapat banyak tambak yang kebutuhan listriknya dipenuhi dengan menggunakan

genset yang sumber energinya masih tergantung pada bahan bakar fosil (BBM). Kincir angin dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif yang tidak tergantung pada bahan bakar fosil sehingga dapat mengurangi ketergantungan tehadap bahan bakar fosil yang jumlahnya semakin menipis.

Kincir angin terbagi atas dua tipe yaitu kincir angin sumbu horizontal atau

Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan kincir angin sumbu vertikal atau

Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Kincir angin sumbu horizontal atau (HAWT) merupakan kincir dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit listrik berada pada puncak menara. Poros mendatar pada kincir angin ini terdiri atas posisi poros yang sejajar dengan permukaan tanah dan posisi poros sejajar dengan arah datangnya angin. Kincir angin tipe HAWT lebih banyak digunakan dibandingkan tipe VAWT, hal ini dikarenakan kincir angin tipe HAWT dapat beroprasi pada kecepatan rendah maupun kecepatan tinggi.

Kelebihan kincir angin adalah disamping sumber daya yang melimpah dan terbarui juga tidak meninbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas buang. Kincir angin yang tersedia dipasaran saat ini rata-rata harganya relatif mahal berkisar $500 untuk kapasitas 500 Watt. Permasalahan tersebutlah yang membuat masyarakat enggan menggunakan kincir angin sebagai sumber energi alternatif pengganti BBM. Untuk menjawab permasalahan tersebut maka perlu dibuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia khususnya pesisir pantai Selatan Jawa dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk didapat.

1.1. Rumusan Masalah

Dari latar belakang di atas rumusan masalah yang muncul adalah bagaimana membuat kincir angin yang sesuai dengan angin di pesisir pantai Selatan Jawa. Angin di wilayah pesisir Pantai Selatan Jawa tergolong rendah yaitu berkisar antara 3-6 m/s.

1.2. Batasan masalah

Dalam hal ini batasan masalah dalam perancangan ini adalah : a. Tidak membahas konstruksi tiang penyangga (tower).

b. Pembahasan difokuskan pada perancangan dan pembuatan blade.

1.3. Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian ini antara lain

a. Mendapakan rancangan dan prototype kincir angin tipe horizontal (HAWT) dengan penampang sudu berbentuk airfoil.

b. Mengetahui apakah kincir angin dapat bekerja pada kecepatan angin 3-6 m/s.

1.4. Manfaat

Manfaat dari yang diharapkan dari perancangan ini adalah:

a. Dari perancangan alat ini diharapkan dapat menambah referensi tentang alat tepat guna dalam pengabdian masyarakat serta dapat dijadikan acuan dalam pengembangan kincir angin tipe HAWT.

b. Hasil dari perancangan alat ini diharapkan dapat menjadi refrensi atau acuan bagi para pelajar atau mahasiswa yang akan mengembangkan kincir angin tipe HAWT di daerah pesisir Pantai Selatan Jawa.

c. Hasil perancangan alat ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu bahan pertimbangan untuk energi alternatif yang ekonomis dan tidak tergantung terhadap bahan bakar fosil.

4 BAB II

Tinjauan Pustaka dan Dasar Teori 2.1. Tinjauan Pustaka

Serah (2004) dalam penelitiaannya merancang kincir angin tipe horizontal HAWT dengan sudu berjumlah 3 buah. Diameter rotor adalah 2 m dengan menggunakan airfoil tipe NACA 4415. Dari hasil pengujian didapatkan arus terbesar adalah 0,42 A dengan tegangan 3,34 V, pada kecepatan angin 5,7 m/s.

Asy’ari dkk (2012) melakukan penelitian dengan membuat prototipe

kincir angin HAWT bersudu 3 buah, material sudu (blade) terbuat dari fibreglass

dengan panjang 75 cm. Pengujian dilakukan di daerah waduk Gajah Mungkur Wonogiri, menggunakan gearbox dengan perbandingan 1:1,2. Dari hasil pengujian yang dilakukan didapat bahwa kincir tersebut mampu menghasilkan tegangan 95 volt dan arus 4,5 mA pada kecepatan 5,6 m/s.

Herlambang (2014) melakukan penelitian dengan membuat kincir angin HAWT multi blade yang digunakan langsung untuk menggerakan pompa torak kerja ganda. Jenis blade yang digunakan adalah tipe flate plate dengan sudu berjumlah 9 buah dengan perbandingan roda gigi pada gearbox adalah 1:2. Material blade terbuat dari plat galvanis dengan diameter rotor 90 cm dan panjang sudu 43 cm. Daya terbesar yang dapat dihasilkan oleh kincir tersebut adalah 206,08 watt pada kecepatan angin 13 m/s.

Sedangkan Arfarisi (2016) membuat rancang bangun kincir angin HAWT kapasitas 1000 watt dengan sudu berjumlah 3 buah. Diameter rotor kincir tersebut adalah 2,28 m dan airfoil yang dipakai adalah tipe NACA 4415. Material yang dipakai dalam pembuatan blade adalah fibreglass. Dari data pengujian yang dilakukan kincir tersebut dapat menghasilkan daya terendah pada kecepatan angin 2,67 m/s dengan daya sebesar 4,4 watt. Daya tertinggi dari kincir tersebut adalah sebesar 65,6 watt pada kecepatan angin 9,2 m/s.

Dari beberapa penelitian kincir angin tersebut dapat disimpulkan bahwa kincir yang dibuat untuk kecepatan angin 2,67-13 m/s adalah tipe HAWT dengan jumlah sudu optimal 3 buah. Tipe airfoil yang digunakan adalah tipe NACA 4412

dan NACA 4415. Beberapa penelitian menyebutkan daya output yang dihasilkan oleh kincir angin masih tergolong kecil berkisar 1,4–203 Watt. Besar kecilnya daya output yang dihasilkan oleh kincir dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya: jenis dan bahan blade yang digunakan, tipe airfoil, perbanndingan roda gigi pada gearboxs, diameter rotor, serta generator yang digunakan. 2.2. Dasar Teori

2.2.1. Potensi Angin di Indonesia

Angin adalah massa udara yang bergerak dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan yang biasa digunakan untuk menentukan kecepatan angin adalah km/jam atau dalam Knot (1 knot = 0,5148 m/det = 1.854 km/jam). Sistem penamaan angin biasanya dihubungkan dengan arah datangnya massa udara tersebut.

Tabel 2.1. Daerah yang berpotensi untuk pemanfaatan PLTB (http://www.getsttpln.com/2014)

Kelas Kecepatan angin (m/s)

Daya spesifik (W/m2)

Kapasitas

(kW) Lokasi

Skala

kecil 2,5 – 4,0 <75 s/d 10

Jawa, NTT, NTB, Maluku, Sulawesi

Skala

sedang 4,0 – 5,0 75 – 100 10 – 100

NTT, NTB, Sulawesi Selatan,

Sulawesi Utara, selatan Jawa Skala

besar >5,0 150 >100

Sulawesi Selatan, NTT, NTB, Selatan

6

2.2.2. Kincir Angin

Pada masa awal pembuatan, kincir angin dibuat untuk mengakomodir kebutuhan petani di Eropa. Kincir angin atau biasa dikenal denga istilah Windmill

banyak dibangun di wilayah Eropa seperti Belanda, Denmark dan wilayah Eropa lainnya yang potensi sumber daya anginnya cukup besar. Kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan adanya prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam. Kincir angin merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik menjadi energi gerak, dimana energi penggeraknya berasal dari angin. Energi gerak selanjutnya diteruskan berupa putaran sudu dan poros generator sehingga menghasilkan energi listrik.

Sesuai dengan namanya, kincir angin menggunakan energi kinetik dari angin sebagai tenaga pendorongnya. Angin menggerakkan bilah kincir yang berputar pada porosnya, pada gilirannya mendorong perangkat tertentu, misalnya generator untuk menghasilkan listrik. Kincir yang berputar ini terhubung ke generator, bisa juga melalui gearbox atau langsung. Menariknya, sebagian besar kincir modern yang berputar searah jarum jam.

