Kopling sentrifugal sebagai penerus daya kincir angin - USD Repository

  

KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUS

DAYA KINCIR ANGIN

NASKAH TUGAS AKHIR

  Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana Teknik di Teknik Mesin

  Diajukan oleh : Yessiko Yolanda Dwipunopanen

  NIM : 045214070

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

  

CENTRIFUGAL CLUTCH FOR THE WIND TURBINE

POWER TRANSMISSION

A THESIS

  Presented as Partial Fulfilment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical of Engineering

  By: Yessiko Yolanda Dwipunopanen

  NIM: 045214070

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan diawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma: Nama : Yessiko Yolanda Dwipunopanen Nomor Mahasiswa : 045214070

  Demi mengembangkan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

  

KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI

PENERUS DAYA KINCIR ANGIN

  beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). 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 mempublikasikannya 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 : 19 Maret 2008

  Yang menyatakan, (Yessiko Yolanda Dwipunopanen)

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak didapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 7 Januari 2008 Yessiko Yolanda Dwipunopanen

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Karya sederhana ini kupersembahkan kepada : Tuhan dan pembimbing batinku, Yesus Kristus, yang senantiasa mendampingi dan meluruskan jalanku sampai dengan saat ini.

  Kedua orangtuaku yang akan selalu kucintai dan kusayangi dan akan terus begitu selama hidupku.

  Kekasihku tercinta yang selalu memotivasiku. Sahabat-sahabatku yang selalu mendukung diriku.

  

INTISARI

  Saat ini pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit listrik masih dalam tahap pengembangan. Berbagai cara dilakukan untuk memanfaatkan energi yang diterima oleh kincir se-efektif mungkin agar energi tersebut dapat dimanfaatkan sebesar-besarnya. Salah satu cara untuk meningkatkan kinerja kincir angin adalah dengan penerapan teknologi kopling sentrifugal untuk merekayasa putaran output kincir agar dapat dimanfaatkan oleh generator pembangkit listrik secara lebih optimal.

  Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan merekayasa kopling sentrifugal sedemikian rupa agar dapat bekerja pada putaran yang direncanakan, yaitu 400 rpm, 500 rpm dan 600 rpm, dan kemudian kinerja model diuji pada beberapa variasi kecepatan angin dengan beban alternator.

  Hasil yang diperoleh dari penelitian ini berupa grafik-grafik kerja kopling sentrifugal pada variasi massa bandul kopling yang digunakan. Untuk putaran kerja kopling, masing-masing diperoleh pada; massa bandul kopling 40 gram di putaran kerja 460 rpm, masa bandul kopling 20 gram di putaran kerja 705 rpm, sedangkan untuk massa bandul kopling 10 gram putaran kerja belum diketahui karena keterbatasan alat uji.

  

Kata kunci : energi alternatif, transmisi, kopling, sentrifugal, pembangkit listrik,

kincir angin.

  

ABSTRACT

In this time windmill utilization as power station is still in development stage.

  Various methods have been done to make use of the energy received by propeller as effective as may be so that energy can be used as great as possible. One way to increase the windmill working capability is by applying centrifugal clutch technology to manipulate propeller output rotation so that it can be utilized by electric power generator optimally.

  The method applied in this research was conducted by manipulating centrifugal clutch as such a manner to work on planned rotations, which were 400 rpm, 500 rpm, and 600 rpm. Then, the working performance of this model was tested on some wind velocity with load alternator variations.

  The result of this research was in the form of centrifugal clutch working charts on the clutch swing mass variations that were applied. Meanwhile, each of clutch working rotations were derived for the clutch swing mass 40 gram on the working rotation 460 rpm, for the clutch swing mass 20 gram on the working rotation 705 rpm, while for the clutch swing mass 10 gram on unknown working rotation because limitedness from the instrument.

  

Keyword: alternative energy, transmission, coupling, centrifugal, power station,

windmill.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan dan Juru Selamat Manusia Yesus Kristus yang telah melimpahkan kasih dan karunia yang begitu besar, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi Tugas Akhir ini dengan baik. Skripsi Tugas Akhir yang berjudul Kopling Sentrifugal Sebagai Penerus Daya Kincir Angin ini ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Selesainya skripsi ini tentu tidak lepas dari bantuan, dukungan, bimbingan, dan kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dari hati yang tulus penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan dorongan baik secara langsung, maupun tidak langsung dalam proses penelitian dan penulisan skripsi ini.

