Kopling Sentrifugal pada Kincir Angin dengan Variasi Massa Bandul

Kopling Sentrifugal pada Kincir Angin dengan Variasi Massa Bandul Tugas Akhir

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Program Studi Teknik Mesin Oleh:

Agustinus Wahyu Dwi Prasetio NIM : 065214033 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

CENTRIFUGAL CLUTCH OF WINDMILL WITH

PENDULUM MASS VARIATION

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfillment of the requirement To Obtain the Sarjana Teknik degree

In Mechanical Engineering Created by :

Agustinus Wahyu Dwi Prasetio

Student Number : 065214033

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini, tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 01 Juni 2010 Penulis

Agustinus Wahyu Dwi P

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Yogyakarta: Nama : Agustinus Wahyu Dwi Prasetio Nim : 065214033 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

KOPLING SENTRIFUGAL PADA KINCIR ANGIN DENGAN VARIASI

MASSA BANDUL

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 royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Di buat di Yogyakarta

Pada tanggal: 01 Juni 2010 Yang menyatakan,

(Agustinus Wahyu Dwi Prasetio)

INTISARI

Saat ini pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit listrik masih dalam tahap perkembangan. 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 meneruskan putaran output kincir agar pada kondisi tertentu dapat menggerakan generator listrik.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan merekayasa kopling sentrifugal sehingga pada putaran tertentu dapat menggerakan generator listrik, kemudian kinerja model diuji pada beberapa variasi kecepatan angin dan variasi massa bandul kopling, yaitu 20 gram, 30 gram dan 40 gram dengan beban lampu.

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah kecepatan angin dan putaran saat kopling mulai bekerja pada masing- masing massa bandul , efisiensi total sistem (η total ) dan Tip Speed Ratio (TSR). Pada kopling sentrifugal dengan massa bandul 20 gram, kopling bekerja pada putaran 272.7 rpm saat kecepatan angin 4.68 m/s. Massa bandul 30 gram, kopling bekerja pada putaran 255.8 rpm saat kecepatan angin 4.28 m/s. Massa bandul 40 gram, kopling bekerja pada putaran 227.3 rpm saat kecepatan angin 4.45 m/s. Efisiensi total tertinggi didapat massa bandul 30 gram, yaitu 18.12% kecepatan angin 7.27 m/s dan efisiensi total terkecil didapat massa bandul 40 gram, yaitu 1.42 % kecepatan angin 5.62 m/s. TSR tertinggi didapat massa bandul 40 gram, yaitu 0.57 kecepatan angin 7.33 m/s dan TSR terkecil didapat massa bandul 20 gram, yaitu 0.14 kecepatan angin 5.55 m/s.

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

kincir angin.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan karunia-Nya kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan lancar dan tepat pada waktunya. Tugas akhir ini adalah salah satu syarat untuk mencapai derajat sarjana S1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Sekarang telah memasuki era globalisasi sehingga banyak tenaga kerja yang terampil dan berkualitas dibutuhkan oleh perusahaan-perusahaan. Oleh sebab itu, program studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta telah mempersiapkan mahasiswa dengan melatih keterampilan melalui Tugas Akhir ini sebagai bekal masuk dalam dunia kerja. Penulis mengharapkan hasil yang maksimal dari Tugas Akhir yang dilaksanakan selama kurang lebih 2 semester di kampus III Universitas Sanata Dharma Paingan, Maguwoharjo Yogyakarta.

Penulis telah membuat laporan hasil dari Tugas Akhir yang telah diadakan dan dilaksanakan di kampus III Universitas Sanata Dharma Paingan, Maguwoharjo Yogyakarta. Dalam laporan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.

Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, dorongan serta meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

3. Bapak Ir. YB Lukiyanto, M.T., Dosen Pembimbing Akademik 4.

Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas bimbingan dan fasilitas yang diberikan.