Kincir angin bekerja dengan memanfaatkan energi angin yang diubah menjadi gerak putar oleh kincir angin. Kincir angin bekerja berkebalikan dengan kipas angin yaitu bukan menggunakan listrik untuk menghasilkan tiupan angin, melainkan menggunakan angin untuk menghasilkan listrik. Angin yang bergerak kemudian akan memutar sudu pada kincir, gerak putar inilah yang diteruskan oleh poros untuk memutar rotor pada generator. Generator mengubah energi gerak putar menjadi energi listrik dengan prinsip teori medan elektromagnetik, yaitu poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu.

Hal-hal yang dapat menentukan besarnya daya output dari sebuah kincir angin

Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) adalah: a) Kecepatan angin

b) Jumlah sudu (blade)

c) Jenis dan bahan blade

d) Besarnya sudut serang blade (pitch)

2.2.3. Jenis Kincir Angin

2.2.3.1. Kincir Angin Tipe Horizontal ( HAWT )

Kincir angin sumbu Horizontal (HAWT) memiliki sudu yang berputar dalam bidang vertikal, seperti propeler pesawat terbang. Kincir angin tipe horizontal

mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus dimana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari pada aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi pada sisi depan sudu. Perbedaan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar.

Kincir Angin Sumbu Horizontal (HAWT) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Kincir berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan kincir berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang dihubungkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox

yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. .

8

Gambar 2.1. Kincir Angin Tipe Horizontal Sumber : https://id.wikipedia.org, 2016.

2.2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal (VAWT)

Kincir jenis ini mememilki bilah yang memanjang dari atas ke bawah. Kincir yang paling umum dijumpai dan sering digunakan adalah kincir angin Darrieus. Dinamai Darreius karena sesuai dengan nama penbuatnya yaitu seorang insinyur dari Perancis yang bernama Georges Darrieus. Desain dari kincir jenis ini dipatenkan pada tahun 1931 oleh Georges Darrieus. Tinggi dari kincir angin sumbu Vertikal biasanya berdiri 100 meter dari permukaan tanah dengan lebar lebih kurang 15 Meter. Kincir jenis ini memiliki porsi yang masih kecil dalm penggunaannya di kalangan masyarakat. Ada berbagai jenis kincir angin tipe VAWT yang sering digunakan diantaranya adalah Tipe Savonius, Tipe Darrieus, dan Tipe H-Rotor. Berikut merupakan jenis kincir angin sumbu vertikal yang sering digunakan.

a. Kincir Angin Tipe Savonius

Kincir angin tipe ini diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. Kincir Savonius dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga putaran rotornya tidak akan melebihi

kecepatan angin. Meskipun daya koefisien untuk jenis kincir angin bervariasi antara 30% sampai 45%. Jenis kincir ini cocok untuk aplikasi daya yang rendah dan biasanya digunakan pada kecepatan angin yang berbeda.

Gambar 2.2. Skema dan prinsip kerja kincir angin VAWT tipe Savonius Sumber: http://www.getsttpln.com/2014.

b. Kincir Angin Tipe Darrieus

Kincir angin jenis ini ditemukan oleh seorang insinyur Perancis George Jeans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Darrieus memiliki 2 bentuk kincir yang digunakan diantaranya adalah “Eggbeater/Curved Bladed” dan “Straightbladed”. Kincir angin tipe Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi simetri terhadap poros. Pengaturan ini dilakukan dengan tjuan agar kincir mampu menangkap angin lebih efektif. Berbeda dengan kincir jenis Savonius, kincir angin jenis Darrieus berputar dengan memanfaatkan gaya angkat yang ditimbulkan akibat dari tiupan angin.

10

Gambar 2.3. Kincir angin VAWT tipe Darrieus Sumber: http://www.getsttpln.com/2014. c. Kincir Angin Tipe H-Rotor

Kincir ini pertama kali dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang dilakukan selama 1970-1980’an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan pada blade berbilah lurus (Straight-bladed) ternyata pada kincir angin tipe Darrieus tidak diperlukan. Pada kincir angin jenis ini ditemukan bahwa efek hambatan yang diciptakan oleh sebuah pisau (blade) akan membatasi kecepatan aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur semua kecepatan angin untuk mencapai kecepatan putaran optimalnya.

Gambar 2.4. Kincir angin VAWT tipe H-rotor Sumber: http://www.getsttpln.com/2014.

2.2.4. Komponen Utama Kincir Angin 2.2.4.1. Sudu ( Blade )

Blade atau rotor merupakan bagian dari kincir angin yang berfungsi menerima energi kinetik dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) pada poros penggerak. Rotor terdiri dari baling-baling/sudu dan hub. Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan sudu denga poros utama. Sudu pada kincir merupakan bagian terpenting guna memindah daya pada poros yang selanjutnya diteruskan ke gearbox atau langsung ke generator. Pada sebuah kincir angin, jumlah baling-baling atau sudu bervariasi sebanyak 2,3, dan 4 buah atau lebih. Pada umumnya, sudu kincir angin propeller berjumlah 3 buah yang sering digunakan karena memiliki getaran yang tidak terlalu besar, jika lebih dari 3 buah sudu maka akan berpengaruh terhadap getaran sehingga mengakibatkan semakin besar pula torsi yang ditimbulkan. Desain sudu kincir angin dibuat seaerodinamis supaya mendapatkan nilai efisiensi yang tinggi, mengingat efisiensi penyaluran daya sudu kincir angin masih rendah yang berkisar antara 20-30%.

Gambar 2.5. Bilah ( Blade )

Sumber : http://www.getsttpln.com/2014. 2.2.4.2. Transmisi (Gearbox)

Transmisi kincir angin berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator dengan dipercepat putaranya. Hal ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi pada putaran rendah, sementara generatornya bekerja pda

12

putaran tinggi. Poros termasuk transmisi pada bagian kincir angin yang berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator secara langsung maupun melalui mekanisme transmisi pada gearboxs.

Gambar 2.6. Transmisi

Sumber : http://www.getsttpln.com/2014. 2.2.4.3. Generator

Generator merupakan sumber utama energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan converter terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang dihasilkan bersifat bolak balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan. Generator adalah mesin listrik yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada kontaktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis garis gaya magnet. Prinsip dasar generator arus bolak balik menggunakan hukum faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang yang berubah-berubah, maka pada penghantar tersebut akanterbentuk gaya gerak listrik.

Gambar 2.7. Generator

Sumber: http://www.getsttpln.com/2014. 2.2.4.4. Menara (Tower)

Menara berfungsi menyangga kincir angin. Pada kincir angin modern, tinggi tower biasanya mencapai 40 – 60 meter. Menara dapat dibedakan menjadi bentuk tubular dan bentuk lattice seperti gambar di bawah. Keuntungan dari bentuk tubular yaitu aman, sedangkan lattice mempunyai biaya yang murah.

(a) (b) (c)

Gambar 2.8. Tower (a) Tipe Tubular, (b) Tipe Guyed, (c) Tipe Lattice

14

2.2.4.5. Peyimpan Daya ( Baterei )

Kincir angin tidak selamanya beroperasi karena keterbatasan angin yang berhembus di waktu-waktu tertentu untuk dapat memutar rotor kincir. Maka dari itu, diperlukan penyimpan energi agar menghasilkan energi listrik secara kontinyu.Jika arus listriknya terlalu besar, maka arus listrik akan disalurkan menuju jala-jala listrik setelah sebagian disimpan pada baterai.

Dalam pemilihan baterai harus dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut:

 Mampu menyimpan daya dalam jumlah besar

 Dapat menyalurkan daya yang disimpan baik dalam jumlah yang kecil maupun besar tanpa mengalami kerusakan.

 Tahan lama (reliable)

 Output tegangan dari baterai harus bebas dari fluktuasi atau noise

Baterai dapat dibedakan berdasarkan tegangannya dan kapasitas penyimpanannya (Ampere-jam/Ah). Nilai Ah ditentukan berdasarkan kapasitas penggunaannya. Misalkan baterai dengan kapasitas penyimpanan 200 Ah dibebani selama 20 jam, maka kapasitas penggunaannya menjadi 10 A/jam (200:20= 10 A). Penggunaan yang lebih besar akan menyebabkan berkurangnya kapasitas Ah secara drastis.

Gambar 2.9. Baterai (Aki) Sumber: http://garagedebilt.nl, 2016.

2.2.5. Parameter yang Berpengaruh Dalam Perancangan Blade 2.2.5.1. Swept Area

Swept area adala luasan daerah dimana blade (rotor) kincir angin berputar. Daya keluaran dari kincir angin berpengaruh secara langsung terhadap luasan

swept area. Semakin besar diameter rotor, semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh kincir angin.