  1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  2. Bapak Ir. YB Lukiyanto, M.T. selaku kepala Lab. Konversi Energi FST- USD dan dosen Pembimbing I yang telah membimbing penulis dengan penuh kesabaran.

  3. Bapak Budi Sugiharto, S.T.,M.T. selaku Kaprodi Teknik Mesin FST-USD dan dosen Pembimbing II yang telah membimbing penulis dengan kesabaran, ketelitian, dan selalu memberikan motivasi kepada penulis.

  4. Seluruh Dosen Teknik Mesin FST-USD yang telah membagi ilmunya

  5. Mas Intan, Mas Roni dan Mas Martono selaku Laboran Teknik mesin FST-USD.

  6. Mas Tri selaku staf sekretariat Teknik mesin FST-USD.

  7. Ayahku tercinta, Laurentius Ladja, dan Ibuku tersayang, Yohana Ani.

  8. Saudaraku satu-satunya, Teddy Yolanda Wawamapanta beserta istri dan keponakan pertamaku.

  9. Keluarga Uak Sugi dan Uak Rosa di Pasiran, Singkawang.

  10. Elisabeth Putri Swastikasari, kekasihku tercinta.

  11. Teman-teman seluruh angkatan Teknik Mesin FST-USD.

  Penulis menyadari bahwa penelitian ini masih banyak kekurangan dan masih jauh dari sempurna. Kritik dan saran yang membangun bagi penulis akan penulis terima dengan senang hati. Penulis berharap semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

  Penulis

  

DAFTAR ISI

  Halaman

  HALAMAN JUDUL ………………………...……………..……………. i TITLE PAGE ............................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING....................................... iii HALAMAN PENGESAHAN.................................................................... iv LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS................. v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................................... vi HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................ vii

  INTISARI ................................................................................................... viii ABSTRACT

  ................................................................................................. ix

  KATA PENGANTAR …………………………………………………… x DAFTAR ISI ……………………………………………………………... xii DAFTAR GAMBAR................................................................................... xv

DAFTAR TABEL........................................................................................ xviii

DAFTAR LAMPIRAN …………………………….…………..………… xix

  BAB I PENDAHULUAN ………………………………...…..…………. 1

  1.1 Latar Belakang Penelitian ……………..…......…………… 1 1.2 Perumusan Masalah ……………….…………..…………..

  2

  1.3 Pembatasan Masalah ………………………… .…..………. 2

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

  1.6 Metode Penelitian................................................................

  2.3.4. Pegas Sekrup Silinder Dengan Penampang Melintang Konstan.................................................. 23

  3.3.3. Pemilihan Massa Bandul......................................... 37

  3.3.2. Pemilihan Tipe Pegas.............................................. 33

  3.3.1. Massa Bandul Maksimum....................................... 32

  28

  27 3.3 Kopling Sentrifugal………………………….............…….

  3.2 Transmisi ………………………………….....……………

  26

  BAB III PERANCANGAN MASSA BANDUL KOPLING SENTRIFUGAL ………….……………………… 26 3.1 Daya Angin ………………………….....……….…...…….

  2.3.3. Gaya Fiktif Akibat Gerak Lingkar.......................... 21

  4

  2.3.2. Gaya Sentripetal...................................................... 19

  2.3.1. Gerak Lingkar......................................................... 12

  2.3 Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal............................................................. 12

  11

  2.2 Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin ………………………………..……

  6

  2.1 Energi Angin ………………………………….......………

  

BAB II DASAR TEORI ………………........……………....………….. 6

  1.7 Sistematika Penyajian ………………………..…………… 4

  BAB IV CARA PENELITIAN

  4.2 Mengetahui Putaran Kincir Tanpa Beban Alternator........... 51

  4.3 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Kecepatan Angin Konstan............................................ 51

  4.4 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Variasi Kecepatan Angin.............................................. 52

  

BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN............................ 53

  5.1 Pembahasan Pengaruh Kecepatan Angin Pada Putaran Kincir Tanpa Beban................................................ 53

  5.2 Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 10 gr.......... 54

  5.3 Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 20 gr.......... 57

  5.4 Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 40 gr.......... 60

  5.5 Pembahasan Perbandingan Putaran Slip Kopling Pada Masing-Masing Massa Bandul............................................. 63 BAB VI PENUTUP ...................................................................................