5. Bapak dan ibu dan kedua kakak serta adik penulis yang telah memberikan semangat, dorongan baik moral maupun material.

6. Teman-teman KMPKS dan teman kost yang banyak membantu dalam segala hal.

7. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan laporan ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih banyak kesalahan-kesalahan yang disengaja atau tidak disengaja sehingga masih jauh dari harapan dan kesempurnaan. Oleh sebab itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para dosen dan pembaca agar laporan ini berguna bagi penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya. Terima kasih.

Yogyakarta, Mei 2010 penulis

DAFTAR ISI

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

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

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

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

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................................... v

PERNYATAAN PUBLIKASI ....................................................................... vi

INTISARI ...................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR .................................................................................. viii

DAFTAR ISI ................................................................................................. x

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

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xvi

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

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

1.2. Perumusan Masalah ..................................................................... 2

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

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

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

1.6. Sistematika Penyajian ................................................................... 4

BAB II DASAR TEORI ............................................................................... 5

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

2.2. Daya Kincir Angin ...................................................................... 8

2.3. Perhitungan Daya Generator Dan TSR .......................................... 9

2.3.1. Daya generator .................................................................... 9

2.3.2. Tip Speed Ratio (TSR) ........................................................ 9

2.4. Efisiensi total sistem ...................................................................... 10

2.5. Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin ............................................................................. 10

2.6. Variabel yang mempengaruhi kerja kopling sentrifugal...................11 Gaya Sentrifugal ..............................................................................11

2.7. Gaya Fiktif Akibat Gerak Melingkar ............................................. 12

2.8. Rasio Putaran .............................................................................. 13

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .................................................... 15

3.1. Sarana Dan Skema Alat Dalam Penelitian .................................... 15

3.1.1. Sarana Penelitian ................................................................. 15

3.1.2. Skema Alat Dalam Penelitian .............................................. 15

3.2. Kopling Sentrifugal ....................................................................... 16

3.3. Massa Bandul ................................................................................ 17

3.4. Perbandingan Putaran Ketika Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Secara Teoritis .............................................................................. 19

3.5. Perhitungan Rasio Pada Transmisi Belt Dan Transmisi Roda Gigi Secara Teoritis .............................................................................. 23

3.6. Peralatan Penelitian ...................................................................... 25

3.7. Cara Penelitian ............................................................................. 30

3.7.1. Sistem Kincir Yang Akan Diuji ........................................... 30

3.8. Mengetahui Putaran Kincir Dan Putaran Kopling Tanpa Beban Generator ...................................................................................... 30

3.9. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Generator Pada Kecepatan Angin Berubah ............................................................ 31 BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN .......................................................... 32

4.1. Data .............................................................................................. 32

4.2. Pembahasan ................................................................................. 35

4.2.1. Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Saat Tanpa Beban ........ 35

4.3. Perhitungan Kopling Sentrifugal Dengan Massa Bandul, Variasi Kecepatan Angin Dan Beban Lampu ............................................ 35

4.3.3. Daya yang dihasilkan kincir angin ...................................... 36

4.3.4. Efisiensi total sistem ........................................................... 37

4.3.5. Tip Speed Ratio (TSR)........................................................ 37

4.4. Perbandingan Putaran Ketika Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Secara Teoritis Dengan Aktual ...................................................... 41