Swept area (A) = ………...…(1) Dimana:

A = Luas Area Swept

d = Diameter Rotor

Gambar 2.10. Swept Area

Sumber: http://www.daviddarling.info, 2016. 2.2.5.2. Daya Angin

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan uadara yang lebih tinggi ke tekanan uadara yang lebih rendah. Peristiwa tersebutlah yang menyebabkan terjadinya hembuasan angin. Terdapat energi yang ditimbulkan akibat peristiwa tersebut yang disebut energi kinetik. Energi kinetik inilah yang nantinya di ubah menjadi energi listrik oleh kincir angin.

Energi kinetik dengan masa angin sebesar m yang bergerak pada kecepatan sebesar v, nantinya akan diubah energinya oleh poros dapat dirumuskan

16

Dimana :

m = massa udara (kg)

v = kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik inilah yang ditangkap oleh kincir angin yang nantinya diubah menjadi listrik oleh generator.

Dengan menganggap suatu luasan penampang melintang adalah Adengan kecepatan angin adalah v mengalami perpindahan volume setiap satuan waktu, maka akan muncul persamaan:

V = v.A...(3) Dimana :

V= volume aliran udara (m³/s)

v = kecepatan angin (m/s) A = luas area swept rotor (m²)

Karena udara bergerak dan memiliki massa, maka aliran massa udara dengan kecepatan v menjadi:

m = ρ.A.v...(4) Dimana:

ρ = massa jenis udara (pada tekanan 1 atm)

Dari persamaan-persamaan diatas menunjukan bahwa energi kinetik dan aliran udara yang melewati suatu penampang melintang dengan luasan A sebagai energi P, maka persamaan energinya menjadi:

P = 0,5. ρ. A .v³...(5) Dimana:

P = daya mekanik (W) ρ = densitas udara (kg/m³)

v = kecepatan udara (m/s)

Karena setiap jenis kincir angin mempunyai karakteristik aerodinamika yang unik, maka faktor daya sebagai fungsi dari TSR untuk setiap jenis kincir angin juga berbeda-beda. Dengan memasukkan faktor daya Cp, maka daya mekanik aktual yang dapat diperoleh dari energi kinetik pada angin menjadi:

P = Cp. 0,5. Ρ. A. v³...(6) Dimana:

Cp = koefisien daya (efisinsi kincir)

Nilai dari Cp tidak akan pernah melebihi 16/27 atau 0.59 dimana efisiensi kincir tidak mungkin lebih dari 60% (Bets Limit). Dengan mengacu pada penelitian sebelumya bahwa nilai cp untuk kincir angin adalah 25-35% (Pigott, 2003). Parameter yang mempengaruhi besar kecilnya nilai Cp adalah jumlah sudu, panjang chord sudu dan karakteristik aerodinamis sudu tersebut.

2.2.5.3. TSR ( Tip Speed Ratio )

Tip Speed Ratio atau TSR untuk kincir angin adalah rasio antara kecepatan tangensial ujung blade dan kecepatan aktual angin. TSR berkaitan dengan efisiensi dan besar torsi yang dihasilkan oleh kincir angin. Semakin tinggi nilai dari TSR maka torsi yang diterima oleh kincir akan semakin kecil. Untuk menentukan nilai TSR dapat digunakan persamaan berikut:

TSR =

……….(7)

Dimana: D = Diameter rotor (m) = putaran rotor (rpm) = kecepatan angin (m/s)

18

Gambar 2.11 Hubungan nilai TSR terhadap Cp (coefficient power) kincir angin Sumber: http://www.ebah.com, 2016.

2.2.5.4. Rotor Solididy

Rotor solidity adalah perbandingan luas sudu dengan luas lintasan sudu kincir. Nilai solidity berpengaruh terhadap jika solidity tinggi maka torsi yang dihasilkan oleh kincir juga tinggi, hal ini berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan oleh kincir angin. Nilai solidity untuk kincir angin tipe horisontal 3

blade biasanya adalah 0,014 (Azad dan Kaysar, 2012)

Solidity =

...(9) Dimana:

N = jumlah blade

C = lebar blade (chord) R = jari-jari rotor

2.2.6. Airfoil

Profil airfoil adalah elemen penting dalam konversi energi angin. Profil

airfoil memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika dibandingkan dengan lift

yang diberikan. Terdapat beberapa variabel yang dinyatakan dalam menggambarkan bentuk airfoil diantaranya panjang profil airfoil (chord),

ketebalan (thickness), dan kelengkungan (chamber). Bentuk airfoil untuk kincir angin pada umumnya melengkung pada bagian atas dan lebih datar atau bahkan cekung pada bagian bawah, ujung tumpul pada bagian depan dan lancip pada bagian belakang. Bentuk airfoil yang demikian menyebabkan kecepatan udara yang melalui sisi atas akan lebih tinggi dari sisi bawah sehingga tekanan udara di bagian atas akan lebih kecil daripada kecepatan udara di bagian bawah.

Gambar 2.12. Airfoil

Sumber: http://code7700.com/lift.html.

Dari gambar terminologi airfoil diatas, dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Leading edge, adalah bagian depan dari airfoil yang lansung tekena

angin.

2. Trailing edge, adalah bagian airfoil yang terletak di ujung paling belakang pada profil airfoil.

3. Mean chamber line, merupakan tengah yang membagi antara permukaan atas dan permukaan bagian bawah dari airfoil.

4. Chord line, adalah suatu garis lurus yang menghubungkan leading edge dan trailing edge.

5. Chord, merupakan perpanjangan dari chord line, dengan kata lain, chord adalah karakteristik dimensi panjang dari suatu airfoil.

6. Maximum chamber, merupakan jarak antara mean chamber line dengan

chord line. Maximum chamber membantu mendefinisikan bentuk dari mean chamber line.

20

7. Maximum thickness, merupakan ketebalan maksimum dari suatu airfoil, dan menunjukkan persentase dari chord. Maximum thickness membantu mendefinisikan bentuk dari airfoil dan juga performa dari airfoil tersebut.

2.2.7. Sistem Transmisi

Sistem transmisi pada kincir angin digunakan untuk memindahkan daya yang diakibatkan oleh putaran kincir angin. Sistem transmisi terdiri atas poros, roda gigi, dan bantalan.

2.2.7.1. Poros

Poros merupakan salah satu komponen yang sangat penting pada suatu mesin untuk untuk meneruskan daya dan putaran, hampir semua mesin meneruskan tenaga dengan putaran poros (Sularso dan Suga, 1997).

Untuk perencanaan poros diperlukan daya rencana (Pd), dimana daya yang ditransmisikan dikalikan dengan dengan faktor koreksi (fc) yang berguna sebagai

tindakan pengamanan.

... . (10) Dimana:

Pd = Daya rencana (W)

fc = Faktor koreksi

P = Daya yang ditransmisikan (W)

Putaran (n) poros dapat dihitung dengan persamaan berikut:

... ..(11) Dimana:

n = Putaran (rpm)

v = Kecepatan keliling (m/s) d = diameter poros (mm)

Momen puntir rencana yang terjadi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

T = 9,74 x 10 ...(12) Dimana :

fc = Faktor koreksi

Pd = Daya rencana (kW)

n = Putaran poros (rpm)

Tegangan geser yang diizinkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut : a =

...(13) Dimana :

σB = Kekuatan tarik bahan Sf1.Sf2 = Faktor koreksi

Tegangan geser yang terjadi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

=

...(14) Dimana:

T = momen puntir (kg/mm) ds = diameter poros (mm)

2.2.7.2. Roda Gigi

Fungsi roda gigi adalah mentransmisikan daya dan putaran dari putaran tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke putaran yang lebih tinggi, sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor dapat ditransmisikan ke beban yang ingin di gerakkan. Berikut merupakan jenis-jenis roda gigi:

22

1. Menurut Letak Poros

Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu: a. Roda gigi poros sejajar

Disebut roda gigi poros sejajar karena giginya berjajar pada dua bidang silinder, kedua bidang silinder tersebut bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan sumbu tetap sejajar. Berikut jenis roda gigi yang termasuk dalam poros sejajar antara lain adalah :

a. Roda gigi lurus. b. Roda gigi luar.

c. Roda gigi miring. d. Roda gigi pinyon.