  66 6.1 Kesimpulan ........................................................................

  66 6.2 Saran...................................................................................

  68 DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................

  70 LAMPIRAN

Gambar 3.4. Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang digunakan...................................................

  29 Gambar 3.5. Statika gaya-gaya yang bekerja pada sepatu kopling...........

  30 Gambar 3.6. Dimensi bandul maksimum..................................................

  32 Gambar 3.7. Alat untuk mencari konstanta pegas.....................................

  33 Gambar 3.8. Grafik perbandingan beban vs defleksi pegas......................

  37 Gambar 3.9. Pusat massa sepatu kopling..................................................

  38 Gambar 4.1. Rangkaian kelistrikan alternator hasil modifikasi................

  49 Gambar 4.2. Sistem kincir angin yang akan diuji.....................................

  50 Gambar 4.3. Beban lampu yang digunakan saat pengujian......................

  50 Gambar 5.1. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran kincir......

  54 Gambar 5.2. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi dan alternator (m = 10 gr)........................

  55 Gambar 5.3. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 10 gr)...................................................................

  57 Gambar 5.4. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi dan alternator (m = 20 gr).....................................................

  58 Gambar 5.5. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 20 gr).................................................................

  60 Gambar 5.6. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi dan alternator (m = 40 gr)........................

  61 Gambar 5.7. Grafik pembebanan alternator vs putaran

Gambar 5.8. Grafik perbandingan kecepatan angin vs jumlah slip kopling................................................................

  65

  

DAFTAR TABEL

  Halaman

  Tabel 1. Nilai k untuk penampang melintang lingkaran,

  tergantung pada w = D/d............................................................. 24

  Tabel 2. Data pembebanan pegas Tipe A

• (x = 9 mm; ukuran jumlah lilitan )............................................ 34

  Tabel 3. Data pembebanan pegas Tipe B (L = 26 mm).......................... 35 p2

  Tabel 4. Data pembebanan pegas Tipe C (L = 22 mm).......................... 36 p3

  Tabel 5. Putaran kincir dengan V bervariasi dan beban angin

  alternator = 0............................................................................... 53

  Tabel 6. Putaran kincir dengan V bervariasi dan alternator angin

  dibebani (m = 10 gr).................................................................... 55

  Tabel 7. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 10 gr)..................... 56 Tabel 8. Putaran kincir dengan V bervariasi dan alternator angin

  dibebani (m = 20 gr).................................................................... 58

  Tabel 9. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 20 gr)...................... 59 Tabel 10. Putaran kincir dengan V bervariasi dan alternator angin

  dibebani (m = 40 gr).................................................................... 61

  Tabel 11. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 40 gr)..................... 62 Tabel 12. Pengaruh kecepatan angin terhadap variasi

  massa bandul dan jumlah putaran slip kopling........................... 64

  

DAFTAR LAMPIRAN

  Halaman

  

Lampiran I. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 10 gr..........................L1

Lampiran II. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 20 gr..........................L4

Lampiran III. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 40 gr..........................L7

Lampiran IV. Data Konstruksi Kopling dan Pegas.......................................... L10

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Penelitian

  Pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit energi listrik di Indonesia belum terlalu dikenal masyarakat. Mayoritas masyarakat pada umumnya masih bergantung pada Perusahaan Listrik Negara (PLN) untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang kebanyakan bersumber pada energi berbahan bakar fosil.

  Padahal energi angin yang tersedia di wilayah Indonesia cukup melimpah (sebagai contoh di wilayah Timur Indonesia) untuk dikembangkan lebih lanjut sehingga masyarakat tidak terlalu tergantung lagi pada PLN. Oleh karena itu, sudah saatnya kincir angin digunakan sebagai pembangkit listrik alternatif di Indonesia.