4.5. Perbandingan Rasio Secara Teoritis Dengan Aktual .................... 42

4.6. Analisa Data Percobaan ................................................................. 43

BAB V PENUTUP ....................................................................................... 47

5.1. Kesimpulan ................................................................................. 47

5.2. Saran ........................................................................................... 49

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 50

LAMPIRAN ................................................................................................. 51

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra merah satelit (Sumber: satelit NASA, NOAA-7, Juli 1984) ........ 5Gambar 2.2. Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal untuk berbagai model kincir angin ............................................. 8Gambar 2.3. Gaya sentrifugal .......................................................................... 12Gambar 3.1. Skema alat kopling sentrifugal pada kincir angin ......................... 15Gambar 3.2. Sketsa kopling hasil perancangan................................................. 17Gambar 3.3. Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal ...................... 18Gambar 3.4. Massa Bandul .............................................................................. 18Gambar 3.5. Sepatu Kopling ............................................................................ 19Gambar 3.6. Wind Tunnel................................................................................ 25Gambar 3.7. Generator..................................................................................... 26Gambar 3.8. Tachometer.................................................................................. 26Gambar 3.9. Multimeter ................................................................................... 27Gambar 3.11. Anemometer .............................................................................. 28Gambar 3.12. Rangkaian kelistrikan ................................................................ 29Gambar 3.13. Sistem kincir angin yang akan diuji ........................................... 29Gambar 3.14. Penampang kincir ...................................................................... 36Gambar 4.6.1. Grafik hubungan Cp Vs TSR dengan Massa bandul 20 gram .... 43Gambar 4.6.2. Grafik hubungan Cp Vs TSR dengan Massa bandul 30 gram .... 44Gambar 4.6.3. Grafik hubungan Cp Vs TSR dengan Massa bandul 40 gram .... 45

DAFTAR TABEL

4.1. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 20 gram, tanpa beban dengan variasi kecepatan angin .............................................................. 32

4.2. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 30 gram, tanpa beban dengan variasi kecepatan angin ............................................................ 32

4.3. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 40 gram, tanpa beban dengan variasi kecepatan angin .............................................................. 33

4.4. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 20 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ......................................................................... 33

4.5. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 30 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ......................................................................... 34

4.6. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 40 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ......................................................................... 34

4.3.6. Hasil perhitungan kopling sentrifugal dengan massa bandul 20 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ............................................. 38

4.3.7. Hasil perhitungan kopling sentrifugal dengan massa bandul 30 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ............................................. 39

4.3.8. Hasil perhitungan kopling sentrifugal dengan massa bandul 40 gram, variasi kecepatan angin dan beban lampu ............................................. 40

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 diwilayah timur Indonesia) untuk dikembangkan lebih lanjut sehingga masyarakat tidak 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 yang tersedia dipasaran dengan harga relatif murah kebanyakan memiliki putaran kerja yang cukup tinggi, sekitar 700 rpm ke atas dapat menghasilkan listrik).

2 Pada putaran rendah, kincir angin tidak menghasilkan listrik tetapi hanya menimbulkan panas pada generator.

Untuk mengatasi kelemahan pada putaran beban kincir angin tersebut diatas, peneliti bermaksud untuk mencoba menerapkan suatu rekayasa pada pemindah daya dan putaran kincir angin agar generator dapat bekerja pada batas tertentu. Hasil dari penelitian ini diwujudkan dengan pembuatan model kopling sentrifugal yang nantinya diharapkan dapat memberi kontribusi data-data hasil penelitian untuk dimanfaatkan sebagai penerus putaran kincir angin pembangkit listrik.

1.2. Perumusan Masalah

Pemasalahan 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 meneruskan putaran output kincir pada

kecepatan angin yang selalu berubah agar pada kondisi tertentu dapat mulai

menggerakan generator pembangkit listrik?”

1.3. Pembatasan Masalah

Penelitian kincir angin sebagai pembangkit listrik pada penelitian ini hanya menyangkut permasalahan cara meneruskan putaran kincir angin mulai menggerakan generator pada putaran tertentu dan dilakukan dengan mencari

3 pengaruh penggunaan kopling sentrifugal pada kincir angin dengan variasi massa bandul dan putaran ke generator pembangkit listrik pada kincir angin.

1.4. Tujuan Penelitian

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

1. Mengetahui kecepatan angin dan putaran saat kopling sentrifugal mulai bekerja dengan massa bandul 20 gram, 30 gram dan 40 gram.

2. Mengetahui efisiensi daya total kincir dengan variasi massa bandul.

3. Mendapatkan grafik hubungan efisiensi total dan TSR untuk mengetahui unjuk kerja kincir terhadap beban yang diberikan dan pengaruh terhadap kecepatan angin.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian antara lain: 1.