e. Roda miring ganda. b. Roda gigi poros berpotongan

Roda gigi poros berpotongan adalah roda gigi di mana giginya berpotongan pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut bersinggungan. Beberapa jenis roda gigi yang termasuk dalam jenis roda gigi poros berpotongan antara lain:

a. Roda gigi kerucut lurus. b. Roda gigi kerucut miring.

c. Roda gigi kerucut spiral. d. Roda gigi kerucut miring ganda. e. Roda gigi kerucut ZEROL. c. Roda gigi poros silang

Roda gigi poros silsng merupakan roda gigi yang kedua sumbunya saling bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan gaya pada permukaan gigi berlangung secara meluncur dan menggelinding. Berikut jenis roda gigi yang termasuk dalam poros silang antara lain:

1. Roda gigi cacing. 2. Roda gigi hiperboloid.

3. Roda gigi hipoid.

4. Roda gigi permukaan silang.

2. Roda Gigi Menurut Bentuk Alur Gigi

Roda gigi menurut benttuk alurnya terbagi atas tiga macam, berikut pembagian roda gigi menurut bentuk alurnya :

a. Roda gigi lurus adalah roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan sejajar dengan poros.

b. Roda gigi miring merupakan roda gigi dengan bentuk alur giginya memiliki kemiringan tertentu.

c. Roda gigi miring ganda dimana roda gigi dengan bentuk alur giginya memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya.

3. Roda Gigi Menurut Arah Putarannya

Roda gigi menurut arah putarannya terbagi atas dua macam, yauitu:

a. Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda gigi yang digerakkannya.

b. Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda gigi yang digerakkannya.

Gambar 2.14 Macam-macam roda gigi Sumber: Sularso dan Suga, 1997.

24

Dalam perancangan roda gigi, khususnya roda gigi lurus dapat digunakan persamaan-persamaaan di bawah ini:

Diameter jarak bagi sementara pinion dan roda gigi (d’0) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

d’0 =

...(15) Dimana:

i = jumlah gigi

a = jarak sumbu poros

Diamater jarak bagi sebenarnya (d0) dapat dihitung menggunakan persamaan

berikut:

d0 = m.z1...(16)

Dimana:

z = jumlah gigi m = modul gigi

Diameter kepala (dk) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

dk = (z +2)m ...(17) Dimana:

z = jumlah gigi m = modul gigi

Diameter kaki roda gigi (df) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

df = (z-2,5)m ...(18) Dimana:

z = jumlah gigi m = modul gigi

Putaran (n) yang ditransmisikan roda gigi 1 adalah dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

n =

...(19) Dimana:

v = kecepatan (m/s)

d0 = diameter jarak bagi sebenarnya (mm)

Faktor koreksi terhadap kecepatan (fv) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

fv =

...(20) Dimana:

v = kecepatan (m/s)

Gaya tangensial yang terjadi pada roda gigi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

Ft = ...(21) Dimana:

P = daya yang ditransmisikan (W) v = kecepatan (v)

Beban lentur yang diizinkan (F’b) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

F’b= σ2. m. Y. fv ...(22) Dimana:

= factor koreksi kecepatan m = modul gigi

Y = faktor bentuk gigi

σ2 = tegangan yang diizinkan

Lebar roda gigi (b) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: b =

...(23) Dimana Ft = gaya tangensial roda gigi

26

2.2.8. Pengelasan

Menurut DIN (Deutch Industrie Normen) las adalah menyambung dua buah logam dengan proses metalurgi pada logam yang dilaksanakan dalam keadaan cair. Dari definisi tersebut dapat disimpulkan bahwa las adalah sambuangan dua atau beberapa batang logam dengan menggunakan panas.

2.2.8.1. Pengelasan SMAW

Pengelasan SMAW (Shield Metal Arc Welding) atau biasa disebut Las Busur adalah proses pengelasan yang menggunakan panas untuk mencairkan logam dasar (logam induk) dan elektroda. Proses ini terjadi akibat dari loncatan ion listrik yang terjadi antara ujung elektroda dan permukaan plat yang akan dilas (anoda dan katoda). Panas yang ditumbulkan dari lompatan ion inii dapat mencapai 4000 sampai 4500 derajat celcius. Terdapat dua sumbervtegangan yang dapat digunakn yaitu AC (arus bolak balik) dan listrik DC (arus searah). Proses terjadinya pengelasan karena adanya kontak antara ujung elektroda dan material dasar sehingga terjadi hubungan pendek arus listrik sehingga menimbulkan panas. Panas inilah yang akan mencairkan elektroda dan material dasar sehingga cairan elektroda dan cairan material dasar akan menyatu membentuk logam lasan. Berikut merupakan komponen utama las SMAW:

a. Mesin Las

Mesin las (transformator) berdasarkan tegangan terdbagi atas dua macam yaitu mesin las AC dan mesin las DC. Mesin las ac biasanya berupa trafo las, sedangkan mesin las DC biasanya dilengkapi denga dioda atau rectifier (perubah arus bolak balik menjadi arus searah ). Mesin las Dc biasanya dilengkapi dengan motor penggerak baik engine ataupun motor listrik.

b. Kabel

Kabel ini terbagi menjadi dua yaitu kabel masa dan kabel elektroda yang berfungsi utuk menyalurkan aliran listrik dari mesin las ke material las dan kembali lagi ke mesin las. Ukuran kabel harus cukuplah besar untuk mengalirkan arus listrik. Ukuran kabel yang tidak sesuai akan menimbulkan panas pada kabel

dan merusak isolasi kabel yang akhirnya membahayakan pada saat proses pengelasan.

c. Penjepit elektroda (holder) dan klem masa

Penjepit lektrode berguna untuk mengalirkan arus listrik dari kabel elektrode ke elektrode serta sebagai pegangan elektrode sehingga pengelas tidak merasa panas pada saat mengelas. Klem masa berfungsi menghubungkan kabel masa mesin las dengan benda kerja. Klem ini sangat penting karena apabila klem longgar arus yang dihasilkan tidak stabil sehingga pengelasan tidak dapat berjalan dengan baik.

d. Elektroda

Elektroda berfungsi sebagai logam pengisi pada saat proses pengelasan SMAW. Sebagian besar elektrode las SMAW dilapisi oleh lapisan flux, yang berfungsi sebagai pembentuk gas yang melindungi cairan logam dari kontaminasi udara sekelilingnya. Selain itu fluk berguna juga untuk membentuk terak las yang juga berfungsi melindungi cairan las dari udara sekelilingnya. Lapisan elektroda ini merupakan campuran kimia yang komposisisnya sesuai dengan kebutuhan pengelasan.

Gambar 2.15 Komponen Las SMAW Sumber: http://hima-tl.ppns.ac.id/

28

2.2.9. Mur dan Baut

Mur dan baut merupakan alat pengikat yang sangat penting untuk mencegah kecelakaan atau kerusakan pada komponen. Mur dan baut berfungsi untuk menyatukan atau menghubungkan beberapa komponen yang tidak perlu dilakukan proses pengelasan. Mur dan baut terbagi atas beberapa macam sesuai dengan fungsinya.

2.2.9.1. Jenis Baut

Dalam penggunaanya baut terbagi atas beberapa jenis berikut merupakan pembagian jenis baut berdasarkan penggunaanya:

1. Baut tembus, digunakan untuk menjepit dua bagian melaui bidang tembus, dimana jepitan diketatkan dengan sebuah mur

2. Baut tanam, berguna untuk menjepitdua bagian , baut ditanam pada salah satu bagian yang mempunyai lubang berulir.

3. Baut tap, untuk menjepit dua bagian dimana jepitan diketatkan dengan ulir yang diletakan dalam salah satu bagian.

Gambar: 2.16 Jenis baut Sumber: Sularso dan Suga, 1997

2.2.9.2. Jenis Mur

Pada umumnya mur memiliki bentuk segi enam. Tetapi untuk pemakaian khusus dapat dipakai mur dengan bentuk bermacam-macam seperti ditunjukan pada gambar 2.15 berikut.

Gambar: 2.17 Jenis Mur

Sumber: http://www.karyaagung.net, 2016.

Untuk menentukan jenis dan ukuran mur harus memperhatikan berbagai faktor seperti sifat material, tempat penggunaan, serta kondisi material yang akan dibaut.