  Teknologi pembuatan kincir angin di Indonesia saat ini sedang dalam tahap pengembangan. Beberapa pihak sedang gencar melakukan penelitian untuk meningkatkan kinerja kincir angin. Permasalahan yang kerap kali timbul terjadi, akibat kecepatan angin yang selalu berubah, yang mengakibatkan putaran kincir angin kontras dengan putaran kerja generator. Pada saat kecepatan angin rendah, putaran yang dihasilkan kincir tidak dapat mencapai putaran kerja generator.

  Padahal generator (alternator mobil) yang tersedia di pasaran dengan harga relatif murah kebanyakan memiliki putaran kerja yang cukup tinggi, sekitar 700 rpm untuk menghasilkan listrik ( http://www.galerimotor.com/home.htm ).

  Untuk mengatasi kelemahan pada putaran beban kincir angin tersebut di atas, daya dan putaran kincir angin agar generator dapat bekerja secara optimal. Hasil dari penelitian ini diwujudkan dalam penelitian dan pembuatan model kopling sentrifugal yang nantinya diharap dapat memberikan kontribusi data-data hasil penelitian untuk dimanfaatkan sebagai penerus putaran kincir angin pembangkit listrik.

  1.2. Perumusan Masalah

  Permasalahan yang terjadi dalam penggunaan kincir angin saat ini berhubungan dengan putaran kincir angin pada kecepatan angin rendah yang kontras dengan putaran kerja generator. Permasalahan ini dapat dirumuskan sebagai berikut; “Bagaimana cara merekayasa putaran kincir angin pada

  

kecepatan angin yang selalu berubah agar dapat menghasilkan putaran yang

optimal pada generator pembangkit listrik?”

  1.3. Pembatasan Masalah

  Penelitian kincir angin sebagai pembangkit listrik pada penelitian ini hanya menyangkut permasalahan rekayasa putaran kincir angin pada beberapa variasi kecepatan angin agar dapat menghasilkan putaran output yang optimal untuk menggerakkan generator. Rekayasa dilakukan dengan menyelidiki pengaruh penggunaan kopling sentrifugal sebagai penerus daya dan putaran ke generator pembangkit listrik pada kincir angin.

  1.4. Tujuan Penelitian

  Adapun beberapa tujuan dari kegiatan penelitian yang dapat dikemukakan antara lain adalah sebagai berikut:

• Menentukan bandul pada kopling sentrifugal agar dapat bekerja dengan putaran tanpa slip dengan ketentuan putaran masing-masing; 400 rpm, 500 rpm dan 600 rpm.
• Mengetahui kecepatan angin pada saat terjadi slip maksimum terhadap pengaruh variasi massa bandul kopling.
• Mendapatkan grafik unjuk kerja kopling sentrifugal pada kincir angin dengan beberapa variasi kecepatan angin dan pembebanan alternator.

  1.5. Manfaat Penelitian

  Adapun manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini antara lain:

• Aplikasi kopling sentrifugal pada kincir angin pembangkit listrik untuk dapat memaksimalkan kerja generator.
• Mendapatkan rancangan dan model kombinasi antara transmisi puli dan sabuk, roda gigi dan kopling sentrifugal untuk meneruskan putaran kincir angin sebagai pembangkit listrik.
• Mengembangkan teknologi pemanfaatan energi angin di Indonesia.

  1.6. Metode Penelitian

  Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan baik secara empiris dan teori. Sistematika rancangan pelaksanaan kegiatan dari penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir berikut ini:

  Perhitungan bentuk dimensi, pemilihan bahan serta variasi massa bandul sepatu kopling. Pemilihan bahan alternatif Survey tersedianya bahan baku di pasaran

  Tidak tersedia Tersedia

  Pembuatan gambar

model

Pembuatan dan

perakitan prototipe

  Pengujian variasi massa bandul Kesimpulan terhadap putaran kerja kopling yang hasil penelitian direncanakan Penulisan laporan akhir dan publikasi hasil penelitian

  1.7. Sistematika Penyajian

  Bab II Dasar Teori, bab ini berisi tinjauan pustaka, landasan teori yang berisi teori struktural dan analisis struktural serta unsur teknis tentang cara kerja dan gaya-gaya yang bekerja pada kopling sentrifugal.