Mendapatkan rancangan dan model kombinasi antara transmisi puli dan sabuk, roda gigi, dan kopling sentrifugal untuk meneruskan putaran kincir angin sebagai pembangkit listrik dengan memvariasikan massa bandul pada kopling sentrifugal.

2. Mengetahui efisiensi total dan TSR yang dihasilkan oleh kincir angin.

3. Mengembangkan teknologi pemanfaatan energi angin di Indonesia.

1.6. Sistematika Penyajian

Bab I Pendahuluan, berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penyajian. Bab II Dasar Teori, berisi landasan teori yang berisi teori tentang cara kerja, perhitungan dan gaya-gaya yang bekerja pada kopling sentrifugal. Bab III Metodologi Penelitian, berisi sarana dan skema alat, cara kerja alat, perhitungan secara teoritis, peralatan yang digunakan, cara pengujian dan pengambilan data yang dilakukan yang meliputi metode pengukuran beban generator listrik dan cara memvariasikan massa bandul dan kecepatan angin.

Bab IV Hasil Pengujian dan Pembahasan, berisi data-data, pembahasan dan perhitungan aktual yang didapatkan dari hasil pengujian unjuk kerja kopling sentrifugal pada kincir angin dengan variasi massa bandul dan putaran kincir angin yang ditinjau dari kecepatan angin dan raeksi kopling terhadap pembebanan generator listrik, serta daya yang dihasilkan.

Bab V Penutup, berisi kesimpulan dan saran penggunaan kopling sentrifugal pada kincir angin dengan variasi massa bandul.

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 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 sebesar 1,74 x 10 Watt (.

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 Daerah sekitar Khatulistiwa, pada 0⁰ garis lintang menerima pemanasan yang berlebih dari matahari jika dibandingkan dengan bumi yang lainnya. Seperti terlihat pada Gambar 2.1 deaerah-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.

Sistem angin di bumi dikarenakan adanya perpindahan massa udara pada atmosfer sebagai hasil dari variasi tekanan di atmosfir, dimana perubahannya merupakan hasil dari perbedaaan pemanasan dari sinar matahari karena perbedaaan permukaan bumi.

Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik dapat dihitung pada Persamaan 2.1

………………………………….. (2.1) = 0,5 Dengan: v = kecepatan angin (m/s) m = massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg) m = ρAv ……………………………………………………… (2.2)

Daya input = Energi kinetik angin per satuan waktu, dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 dibawah ini: P = 0,5(

ρAv)v P = 0,5

…………………………………………………….. (2.3) ρAv

Dengan: P in = daya angin (watt)

ρ = massa jenis udara (kg/m )

2 A = luas penampang pada kincir (m )

3 Apabila massa jenis udara ρ = 1,2256 kg/m , maka Persamaan 2.3 dapat

disederhanakan dengan Persamaan 2.4 dibawah ini: P = 0,6Av

…………………………………………….. (2.4) Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati kincir angin. Ketika melewati kincir angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang hilang ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar kincir angin yang terhubung dengan rotor dari generator. Generator akan mengubah energi mekanik menjadi listrik.

2.2. Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor kincir angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya kincir angin tidak sama dengan daya angin dikarenakan daya kincir angin terpengaruh oleh koefisien daya.

Koefisien daya adalah presentase daya yang terdapat pada angin yang diubah ke dalam bentuk energi mekanik. Dapat dilihat pada Persamaan 2.5 P = Cp 0,5

……………………………………………… (2.5) ρAv

Dalam kenyataannya, tidak semua energi kinetik dari angin dapat diubah menjadi kerja. Energi maksimum tersedia yang dapat dikonversi dari energi kinetik angin tersebut sekitar 59% (angka ini dikenal dengan Betz Limit).

Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal

untuk berbagai model kincir angin

2.3. Perhitungan Daya Generator Dan TSR

2.3.1. Daya generator Daya generator dihitung menggunakan Persamaan 2.6

P = V . I …………………………………………. (2.6) dengan:

P gen = daya yang dihasilkan oleh generator (watt) V = tegangan (volt)

gen

I gen = arus (ampere)

2.3.2. Tip Speed Ratio (TSR) Tip Speed Ratio (TSR) adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu yang berputar dengan kecepatan dari aliran udara. Dapat dilihat pada Persamaan 2.7

= ………...............................................................( 2.8)

2 πRN

U = ΩR =

60 Dimana: R = jari-jari kincir (m) v = kecepatan aliran angin (m/s) n = putaran poros kincir (rpm)

2.4. Efisiensi Total Sistem Efisiensi total sistem dihitung berdasarkan perbandingan daya yang dihasilkan oleh generator (P gen ) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (P in ) dapat dituliskan menurut Persamaan 2.8

= 100% ...............................................................( 2.8)

Dengan: = Koefisien daya kincir (%)

η P = daya yang dihasilkan oleh generator (watt)

gen

P in = daya angin (watt)

2.5. Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Pada prinsipnya, pengaturan 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: a) Kecepatan angin yang ada di alam dikonversi oleh sudu kincir menjadi gaya tangensial.

b) Gaya tangensial yang menyebabkan gerakan rotasi dari kincir tersebut kemudian diteruskan dengan perantaraan transmisi puli dan sabuk ke bagian

gear box.

c) Input gear box yang berputar akibat kecepatan sudu kincir kemudian akan diubah menggunakan perbandingan transmisi roda gigi untuk mempercepat putaran poros.

d) 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.

e) 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.

2.6. Variabel yang mempengaruhi kerja kopling sentrifugal Gaya Sentrifugal

Setiap benda yang bergerak membentuk lintasan lingkaran harus tetap diberikan gaya agar benda tersebut terus berputar. (Halliday., Resnick, 1985:84). Pada kopling sentrifugal, kopling berputar secara terus menerus untuk menghasilkan gaya sentrifugal. Dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.3 Gaya sentrifugal

Besarnya gaya tersebut, dapat dihitung dengan Hukum II Newton untuk komponen radial pada Persamaan 2.9 F

= m ∙ a

= m v r

∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2.9) dengan : m = massa benda a

= percepatan sentripetal r = jari-jari v = kecepatan angin (m/s)

2.7. Gaya Fiktif Akibat Gerak Melingkar

Gaya fiktif yang bekerja pada benda berarah radial keluar disebut sebagai gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal mengimbagi gaya sentripetal, sehingga jika dipandang secara kasat mata dari sumbu lingkaran yang sedang berputar, benda berada dalam keadaan diam; gaya resultan pada benda sama dengan nol. Gaya sentrifugal ini diformulasikan sebagai: [Sutrisno, 1981: hal 63] m · v F = + r r atau

F = + m · r · ……………………………………. (2.10)

ω dengan: m = massa bandul r = jari-jari bandul dari pusat lintasan ω = kecepatan sudut bandul terhadap pusat lintasan

Gaya sentrifugal hanya terjadi dalam suatu sistem yang sedang berputar bersama benda.

2.8. Rasio Putaran

Rasio putaran adalah perbandingan antara putaran dari roda pemutar (yang pertama) dan angka putaran dari roda terputar (yang terakhir). [Sudibyo, ATMI: hal 10]

……………………………………………… (2.11)

= = = i d = d ; diameter p uli (mm) Z = Z ; jumlah gigi n = n ; putaran poros ( rpm) Rasio total: Untuk rasio total dapat dilihat pada Persamaan 2.12 dibawah ini: ( untuk sistem transmisi bertahap)

i = i i i …… i …………..…………………… (2.12) ∙ ∙ ∙ ∙

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Sarana Dan Skema Alat Dalam Penelitian

3.1.1. Sarana Penelitian Sarana yang digunakan dalam penelitian adalah kopling sentrifugal dengan memvariasikan massa bandul yang akan menghasilkan daya masukan yang berbeda serta cerobong angin.