30 BAB III

METODE PERANCANGAN DAN PEMBUATAN

Dalam bab ini akan dibahas mengenai tempat serta waktu dilakukannya penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, apa saja yang menjadi variable dalam penelitian, diagram alir penelitian, serta prosedur-prosedur penelitian.

3.1. Tempat dan Waktu Pembuatan

3.1.1. Tempat Perancangan dan Pembuatan

Tempat peembuatan dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl.Lingkar Barat, Tamantirto, Kasihan, Bantul 55183.

3.1.2. Waktu Pembuatan

Waktu pembuatan dilakukan pada rentang waktu antara bulan Februari hingga Maret 2016.

3.2. Alat dan Bahan Pembuatan 3.3.1. Alat Pembuatan

Adapun peralatan yang digunakan dalam proses pembuatan adalah: a. Gergaji kayu

b. Gergaji besi c. Mistar d. Pensil

e. Amplas kayu dengan ukuran nomor 400 dan 500 f. Pasah kayu

g. Mesin bor h. Mesin gerinda i. Kunci L j. Las listrik

3.2.2. Bahan Pembuatan

Bahan-bahan yang dipergunakan dalam pembuatan blade kincr angin ini adalah sebagai berikut :

a. Kayu pinus berbentuk balok dengan ukuran 1250 mm x 150 mm x 30 mm b. Elektroda

c. Besi pejal ukuran 12 mm d. Pernis kayu

3.3. Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan

Penelitian ini dilakukan beberapa tahapan, mulai dari persiapan, proses perancangan dan pembuatan, serta proses pengujian yang bertujuan untuk mengetahui apakah kincir dapat bekerja atau tidak. Tahapan penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.1.

Menentukan jenis kincir dan kecepatan angin rata-rata di wilayah pesisir Pantai Selatan Jawa

Menentukan jenis blade

Desain blade

A B

Studi Pustaka Mulai

32

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan Kincir dapat

beroperasi sesuai yang diharapakan?

Tidak

Kesimpulan Ya Proses manufaktur blade

A B

Proses asembly kincir

Selesai Hasil desain

33 BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan

4.1.1. Dasar Pemilihan Jenis Kincir Angin

Kincir angin merupakan salah satu jenis energi terbarukan yang ramah lingkungan yang dapat dipakai untuk memasok kebutuhan energi listrik masyarakat. Pada umumnya, perancangan dan pembuatan kincir angin tipe HAWT lebih banyak dibanding kincir tipe VAWT. Kincir angin HAWT dipilih karena, berdasarkan studi yang ada, karakteristik angin di wilayah pantai selatan Jawa adalah laminar. Angin laminar ditunjukan dengan bentuk pepohonan yang condong pada satu arah. Kincir angin HAWT sangat cocok diaplikasikan pada daerah yang karakteristik anginya adalah laminar bukan turbulen.

4.1.2. Potensi Kecepatan Angin

Untuk mempermudah dalam proses perancangan maka dipilih daerah pantai di sekitar Yogyakarta. Menurut studi yang dilakakukan, kecepatan angin di daerah pantai Pandansimo Daerah Istimewa Yogyakarta adalah sebesar 3–6 m/s (BPPT, 2015). Untuk mempermudah dalam perhitunangan maka, diasumsikan kecepatan angin sebesar = 4,5 m/s, karena diambil rata-rata.

4.1.3. Penentuan Daya Angin

Dalam perancangan diharapkan nantinya kincir dapat menghasilkan daya

output kincir sekitar 200 Watt pada kecepatan angin 4,5 m/s. Daya tersebut masih tergolong kecil, tapi cukup digunakan untuk skala rumah tangga yang tidak terlalu membutuhkan daya listrik yang besar.

Dengan memperhitungkan nilai efisiensi generator yang yang dipakai tidak dapat mencapai 100%, maka diasumsikan nilai efisiensi sebesar 75% maka:

= x 125% = 200 x 125 % = 250 Watt

34

Berdasarkan teori Betz, tidak semua daya mekanik kincir angin dapat terkonversi menjadi energi listrik, dengan mempertimbangkan efisiensi kincir (Cp) yang tidak mungkin melebihi 60% (Betz Lmits). Daya mekanik yang dapat terkonversi menjadi energi listrk adalah:

Asumsi : = 55%

P = x 145% = 250 x 145% = 362,5 Watt

Temperatur di daerah pantai Pandansimo Bantul Daerah Istimewa Yogyakarta, secara geografis temperature = 30 – 37

Asumsi = 35

Dari tabel propertis udara pada tekanan 1 atm (terlampir) diperoleh: = 1,145 kg/

= 4,5 m/dt

Dengan menggunakan persamaan daya angin maka luas area rotor dapat diketahui dengan persamaan:

P = 0,5. ρ. A .v³ A =

=

= 6,9 m2

4.1.4. Penentuan Diameter Rotor

Berdasarkan perhitungan daya mekanik didapat nilai luasan area rotor (sweap area) sebesar 6,9 m2 7 m2, maka diameter rotor dapat dihitung dengan:

A = d =

√

= √

Dari perhitungan di atas diameter rotor yang digunakan adala 3 m. setelah mengetahui diameter rotor yang digunakan selanjutnya dapat diketahui lebar sudu airfoil yang digunakan. Untuk diameter rotor 3 m dapat digunakan lebar aifoil sebesar 145 mm (Piggot, 2009 : 15).

4.1.5. Tip-Speed Ratio

TSR pada kincir angin merupakan rasio antara kecepatan tangensial ujung

blade dan kecepatan aktual angin. Karena ada parameter yang belum diketahui yaitu nilai putaran kincir ( ), maka untuk menentukan nilai TSR dapat ditentukan terlebih dahulu tanpa proses perhitungan (optional). Nilai TSR untuk kincir angin dapat dipilih antara 6-8. Untuk perancangan kincir angin dapat dipilih nilai TSR = 7 karena memiliki nilai Cp tertinggi (Piggott, 2003).

TSR =

n =

=

= 200 rpm

Dari perhitungan di atas dapat diketahui kincir angin dengan diameter rotor = 3 m, untuk menghasilkan nilai Cp tertinggi maka harus berputar sebesar 200 rpm pada kecepatan angin 4,5 m/s.

4.1.6. Rotor Solidity

Rotor solidity adalah perbandingan luas sudu dengan luas lintasan sudu. Nilai dari rotor solidity berpengaruh terhadap nilai torsi yang diterima oleh kincir. Jika solidity tinggi maka torsi yang dihasilkan juga tinggi, hal ini berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan oleh kincir angin. Berikut merupakan perhitungan untuk menentukan Rotor Solidity dengan:

36

 Jumlah blade (N) = 3

 Lebar airfoil (C) = 0,15 m

 Jari-jari rotor (R) = 1,5 m

Solidity = =

= 0,048

4.2. Perancangan Blade (Sudu) Kincir Angin 4.2.1. Proses Desain

Perancangan kincir angin pada tahap awal dimulai dengan menentukan jenis

blade yang akan dipakai. Jenis blade yang dipilih adalah tipe Clark-Y dengan permukaan bawah datar (flat botom). Proses selanjutnya adalah melakukan perhitungan dimensi blade kincir angin yang akan dipakai. Mempertimbangkan karakteristik blade yang digunakan, dimana ketebalan airfoil hanya 11.7% dari lebar airfoil maka desain blade yang dipilih menggunakan stik menempel pada

airfoil. Stik digunakan untuk memperkuat blade dan menghubungkan dengan hub kincir serta digunakan untuk mengatur sudut pitch blade. Setelah mendapat gambar desain yang diinginkan maka desain digambar menggunakan software

Autodesk Inventor. Melalui perangkat lunak inilah detail dan dimensi ditentukan Desain CAD dari airfoil yang dirancang ditunjukkan oleh Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Bentuk Airfoil

Gambar 4.3 gambar 3D kincir angin 4.2.2. Proses Analisa Desain

Bentuk blade yang sudah dibuat pada proses desain selanjutnya dilakukan proses analisa dengan cara melakukan simulasi menggunakan CFD. Proses simulasi dilakukan dengan tujuan mengetahui karakteristik dari blade kincir angin terhadap aliran fluida yang melaluinya, seperti ditunjukan pada gambar 4.4 berikut.