  Bab III Perancangan Massa Bandul Kopling Sentrifugal, bab ini berisi hasil perancangan dan perhitungan teoritis untuk menentukan massa bandul kopling untuk menentukan dimensi-dimensi kopling dan jenis pegas yang digunakan dalam penelitian dengan pendekatan rumus-rumus tentang Fisika Dasar, Elemen Mesin, Dinamika Teknik dan Statika Gaya.

  Bab IV Cara Pengujian, bab ini berisi cara-cara pengambilan data yang dilakukan selama masa pengujian, yang meliputi metode pengukuran beban alternator dan cara memvariasikan kecepatan angin.

  Bab V Hasil Pengujian Dan Pembahasan, bab ini berisi data-data, pembahasan dan perhitungan aktual yang didapatkan dari hasil pengujian unjuk kerja kopling sebagai penerus daya dan putaran kincir angin yang ditinjau dari kecepatan angin dan reaksi kopling terhadap pembebanan alternator.

  Bab VI Penutup, bab ini berisi kesimpulan dan saran penggunaan kopling sentrifugal sebagai penerus daya dan putaran kincir angin pembangkit tenaga listrik.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Energi Angin

  Semua energi terbarukan (kecuali energi gelombang laut dan panas bumi), dan bahkan energi yang berasal dari bahan bakar fosil, bersumber dari energi matahari. Matahari memancarkan energi radiasi 174.423.000.000.000 kWH yang dipancarkan ke bumi tiap jamnya, atau dengan kata lain, bumi menerima daya

  17

  sebesar 1,74 x 10 Watt (http:// id.wikipedia.org) Diperkirakan 1% – 2% energi yang bersumber dari matahari dikonversikan menjadi energi angin. Jumlah tersebut kira-kira 50 – 100 kali lebih besar dari energi yang dikonversikan menjadi biomassa oleh semua tumbuh-tumbuhan yang ada di bumi.

Gambar 2.1. Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra merah

  satelit (Sumber: satelit NASA, NOAA-7, Juli 1984) Daerah sekitar Khatulistiwa, pada 0° garis lintang menerima pemanasan yang Seperti terlihat pada Gambar 2.1, daerah-daerah yang menerima panas berlebih diindikasikan dengan warna merah, jingga dan kuning.

  Udara panas lebih ringan daripada udara dingin sehingga udara panas tersebut naik menjauhi permukaan bumi sejauh kurang lebih 10 km (6 mil) dan akan menyebar ke Utara dan Selatan. Jika bumi tidak berputar, udara akan dengan mudah mencapai Kutub Utara dan Kutub Selatan, mengendap ke bawah, dan kembali ke garis Khatulistiwa.

  Hukum I Termodinamika

  Energi yang terdapat dari pergerakan angin dapat dianalisa menggunakan hukum pertama termodinamika dengan sistem terbuka (open system). Pergerakan arah angin diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2, dimana diasumsikan kincir angin berada di tempat terbuka dengan udara yang mengalir. Volume kontrol digambarkan berbentuk seperti botol yang melingkupi luas imajiner arah pergerakan angin yang melewati sudu-sudu kincir.

Gambar 2.2. Proyeksi arah pergerakan angin yang melewati sudu kincir angin

  (Sumber: Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007)

• Massa (membawa energi) melewati boundary.
• Terdapat fluida (angin) yang mengalir.
• Diperlukan energi untuk mengalirkan massa.
• Tidak ada perpindahan panas pada CV. Suhu udara saat masuk sama dengan suhu udara saat keluar.

• • •

  _{i i i i e e e e}

    

  V h m z g V h m

  2

  2

  2

  2

  =   

    

   

   

  2

  1

  2

  2

  2

  1

  2 z z g

  

V

V h h m

^{i e}

  z g

     

  W Q =   pe ke h m     

  W work dan Q heat berupa boundary melewati yang energi total

  Analisa energi angin yang ada di alam menggunakan hukum pertama termodinamika tentang sistem terbuka mensyaratkan ketentuan-ketentuan dasar termodinamika yang berlaku, seperti:

  Penerapan hukum I termodinamika tentang sistem terbuka pada analisis kincir angin diformulasikan sebagai berikut: [Yunus A Cengel, 2002: hal 182]      

       

        

       

        

       

  waktu satuan per massa dengan CV dalam ke masuk yang energi total waktu satuan per massa dengan

CV dari keluar

yang energi total

  ) ( ) (

        

  W Q =

   