3.1.2. Skema Alat Dalam Penelitian Skema alat yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Gambar

3.1 dibawah ini:

6 Gambar 3.1 Skema alat kopling sentrifugal pada kincir angin Keterangan: 1.

Sudu kincir angin 2. Puli kincir angin 3. Roda gigi 4. Kopling sentrifugal 5. Puli transmisi pada komponen penggerak kopling dan tergerak kopling 6. generator

Karena kopling sentrifugal merupakan suatu kopling dengan karakteristik putaran tinggi untuk bekerja, maka digunakan suatu mekanisme transmisi untuk mempercepat putaran output. Dipilih penggunaan kombinasi antara puli dan sabuk serta perbandingan roda gigi, untuk mendapatkan dimensi yang kompak dari keseluruhan sistem kincir.

3.2. Kopling Sentrifugal

Secara skematik kopling sentrifugal hasil perancangan dapat dilihat pada

Gambar 3.2. Kopling ini bekerja pada jumlah putaran penggerak kopling dan meneruskan putaran tersebut melalui komponen tergerak kopling.Gambar 3.2 Sketsa kopling hasil perancangan 1.

Komponen tergerak kopling 2. Komponen penggerak kopling 3. Sepatu kopling 4. Massa bandul kopling

5. Pegas Perencanaan awal, perlu ditentukan dimensi kopling yang ditunjukan pada Gambar 3.3.

Karena terbatasnya ruang di bagian dalam kopling, massa bandul yang digunakan pada penelitian ini memiliki massa yang sangat tergantung dari dimensi ruang bagian dalam kopling. Massa bandul dapat dilihat pada Gambar 3.4 dimana massa bandul bervariasi yaitu seberat 10 gram, 15 gram dan 20 gram. Massa bandul

3.3. Massa Bandul

total bandul untuk setiap sepatu kopling adalah sebesar 20 gram, 30 gram, dan 40 gram.

Gambar 3.3 Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang digunakanGambar 3.4 Massa bandul Bandul yang digunakan terbuat dari bahan poros pejal baja lunak yang dibubut. Penggunaan bahan dari baja lunak mempertimbangkan massa jenis terbesar dan proses produksi pembentukan bahan tersebut lebih mudah dibandingkan dengan besi tuang.

3.4. Perbandingan Putaran Ketika Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Secara

Teoritis

Selain dimensi kopling, juga ditentukan putaran kopling saat mulai bekerja. Dari perhitungan secara teoritis digunakan asumsi putaran kopling mulai bekerja dari Persamaan 2.10 dengan melihat dimensi sepatu kopling pada Gambar 3.5

Gambar 3.5 Sepatu kopling Dengan menggunakan pegas soft didapat harga X pegas = 5mm dan F pegas = 2.25 N.

Perhitungan putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan massa bandul 20 gram:

Diketahui: a = 17 mm = 51 mm

Jawab: F = m .

ω . r dengan:

F = F · a l

F = 2,25 N · 0,017m 0,051m

F = 0,75 N ω

= F m. r

= 0,75 N 0 ,0 2 kg · 0 ,0 51m

= 735,29

ω = 27.11 rad/ s n = 6 0 ·

ω 2 · π

= 60 · 27 ,1 1rad/ s 2 · 3,14

= 259,07 rpm Perhitungan putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan massa bandul 30 gram: F

= m · ω

· R dengan: F = F · a l

F = 2,25N · 0,01 7m 0,05 1m

F = 0,75 N ω

= F m. R

= 0,75 N

0,03 kg · 0,051m =

√490,19 ω = 22,14 rad/s n =

60 · ω 2 ·

π = 60 · 22 ,14rad/ s

2 · 3,14 = 211,5 r pm Perhitungan putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan massa bandul 40 gram:

F = m · ω

· R dengan: F = F · a

0 ,0 17m F = 2,25N · 0 ,0 51m F = 0,75 N

F =

ω m. R

0,75 N =

0,04 kg · 0,051m =

367,64 ω = 19,17 rad/s 60 ·

ω n = 2 ·

π 60 · 19,17 rad / s = 2 · 3,14 = 18 3,1 rpm

Dari Variabel-variabel dimensi diatas, yang menentukan kerja kopling sentrifugal adalah massa bandul (m), jari-jari bandul terhadap pusat lintasan (R) dan kecepatan sudut bandul terhadap pusat lintasan (ω).

3.5. Perhitungan Rasio Pada Transmisi Belt Dan Transmisi Roda Gigi Secara

Teoritis

Transmisi berfungsi untuk meneruskan putaran suatu poros ke poros lainnya. Berdasarkan fungsinya tersebut, maka harus mengetahui rasio pada setiap transmisi. Perhitungan rasio transmisi dapat dilihat dari Persamaan 2.12 dengan perhitungan sebagai berikut:

Rumus rasio: d z i = = d z i = i

∙ i ∙ i ∙ ……∙ i 1.

Rasio transmisi belt pada kincir dapat dilihat pada perhitungan sebagai berikut: d i = d dengan: d

02 = puli kincir angin

01 = puli transmisi kincir angin

sehingga: 2 9 ,8 cm i =

7,6 cm i = 3 ,9 2

2. Rasio pada transmisi roda gigi dapat dilihat pada perhitungan sebagai berikut: = dengan: Z

2 = jumlah gigi roda gigi pemutar

1 = jumlah gigi roda gigi terputar

sehingga:

44 =

18 = 2,44

3. Rasio pada transmisi belt pada motor listrik dapat dilihat pada Perhitungan sebagai berikut: = dengan: d = puli pada kopling tergerak

01 = puli generator

sehingga: 7,6

= 1,5

= 5,06 Rasio ( i ) total dapat dilihat pada perhitungan sebagai berikut:

= × × = 3,92 × 2,44 × 5,0 6 = 48 ,4

3.6. Peralatan Penelitian

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:

1. Wind Tunnel

Alat ini berfungsi sebagai terowongan angin dengan dimensi 1,2 m x 1,2 m x

2,4 m

. Kincir angin diletakkan didalam wind tunnel tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan memberi jarak antara lorong dengan blower. Wind tunnel yang dipakai dilihat dari samping ditunjukan pada Gambar 3.6

Gambar 3.6 Wind Tunnel 2.

Generator Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi listrik.

Generator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang berfungsi untuk mencari besar daya yang dikeluarkan. Alat yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.7

Gambar 3.7 Generator 3.

Tachometer Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros, putaran transmisi,putaran kincir dan putaran pada roda gigi. Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul cahaya (contoh aluminium foil) yang dipasang pada poros. Alat yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.8

Gambar 3.8 Tachometer

4. Multimeter

Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan. Alat ini digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan dari putaran generator. Alat yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.9

Gambar 3.9 Multimeter 5.

Lampu/beban Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini dan beban lampu ini yang akan diukur. Dalam percobaan kali ini digunakan beban lampu dengan daya 32 watt, 24 watt, 16 watt dan 8 watt. Alat yang dipakai dapat dilihat pada Gambar 3.10

Gambar 3.10 Beban lampu

6. Anemometer

Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin dengan cara meletakkan anemometer didepan kincir angin yang akan di uji. Kecepatan angin dapat dilihat pada alat penunjuk angka pada anenometer tersebut. Alat yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.11

Gambar 3.11 Anemometer

7. Pemasangan Beban Generator Rangkaian kelistrikan generator yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.12. Generator listrik yang digunakan adalah generator listrik DC sehingga tegangan dan arus dapat langsung diketahui setelah diberikan pembebanan pada lampu.

Keterangan: a.