38

Gambar 4.4 Analisa aliran fluida pada blade

Gambar 4.5 Turbulensi pada blade

Pada gambar di atas menunjukan bahwa pada kecepatan angin operasi yaitu 4,5 m/s belum terlihat adanya turbulensi pada bagian ujung blade kincir. Turbulensi pada blade dapat menghambat kerja kincir angin, karena ketika terjadi turbulensi maka nilai gaya dorong (drag force) pada kincir akan meningkat. Gambar di atas menunjukan fenomena aliran fluida yang melewati blade, warna biru menunjukan kecepatan angin rendah dan warna kuning kemerahan menunjukan kecepatan angin tinggi. Pada bagian bawah airfoil menujukan warna biru dan hijau, hal ini menunjukan bahwa kecepatan fluida di bagian bawah airfoil

lebih rendah dari bagian atas airfoil. Karena kecepatan angin rendah maka Angin

tekananan pada bawah airfoil akan naik sehingga timbul gaya angkat (lift force). Gaya angkat inilah yang dimanfaatkan oleh airfoil untuk memutar kincir angin yang nantinya diubah oleh generator menjadi energi listrik.

Fenomena turbulensi baru terlihat pada bagian blade yang terhubung oleh stik, hal ini terjadi karena bentuk stik yang silinder dan menempel pada bagian bawah blade. Pada saat simulasi fenomena turbulensi ditunjukan oleh adanya warna biru pada bagian belakang stik seperti pada gambar 4.5.

Gambar 4.6 Distribusi tekanan pada bladeairfoil

40

Gambar di atas menunjukan distribusi tekanan yang diterima airfoil kincir angin. Dari gambar di atas dapat dilihat perbedaan warna pada bagian atas dan bawah airfoil. Warna biru menunjukan tekanan yang yang rendah sedangkan warna kuning menujukan tekanan yang lebih tinggi. Distribusi tekanan diatas menunjukan tekanan bagian bawah airfoil lebih tinggi dibandingkan bagian atas, sehingga timbul gaya angkat (lift force).

Gambar 4.8 Distribusi aliran fluida pada blade

Gambar 4.9 Distribusi aliran fluida pada blade yang dipasangi stik Angin

Gambar di atas adalah distribusi aliran fluida pada kecepatan angin 4,5 m/s dengan arah angin dari depan kincir. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa untuk blade yang tidak terpasang stik belum terlihat adanya indikasi tirbulensi, sehingga masih aman untuk digunakan. Efek turbulensi baru terlihat pada blade

yang dipasangi stik atau pada bagian pangkal blade. Fenomena turbulensi ditunjukan dengan warna biru tua pada bagian bawah blade yang dipasangi stik.

Gambar 4.10 Distribusi aliran tekanan pada blade

Gambar 4.11 Distribusi aliran tekanan pada blade yang dipasangi stik

Dari gambar di atas dapat dilihat perbedaan warna pada bagian atas dan bawah blade. Warna biru menunjukan tekanan yang yang rendah sedangkan

42

warna kuning kemerahan menujukan tekanan yang lebih tinggi. Berdasarkan gambar di atas tekanan pada bagian atas blade lebih tinggi dari pada bagian bawah

blade. Tekanan yang lebih tinggi pada bagian atas blade membuat kincir berputar, putaran kincir kemungkinan akan searah jarum jam akibat tekanan yang ditimbulkan oleh angin.

4.3. Perancangan Poros dan Gearbox 4.3.1. Perancangan Gearbox

Dengan mengacu pada kapasitas generator, daya yang ditransmisikan oleh kincir adalah 500 W. Dalam proses perancangan diperlukan daya rencana (Pd) dimana daya yang ditransmisikan dikalikan dengan faktor koreksi (fc) yang digunakan sebagai tindakan pengamanan.

Pd = fc . P

Dimana, untuk perancangan fc diambil 1,2 untuk daya maksimum sehingga: Pd = 1,2 x 500 W

= 600 W

Roda gigi yang digunakan adalah roda gigi involut lurus standar, roda gigi ini dipilih karena daya yang ditransmisikan tidak terlalu besar sehingga tidak membutuhkan putaran yang terlalu tinggi. Berikut beberapa data yang dibutuhkan dalam perancangan roda gigi lurus:

 Perbandingan roda gigi (i) = 3

 Putaran generator maksimum (ns2 ) = 1000 rpm (ns1 333 rpm)

 Jarak antara poros utama dan poros output = 100 mm  Dari diagram untuk daya rencana (Pd) 600 W (0,6 KW) maka modul

(m) dapat dipilih 1,25 (diagram modul gigi terlampir).  Diameter jarak bagi roda gigi (dp)

dp1 =

dp2 = =

=

= 50 mm

= 150 mm

 jumlah gigi (z)

z1 =

=

= 40

z2 = i. z1 = 40. 3 = 120 mm

 Diameter kepala

 

dk

dk1 = (z1+2)m dk2 = (z2+2)m = (40+2)1,25 = (120+2)1,25 = 52,5 mm = 152,5 mm  Diameter kaki (df)

df = (z-2,5)m maka:

df1 = (40-2,5)1,25 df2 = (120-2)1,25

df2 = 46,875 mm df2 =146,875 mm  Kecepatan keliling (v)

v =

=

= 2,615 m/s  Faktor koreksi terhadap kecepatan (fv)

fv =

=

= 0,534

44

 Faktor bentuk gigi (Y)

Faktor bentuk (Y) adalah nilai dari faktor bentuk roda gigi berdasarkan jumlah giginya (z). Berdasarkan tabel (terlampir), berikut nilai faktor bentuk untuk masing-masing roda gigi. Karena nilai faktor bentuk (Y) untuk z1 terletak antara Y38 dan Y43 dan z2 terletak pada Y100 dan Y150. Maka nilai faktor bentuk untuk roda gigi sat dan dua menjadi:

Y1 = Y40 = Y38 + ( Y43– Y38) = 0,383 + (0,396 – 0,383)

= 0,388

Y2 = Y120 = Y100 + (Y150 – Y120) = 0,446 + (0,459 – 0,446)

= 0,451

 Bahan roda gigi

Dalam perencanaan ini diambil bahan untuk semua roda gigi yaitu : S35C dengan kekuatan tarik ( B) = 52 Kg/mm

2

(510,12 Mpa) dengan nilai kekerasan Brinell (HB) = 149-207 dan nilai tegangan lentur ijin (σa) = 26 kg/mm² (255,06 Mpa) seperti pada tabel (terlampir).

 Beban lentur yang diizinkan (F’b)

F’b1 = σa. m. Y1. Fv

= 255,06. 1,25. 0,388. 0,534

= 66,06 Mpa

F’b2 = σa. m. Y2 .fv

= 255,06. 1,25. 0,451. 0,534 = 76,78Mpa

Berdasarkan tabel juga didapat nilai faktor tegangan kontak pada bahan roda gigi (KH) nilai KH digunakan untuk mengetahui nilai beban permukaan yang

diijinkan (F’H). Nilai faktor tegangan kontak bahan diambil berdasarkan nilai

kekerasan Brinell (HB), untuk baja S35C nilai HB diambil 200, maka nilai KH =

0,053 kg/mm² (0,52 N) F’H =

=

= 15,6 Mpa

 Gaya tangensial roda gigi Ft =

= = 229,44 N  Lebar roda gigi (b)

b = =

= 14,71 mm  Pengecekan keamanan roda gigi

Dalam pengecekan ini berfungsi untuk melihat apakah perbandingan roda gigi yang digunakan sudah ideal atau belum. Syarat roda gigi ideal adalah:

1. b/m = 6-10 2. d/b > 1,5 Dimana:

b = Lebar roda gigi (mm) m = Modul (mm)

46

Maka :

 b/m = 14,71/1,25

= 13,46 kurang sesui  d/b = 25/14,71

= 1,69 sesuai

Dari hasil perhitungan diatas maka tidak direkomendasikan untuk menggunakan lebar roda gigi sebesar 14,71 karena hasilnya tidak ideal. Lebar roda gigi disarankan untuk dibuat maksimum 12,5 mm sehingga ideal untuk digunakan.

4.3.2. Perancangan Poros

Untuk perancangan poros digunakan material baja S30C dengan diameter 25 mm,dari data tabel didapat nilai kuat tarik bahan �B = 48 kg/mm2 (470,88 Mpa) maka tegangan geser yang diijinkan adalah:

a = =

= 39,24 Mpa Kererangan:

- Sf1 = Faktor keaman jenis bahan, Untuk bahan S-C besarnya adalah 6,0

- Sf2= Faktor keamanan yang tergantung pada bentuk poros yang harganya

berkisar antara 1,3-3,0.