   _{i i e e}

   m m 

  =

   

     

     

• ) (
• (kW)............................................(2.1) dengan: i = saluran masuk pada CV (Control Volume) e = saluran keluar pada CV

  = pv + u + ke + pe (kJ/kg) atau: θ = flow energy + internal energy + kinetic energy + potential energy Kerja (W) dihasilkan karena adanya perubahan energi kinetik udara yang bergerak (∆ke) pada sudu-sudu kincir dimana: [Yunus A Cengel, 2002: hal 183]

  2

  2

    • • •

  V 

_{e i}

  V

   

  Q W = m ( h  h )   g ( z  z )

  2

  1

  2

  1

            

  2

  

 

   

  2

  2

   

  V _{e i}

V 

  W = m   g   

  2  

  1

  2

2 W m

  V V

  =   .......................................................... (2.2)

   i e 

  2 Gambar 2.3. Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin (Sumber: Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007)

  Udara yang bergerak mengandung energi yang disebut dengan energi kinetik, yang secara skematik ditunjukkan pada Gambar 2.3. Energi kinetik tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti massa jenis udara (ρ), luas permukaan sudu kincir yang ditinjau dari arah tegak lurus datangnya angin (A), kecepatan angin (V) serta waktu (t). Dari faktor-faktor tersebut maka didapatkan:

  m  A D →

  =   D = kecepatan angin x waktu maka:

  m 

  =  A 

  V  t

  atau:

• m =   A 

  V .............................................................................. (2.3)

  Seandainya semua energi kinetik dapat diubah menjadi kerja (V = 0), maka

  e

  energi angin yang tersedia di alam dapat diformulasikan secara teoritis sebagai berikut:   •

  1

  1

  2

  2

  2

   

  W = m  V  _{i e  } V = m 

  V _i

    

  2

  2

  

   

• 1

  1

  2

  3 A

  V V A

  V W =      =    

  2

  2

  3

  jika:  = massa jenis udara (standar = 1,225 kg/m )

• 1

3 W = 

  1 , 225  A 

  V

  2 maka:

• 3

  W = , 61225  A  V .................................................................. (2.4)

  Dalam kenyataannya, tidak semua energi kinetik dari angin dapat diubah menjadi memiliki kecepatan V = 0. Energi maksimum tersedia yang dapat dikonversi dari

  e energi kinetik angin tersebut sekitar 59 % (angka ini dikenal dengan Betz Limit).

  

2.2. Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga

Angin

  Pada prinsipnya, pengaturan putaran beban kincir ini dikendalikan secara mekanik dengan menggunakan sensor kecepatan putaran poros output gear box yang diterima oleh kopling sentrifugal untuk meneruskan atau melepaskan poros pemutar generator sesuai dengan torsi dan putaran input. Secara sederhana, cara kerja pembangkit listrik ini adalah sebagai berikut:

• Kecepatan angin yang ada di alam dikonversi oleh sudu kincir menjadi gaya tangensial.
• Gaya tangensial yang menyebabkan gerakan rotasi dari kincir tersebut kemudian diteruskan dengan perantaraan transmisi puli dan sabuk ke bagian gear box .
• Input gear box yang berputar akibat kecepatan sudut kincir kemudian akan

  diubah menggunakan perbandingan transmisi roda gigi untuk mempercepat putaran poros.

• Output gear box kemudian dihubungkan dengan mekanisme kopling

  sentrifugal. Jika putaran poros output gear box telah mencapai putaran kerja kopling, maka generator akan mulai berputar dan menghasilkan listrik.

• Namun jika terjadi keadaan sebaliknya dimana torsi yang dihasilkan kincir tidak mampu memutar generator pada putaran kerjanya, maka kopling sentrifugal akan melepaskan putaran kincir secara otomatis.

2.3. Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal

2.3.1. Gerak Lingkar

  Suatu partikel yang bergerak pada suatu lingkaran dengan laju tetap mempunyai kecepatan. Seperti pada Gambar 2.4, meskipun laju, yaitu besar vektor kecepatan sesaatrelatif konstan, akan tetapi vektor kecepatan berubah arah terus menerus sehingga gerak lingkar beraturan, yaitu dengan laju tetap, adalah suatu gerak dipercepat. Laju gerak partikel adalah v dan kemudian akan ditentukan berapa percepatan a untuk gerak lingkar beraturan ini.