Motor listrik

d d a b a b

Volt meter c. Ampere meter

Beban lampu

V c c

Gambar 3.12 Rangkaian kelistrikan

3.7. Cara Penelitian

3.7.1. Sistem Kincir Yang Akan Diuji

(A) (B) (C)

Gambar 3.13 Sistem kincir angin yang akan diuji

Keterangan: A.

Kincir angin yang telah terpasang di Wind Tunnel dan siap untuk diuji B.

Bagian belakang kincir angin C. Sistem transmisi, kopling sentrifugal dan alternator yang akan diuji

3.8. Mengetahui Putaran Kincir Dan Putaran Kopling Tanpa Beban Generator

Tujuan dalam pengambilan data ini adalah untuk mengetahui putaran output kincir angin dan kopling yang berputar tanpa beban pada kecepatan angin tertentu.

Kecepatan angin dalam terowongan angin divariasikan pada kondisi tertentu, yaitu pada 4 m/s sampai dengan 7,5 m/s. kemudian dilakukan pencatatan data untuk tiap-tiap kondisi kecepatan angin tersebut sampai didapatkan keadaan dimana kopling tidak dapat bekerja lagi.

3.9. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Generator Pada Kecepatan Angin Tertentu

Pengambilan data putaran kincir yang terbebani generator pada kecepatan angin tertentu ini bertujuan untuk mengetahui turunnya putaran kincir angin jika generator diberikan beban tertentu pada kecepatan angin tertentu. Pengujian dilakukan pada tiap-tiap variasi massa bandul kopling. Penurunan putaran kincir nantinya akan berdampak pada terjadinya putaran kerja kopling.

Pada awalnya, generator dirangkai sesuai dengan sirkuit rangkaian seperti pada Gambar 3.10. Beban lampu yang digunakan seperti terlihat pada Gambar 3.8. kecepatan angin dipertahankan konstan, dengan artian posisi Wind Tunnel tidak berubah, kemudian beban ditambah secara bertahap dengan cara menyalakan saklar- saklar pada rangkaian beban satu persatu sampai 4 buah beban lampu dan didapatkan data hasil tegangan dan arus listrik. Pengujian ini dilakukan berulang- ulang dengan mengubah kecepatan angin pada Wind Tunnel dengan cara memajukan dan memundurkannya sampai didapatkan keadaan dimana kopling tidak dapat bekerja lagi.

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data

5.25 56.29 222.5 512.1 344.1 1668

1 7.32 117.9 480.4 120.5 497.2 3034 101

2 6.75 106.1 411.2 978 461.5 3614

62.5

6.18 84.13 201.8 801.4 375.2 2265

dengan variasi kecepatan angin

4.99 46.56 174.8 430.9 310.8 1603

4.28 13.29 104.6 232.1 255.8 1061

7 3.92 199

no kec angin (m/ s) putaran(rpm) tegangan (V) kincir transmisi roda gigi kopling Generator listrik

Dari hasil pengujian diperoleh data yang ditunjukan pada Tabel 4.1 sampai dengan 4.1.

Tabel 4.1. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 20 gram, tanpa beban

dengan variasi kecepatan angin

no kec angin (m/ s) putaran(rpm) tegangan (V) kincir transmisi roda gigi kopling Generator listrik

1 7.32 127.9 445.4 1034 497.7 4401 155

2 6.92 107.9 449.3 1079 414.3 3981 130

6.11 56.82 335.2 947.5 413.5 2999 110

5.65 51.7 227.5 573.1 379.7 1724

8 4 266.2

5.27 49.01 195.8 517.1 298.2 1807

4.93 39.48 160 379.5 292.4 1129

52.5

4.68 33.77 136.6 330.8 272.7 1115

Tabel 4.2. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 30 gram, tanpa bebanTabel 4.3. Data kopling sentrifugal dengan massa bandul 40 gram, tanpa beban

0.7

16 29.41 107.6 273.7 1347

6.04