 Nilai torsi yang terjadi pada poros T = 9,549x106

= 9,549x106

= 17205,41 N.mm

 Nilai tegangan geser yang terjadi pada poros

=5,1 = 5,1

=

6,62 Mpa

Dari hasil perhitungan didapat nilai tegangan geser yang terjadi pada poros kincir adalah 6,62 Mpa lebih kecil dari nilai tergangan geser yang diijinkan yaitu 39,24 Mpa. Poros yang digunakan bisa dikatakan aman karena nilai tegangan geser yang terjadi lebih kecil dari tegangan geser yang diijinkan.

4.4.Proses Pembuatan Blade 4.4.1. Pembuatan Pola

Bentuk desain yang telah ditentukan pada tahap perancangan kemudian di gambar sketsa pola pada balok kayu pinus yang akan digunakan untuk membuat

blade dengan menggunakan penggaris dan pensil. Pada tahapan ini dilakukan secara manual.

Gambar 4.12 Balok kayu pinus

48

Gambar 4.13 Pola pada kayu pinus 4.4.2. Proses penyerutan

Setelah pola digambar pada kayu, kemudian dilakukan proses penyerutan, proses ini dilakukan secara manual dengan menggunakan gerinda yang mata gerindanya diubah dengan depasangi amplas khusus kayu. Pada proses digunakan amplas kasar dengan nomor 400. Karena semua proses dilakukan secara manual, maka pada proses ini dilakukan secara hati-hati karena jika terjadi kesalahan maka hasil profil airfoil pada kayu akan tidak sesui yang diharapkan.

Gambar 4.15 Kayu setelah dilakukan penyerutan 4.4.3. Proses Pengamplasan

Proses pengamplasan dilakukan dengan tujuan memperhalus permukaan kayu. Pada proses ini dilakukan secara manual karena proses ini merupakan proses akhir penghalusan sehingga perlu kehati-hatian. Proses ini juga bertujuan untuk mempertegas profil airfoil pada kayu pinus. Pada proses ini digunakan amplas nomor 500.

50

4.4.4. Proses Finishing

Pada proses ini dilakukan proses pemernisan (penutupan pori-pori pada kayu) menggunakan cat pernis kayu. Proses ini dilakukan dengan tujuan untuk menutup pori-pori kayu agar tidak terjadi jamur pada kayu.

Gambar 4.17 Proses finishing

Seteleh proses finishing selesai maka blade selanjutnya dapat dilakukan proses perakitan dengan stik blade yang nantinya dirakit bersama kincir dan siap dilakukan uji coba lebih lanjut.

Gambar 4.19 Stik blade

Gambar 4.20 Blade yang sudah dirakit dengan stik blade

4.4.5. Hasil Pembuatan Kincir Angin

Blade yang sudah selesai dibuat dan derikat dengan stik, selanjutnya siap dipasang pada kincir. Kincir angin yang sudah selesai dibuat yang selanjutnya siap untuk dilakukan proses pengujian untuk mengetahui apakah kincir angin dapat bekerja atau tidak, ditunjukan pada Gambar 4.9 berikut.

52

Gambar 4.21 Kincir Angin HAWT

Gambar di atas merupakan gambar komponen kincir angin yang terpasang saat uji coba. Berikut keterangan komponen berdasarkan gambar di atas.

a. Blade

Berfungsi untuk menangkap energi mekanik angin yang kemudian diteruskan ke poros kincir.

b. Tower/tiang penyangga

Berfungsi sebagai penyangga kincir angin. c. Spanner/ kabel pancang

Berfungsi sebagai penguat tower/ tiang penyangga agar saat terkena angin kuat tower tidak mengalami kerusakan dan membahayakan kincir angin. d. Pondasi

Sebagai tempat dudukan tower yang akan dipasangi kincir angin. Pondasi harus cukup kuat agar mampu menopang beban berat dari kincir angin. Sudu (blade)

Tower/tiang

Spaner

Pondasi Tiang

Ekor

Kabel Nacelle

e. Nacelle

Adalah tempat/ rumah bagi generator, gearbok dan poros kincir. f. Ekor

Berfungsi sebagai penyearah datangnya angin. g. Kabel

Kabel berfungsi meneruskan daya output kincir ke penyimpan daya/ baterai.

4.5. Uji Coba Kincir Angin

Uji coba ini bertujuan untuk mengetahui apakah kincir dapat beroprasi pada kecepatan angin yang diharapkan saat perancangan yaitu antara 3-6 m/s. Tempat dilakukannya uji coba adalah di Pantai Baru Pandansimo Bantul pada tanggal 14 Mei 2016. Tempat ini dipilih karena selain dekat dengan kampus UMY juga merupakan salah satu pusat laboratorium energi terbarukan terutama energi angin dan sell surya di Indonesia. Dari hasil uji coba yang dilakukan kincir angin yang dibuat dapat berputar pada kecepatan angin antara 1,5-3,9 m/s hal ini bisa dikatatakan sesui dengan perancangan yang dilakukan. Karena angin yang dihasilkan rendah maka konsekuensinya daya yang dihasilkan juga rendah.

54

4.6.Estimasi Biaya Pembuatan

Pada bagian ini dilakuakan proses analisa biaya yang bertujuan untuk mengetahui total biaya yang digunakan untuk membuat satu set kincir angin. Berikut merupakan tebel estimasi biaya yang digunakan selama pembuatan kincir.

Tabel 4.1 Tebel Estimasi Biaya Pebuatan Kincir No

Nama Barang

Frekuensi Harga

satuan Total 1 Generator 500 Watt 1 Buah RP. 750.000 RP. 750.000 2 Tri Angle 4 m 2 Buah RP. 400.000 RP. 400.000 3 Kayu Pinus 1250 x 150

x 30 (mm)

3 Buah RP. 60.000 RP.180.000

4 Besi kotak 20 x 20 x 20 (mm)

6 Meter RP. 100.000 RP. 100.000

5 Besi pejal ɸ 12 mm (6 m)

1 Buah RP. 75.000 RP. 75.000

6 Besi pejal ɸ 25 mm (1 m )

1 Buah RP. 80.000 RP. 80.000

7 Plat baja 50 x 50 x 5 (mm)

1 Buah RP. 100.000 RP. 100.000

8 Bearing ɸ 25 mm 4 Buah RP. 35.000 RP. 140.000 9 Kabel serat 10 meter RP. 15.000 RP. 150.000 10 Aki (Accu) 12V 2 Buah RP. 200.000 RP. 400.000 11 Tali kawat (spaner)

ɸ 3mm

30 Meter RP. 5.000 RP. 150.000

12 Gear box 1 Pasang Rp. 100.000 Rp. 100.000

13 Mur baut 60 Buah Rp. 3.000 Rp. 180.000

14 Hub 1 Buah Rp.200.000 Rp.200.000

Biaya di atas adalah biaya perkiraan untuk membuat satu buah kincir angin tipe HAWT. Biaya tersebut belum termasuk biaya produksi (pengelasan dan pembubutan), untuk biaya produksi berkisar antara Rp. 500.000. Setelah ditambah biaya produksi maka diperkirakan untuk membuat satu buah kincir angin membutuhkan biaya minimal Rp. 3.505.000. Harga tersebut lebih murah jika dibandingkan dengan membeli kincir angin pabrikan yang harganya mencapai Rp. 5.000.000 untuk kapasitas yang sama yaitu 500 Watt.

56 BABV PENUTUP 5.1 Kesimpulan

Berdasarkan pada perancangan dan pembuatan yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Kincir angin yang dirancang dan dibuat adalah kincir angin tipe

horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) berjumlah sudu 3 dengan material sudu dari kayu Pinus. Diameter rotor (D) yang digunakan adalah 3 m dengan perbandingan roda gigi pada gearboxs adalah 1:3 serta kapsitas generator yang digunakan adalah 500 Watt. Bentuk airfoil yang dipilih adalah tipe Clark-Y dengan permukaan bawah airfoil berbentuk datar (flat botom) dengan dimensi 1000 mm x 150 mm x 17,5 mm.

2. Setelah dilakukan uji coba di Pantai Baru Pandansimo Bantul pada tanggal 14 Mei 2016 kincir angin dapat beroprasi pada kecepatan angin sebesar 1,5-3,9 m/s.