Gambar 2.4. Gerak lingkar beraturan.

  (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 20) Sebuah partikel melakukan gerak lingkar. Pada saat t partikel berada pada titik _

  

v `. Arah vektor kecepatan pada setiap saat adalah sepanjang garis singgung

  lingkaran pada arah gerak partikel. Karena laju adalah tetap (gerak lingkar beraturan), maka panjang anak panah yang menyatakan vektor kecepatan juga tidak berubah. _{  }

  Perubahan vektor kecepatan dinyatakan oleh ∆ v = v ` + v , sehingga percepatan rata-rata dalam selang waktu ∆t diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 20]

   

   v

  a 

   t _ dan arah percepatan rata-rata adalah sama dengan arah ∆ v , karena pembaginya, yaitu ∆t, adalah suatu skalar.

   _{a }

Gambar 2.5. Jika ∆θ kecil maka ∆ v kecil, akan tetapi konstan.

  (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 21) Untuk menghitung percepatan sesaat, selang waktu ∆t dibuat sangat kecil,

   _

  P, artinya ∆t diperkecil. Tampak bahwa ∆ v juga mejadi kecil, akan tetapi a tetap _{  } besar, dan arahnya adalah sama dengan arah ∆ v . Besar vektor ∆ v , yaitu |∆ v |, dapat dihitung dari segitiga PAB, [Sutrisno, 1997: hal 21]: _{ }

   |∆ v | = 2 v  sin ...........................................................................(2.5)

  2 Jika ∆t dibuat kecil sekali, maka sudut ∆θ juga menjadi sangat kecil, sehingga dapat digunakan hubungan:     sin 

  2

  2 dan persamaan (2.5) dapat ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 21] _{ } 

  |∆ v | = 2 v  = v . ∆θ .............................................................. (2.6)

  2 Di sini sudut ∆θ adalah dalam satuan radial. Busur PP` mempunyai panjang ∆S dengan ∆s = r . ∆ . θ, atau: [Sutrisno, 1997: hal 21]  S

  ∆θ = ......................................................................................... (2.7)

  r

  Untuk ∆t yang sangat kecil selalu dapat dituliskan: [Sutrisno, 1997: hal 21] ∆ S = v . ∆t....................................................................................... (2.8)

  Dari persamaan (2.6), (2.7) dan (2.8), untuk ∆t → 0 diperoleh: [Sutrisno, 1997: hal 21] _

  2 v S v v t v r

         

  v

  |∆ | = = = ............................................ (2.9)

  r r  t _ a

  Akibat besar percepatan sesaat , yang dituliskan sebagai a, diberikan oleh:

  

  2

  2

  |  v | v  t v a = lim = lim  = ..................................................(2.10) _{t t}

     

   t r  t r _ Arah vektor percepatan sesaat diberikan oleh arah ∆ v . Jika ∆t dibuat sangat kecil _ maka arah ∆ v akan tegak lurus arah garis singgung lingkaran pada titik P. Jadi arah percepatan adalah menuju pusat atau arah sentripetal, sehingga percepatan pada gerak lingkar beraturan disebut percepatan sentripetal. Dengan begitu, untuk gerak lingkar beraturan dengan laju v, vektor percepatan sesaat diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 22]

  2   v a =   a r ................................................................................ (2.11) _{c } r dengan a r adalah vektor satuan pada arah radial keluar atau menjauhi pusat.

  Tanda negatif pada persamaan (2.11) menunjukkan bahwa percepatan sentripetal _ mempunyai arah menuju pusat lingkaran.

  a _c

  Dalam gerak lingkar, jarak partikel pada suatu saat terhadap pusat lingkaran adalah tetap dan sama dengan jari-jari lingkaran. Akibatnya posisi benda terhadap titik pusat lingkaran cukup dinyatakan oleh sudut θ, seperti pada Gambar 2.6. Panjang busur dS dapat dinyatakan sebagai dS = r . d . θ sehingga: [Sutrisno, 1997: hal 22]

  dS d  r

  v = =  .............................................................................(2.12)

  dt dt

Gambar 2.6. Pada gerak lingkar posisi partikel dapat dinyatakan dengan sudut θ.

  (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 22) Pada persamaan (2.12), dθ/dt adalah kecepatan sudut yang dinyatakan dengan ω.

  Satuan dari kecepatan sudut adalah radial/detik. Jadi persamaan (2.12) dapat dituliskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22] v = r . ω .......................................................................................... (2.13)

  Waktu yang diperlukan dalam gerak lingkar untuk menempuh satu putaran disebut perioda putaran, dan dinyatakan dengan T.

  Besaran lain yang sering dipergunakan dalam gerak lingkar beraturan adalah berapa kali partikel mengelilingi lingkaran dalam satuan waktu, atau berapa kali revolusi yang dilakukan partikel per satuan waktu. Besaran ini disebut dengan frekuensi, dan dinyatakan dengan f. Satuan frekuensi adalah cycle/second atau cps; satuan cps umumnya disebut sebagai Hertz (Hz). Seringkali frekuensi dinyatakan dalam rpm, yaitu revolution/minute (putaran/menit).

  Jelas bahwa frekuensi f dapat diperoleh dari perioda putaran T, yaitu dari f =

  Hubungan lain antara ω dan T, dalam waktu satu perioda, partikel melakukan satu putaran berarti menempuh sudut 360° = 2π rad. Karena percepatan sudut ω adalah tetap, maka ω = 2π/T atau ω = 2π f. Akhirnya didapatkan percepatan sentripetal sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22]

  2    v

  2 a c a r  r a r

        ...............................................................(2.14)

  r Percepatan Tangensial Dalam Gerak Lingkar

  Gerak ini dilukiskan pada Gambar 2.7. Misalkan partikel berada pada titik P pada saat t, dan berada di titik P` pada saat t` = t + ∆t. Dalam waktu ∆t, vektor _{  } = - kecepatan berubah sebesar ∆ v .

  v v `

Gambar 2.7. Sebuah partikel bergerak lingkar dipercepat.

  (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 23) Pada Gambar 2.7, ditunjukkan bahwa jika ∆t dibuat sangat kecil, sehingga sudut ∆θ menjadi sangat kecil pula, perubahan kecepatan ∆v dapat diuraikan

    

  ∆ _{ } v = ∆ v + ∆ v ............................................................................ (2.15) _{T R} Vektor ∆ v dianggap P`A = P`B, sehingga ∆ v menyatakan perubahan vektor _{R R } kecepatan pada laju tetap. Jadi ∆ adalah percepatan karena perubahan arah

  v _R vektor kecepatan. _

  Jika ∆t dibuat mendekati nol, maka ∆ juga akan mendekati nol, akan tetapi,

  

v

_R

    v _R lim

   t  t

   adalah sama dengan percepatan radial, yang tidak lain adalah percepatan  sentripetal a . Jadi: [Sutrisno, 1997: hal 23] _c

   

  2

    v v _R

  a = lim =  a ˆ ................................................................ (2.16) _{c r}   _t

   t r menuju pusat atau arah sentripetal. Jika ∆t = 0, yaitu bila P` mendekati P, vektor  komponen ∆ v akan mempunyai arah tangensial atau arah singgung. Akibatnya _T percepatan singgung diberikan oleh:

   

    v d v _{T T}

  a = lim = _T   _t

   t dt 

  v

  Karena mempunyai arah singgung lingkaran, maka: _T 

  d v dv _T

  ˆ = a _T

  dt dt aˆ

  dengan adalah vektor satuan pada arah singgung atau arah tangensial. _T Percepatan tangensialdapat dirumuskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

  dv a  ........................................................................................... (2.17)

  dv d  a  r   r ....................................................................... (2.18) _T   dt dt

  Pada persamaan (2.18), dω/dt menyatakan perubahan kecepatan sudut per satuan waktu, jadi dω/dt tidak lain adalah percepatan sudut, dan persamaan (2.18) dapat ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

   d a  r  r   .............................................................................(2.19) _T dt

  Percepatan resultan adalah: [Sutrisno, 1997: hal 24]  

  a = a   ...................................................................................(2.20) a _{R T}

  dan besar percepatan resultan diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 24]

  2

  2

  a = a  a ............................................................................... (2.21) _{T R}

  2.3.2. Gaya Sentripetal