5.2 Saran

Saran yang dapat berikan untuk pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk peneliti selanjutnya diharapkan mampu merancang generator kincir angin yang sesuai untuk kecepatan angin rendah dan dapat mengurangi lendutan pada generator. Dengan menghilangkan lendutan pada generator maka kincir dapat beroprasi pada kecepatan yang sangat rendah.

2. Perlu adanya perbaikan blade dengan menghilangkan stik pada blade. Stik ini menempel pada blade sehingga dapat menimbulkan turbulensi pada blade

57

DAFTAR PUSTAKA

Alfarisi, Mika Salman. 2016. Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Horizontal Kapasitas 1000 Watt. Tugas Akhir Program Studi Diploma III Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Semarang.

Anonim. Generator DC dan Motor DC.

http://garagedebilt.nl/werkplaats/werkplaats/accucontrole. Diakses pada selasa, 17 Februari 2016 pukul 22.00 WIB.

Anonim. http://www.karyaagung.net/index.php/mur-nut/. Diakses pada selasa 20 Mei 2016, pukul 12.00 WIB.

Anonim. 2010. Basic Aerodynamics.http://code7700.com/lift.html. Diakses pada

Jum’at 22 Mei 2015 pukul 21.30 WIB.

Asy’i, Hisyam. 2012. Desain Prototipe Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan Turbin Angin Horisontal dan Generator Magnet Permanen Tipe Axial Kecepatan Rendah. Prosiding, Seminar Nasional Aplikasi Sains &Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta.

Azad, A.K. 2012. Design of a Horizontal Axis Wind Turbine for Electricity Generation in Low Speed Windly Sites. International Journal of Anvanced Renewable Energy Research.

Herlambang, Y. D. 2013. Kaji Eksperimental Turbin Angin Multiblade Tipe Sudu Flate Plate Sebagai Penggerak Mula Pompa Air. Prosiding, Seminar Nasional Aplikasi Sains &Teknologi (SNAST) Periode 4 Universitas Wahid Hasyim Semarang. Semarang.

Indah, Serah. 2004. Perancangan Pembuatan dan Pengujian Turbin Angin Sumbu Horisontal 3 Sudu Berdiameter 2 meter. Skripsi, Institut Teknologi Bandung, Bandung.

Miranda, Daniel. 2013. Jenis Jenis Turbin Angin.

http://www.getsttpln.com/2014/03/jenis-jenis-turbin-angin.html. Diakses

pada Jum’at 22 Mei 2015 pukul 21.00 WIB.

Miranda, Daniel 2013. Komponen PLTB.

http://www.getsttpln.com/2014/03/komponen-pltb.html. Diakses pada

Jum’at 22 Mei 2015 pukul 21.10 WIB.

Piggoot, Hugh. A Wind Turbine Recipe Book- The Axial Flux Winmill Plans.

Januari 2009 Matric Edition.

Piggoott, Hugh. 2003. How to Build a Wind Turbine Axial flux - the axial flux alternator windmill plans. British Wind Energy Association. U.K

58

Sularso dan Suga.K, 1997. Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin. PT. Pradya Paramitha, Jakarta.

WHyPGen - BPPT. 2015. Peta Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) di Indonesia dan Hasil Kajian Awal PLTB di 10 Lokasi. Serpong. Tangerang Selatan.

59

60

Lampiran 1

Gambar 1. Diagram pemilihan modul roda gigi lurus (Sularso dan Suga, 1997 Hal 245)

Lampiran 2.

62

Lampiran 3.

Tabel 2. Karakteristik bahan roda gigi (Sularso dan Suga, 1997 Hal 241)

Bahan Lambang bahan

Kekuatan tarik

σB (Kg/mm2)

Kekerasan (Brinell) H_B

Tegangan Lentur yang diizinkan



_/ 2



mm Kg a  Besi Cor FC 15 FC 20 FC 25 FC 30 15 20 25 30

140 – 160 160 -180 180 – 240 190 – 240

7 9 11 13 Baja Cor SC 42 SC 46 SC 49 42 46 49 140 160 190 12 19 20 Baja karbon untuk konstruksi mesin S25C S35C S45C 45 52 58

123 – 183 149 – 207 167 – 229

21 26 30 Baja paduan dengan pengerasan kulit

S 15 CK 50

400 (dicelip dingin dalam minyak) 3C SNC 21 SNC 22 80 100 600 (dicelup dingin dalam air)

35 – 40 40- 55 Baja Chrom nikel SNC 1 SNC 2 SNC 3 75 85 95

212 – 225 248 – 302 269 -321

35 -40 40 – 60 40 – 60 Perunggu logam delta Perunggu phospor Perunggu nikel 18 35 -60 19 -30 64 -90 85 - 70 -100 180 – 260

5 10 -20

5 – 7 20 – 3- Dammar

Lampiran 4.

Tabel 3. Faktor bentuk roda gigi (Sularso dan Suga, 1997 Hal 240)

Jumlah gigi (z) Y Jumlah gigi (z) Y

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0,201 0,226 0,245 0,261 0,276 0,289 0,295 0,302 0,308 0,314 0,320 0,327 0,333 25 27 30 34 38 43 50 60 75 100 150 300 Batang gigi 0,339 0,349 0,358 0,371 0,383 0,396 0,408 0,421 0,434 0,446 0,459 0,471 0,484

64

Lampiran 5.

Tabel 4. Faktor dinamis roda gigi (fv)

(Sularso dan Suga, 1997 Hal 240) Kecepatan rendah (v = 0,5 – 10 m/s)

v f_v   3 3

Kecepatan sedang (v = 5 – 20 m/s)

Kecepatan sedang (v = 20 – 50 m/s)

v f_v   6 3 v f_v   5 , 5 5 , 5

Tabel 7. Faktor koreksi daya yang ditransmisikan (fc)

(Sularso dan Suga 1997 Hal 7) Daya rata-rata yang akan ditransmisiikan fc

Daya rata-rata yang diperlukan Daya maksimum yang diperlukan Daya normal

1,2-2,0 0,8-1,2 1,0-1,5

Lampiran 6.

Tabel 5. Faktor tegangan kontak bahan roda gigi (Sularso dan Suga, 1997 Hal 243)

Bahan Roda gigi (Kekerasan HB)

Kn

(kg/mm2)

Pinyon Roda gigi besar Baja (150)

,, (200) ,, (250) ,, (200) ,, (250) ,, (300) ,, (250) ,, (300) ,, (350) ,, (300) ,, (350) ,, (400) ,, (350) ,, (400) ,, (500) ,, (400) ,, (400) ,, (400) ,, (500) ,, (600) ,, (150) ,, (200) ,, (250) ,, (300) ,, (150) ,, (200) ,, (250) Besi cor Besi cor nikel Perunggu nikel

Baja (150) ,, (150) ,, (150) ,, (200) ,, (200) ,, (200) ,, (250) ,, (250) ,, (250) ,, (300) ,, (300) ,, (300) ,, (350) ,, (350) ,, (350) ,, (400) ,, (400) ,, (400) ,, (500) ,, (600) Besi cor ,, ,, ,, Perunggu fosfor ,, ,, Besi cor Besi cor nikel Perunggu fosfor 0,027 0,039 0,053 0,053 0,069 0,086 0,086 0,107 0,130 0,130 0,154 0,168 0,182 0,210 0,226 0,311 0,329 0,348 0,389 0,569 0,039 0,079 0,130 0,139 0,041 0,082 0,135 0,188 0,186 0,155

66

Lampiran 7.

Tabel 6. bahan untuk konstruksi mesin (Sularso dan Suga, 1997 Hal 3) Jenis Lambang Perlakuan

permukaan Kekuatan tarik ijin keterangan Baja karbon konstruksi mesin (JIS G

4501 ) S30C S35C S40C S45C S50C S55C Penormalan ,, ,, ,, ,, ,, 48 52 55 58 62 66 Batang baja difinis dingin S35C-D S45C-D S55C-D - - - 53 60 72 Ditarik dingin, digerinda, dibubut, atau gabungan antara hal-hal tersebut

Lampiran 8.

Komponen Utama Kincir Angin

Generator _{Poros dan Roda Gigi}

Frame Kincir

Blade Hub

Generator _{Poros dan Roda Gigi}

Frame Kincir

Blade Hub

68

Tower (Tiang Penyangga) Kebel Spaner

Kabel Output