KOPLING SENTRIFUGAL PADA KINCIR ANGIN DENGAN VARIASI KEKAKUAN PEGAS

KOPLING SENTRIFUGAL PADA KINCIR ANGIN DENGAN VARIASI KEKAKUAN PEGAS TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin

Disusun Oleh: YOHANES BIMA RUDITYA

NIM : 065214025

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2010

CENTRIFUGAL CLUTCH OF WINDMILL WITH SPRING VARIATION FINAL ASSIGNMENT

Presented as partial fulfillment of requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By: YOHANES BIMA RUDITYA

Student Number : 065214025

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2010

INTISARI

Pemanfaatan energi angin sebagai sebagai energi alternatif sampai saat ini masih dalam tahap perkembangan. Pemanfaatan energi angin diaplikasikan dengan membuat sebuah kincir angin agar dapat menghasilkan energi listrik yang optimal. Dalam penelitian ini penulis membuat kincir angin dengan mengaplikasikan kopling sentrifugal dalam trasmisinya. Pengaplikasian kopling sentrifugal ini berfungsi sebagai penerus putaran ke generator. Kincir dengan sengaja berputar terlebih dahulu setelah pada putaran tertentu kopling mulai bekerja dan meneruskan putaran poros terputar untuk memutar generator sehingga bisa membangkitkan listrik secara lebih optimal.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan melakukan rekayasa pada kopling sentrifugal. Rekayasa dilakukan dengan cara memberikan variasi kekakuan pegas pada sepatu kopling untuk mengetahui putaran kopling mulai bekerja, dan kemudian kinerja model diuji pada beberapa variasi kecepatan angin dengan beban lampu 8 Watt, 16 Watt, 24 Watt dan 32 Watt yang dibangkitkan generator.

Hasil yang diperoleh berupa putaran kopling sentrifugal mulai bekerja menggunakan pegas A, yaitu 227,3 rpm. Putaran kopling sentrifugal mulai bekerja menggunakan pegas B, yaitu 294,1 rpm. Putaran kopling sentrifugal mulai bekerja menggunakan pegas C, yaitu 301 rpm. Setelah kopling bekerja dan memutar generator diperoleh Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR) terbaik yaitu pada penggunaan pegas B sebesar 20 % dan 0,52. Pada masing-masing pegas secara garis besar bahwa Cp semakin naik diikuti dengan TSR naik.

Kata kunci : energi alternatif, kincir angin, transmisi, kopling sentrifugal dan

pembangkit listrik.

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat- Nyalah, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Kopling

Sentrifugal Pada Kincir Angin Dengan Variasi Kekakuan Pegas” . Tugas Akhir ini

merupakan salah satu prasyarat untuk mencapai derajat Sarjana–S1 pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Dalam penyelesaian Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat bantuan dan saran dari banyak orang. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih atas segala bantuannya sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik, kepada:

1. Bapak Budi Sugiharto, S.T.,M.T. selaku dosen pembibing Tugas Akhir yang telah banyak memberi petunjuk, pengarahan dan saran selama pengerjaan alat dan naskah

2. Bapak Budi Setyahandana, S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing akademik yang telah memberikan dukungan dan nasehat.

3. Pak Intan Widanarko, Pak Martono, dan Pak Roni Windaryawan selaku laboran, yang telah banyak membantu penulis selama pengerjaan alat Tugas Akhir.

4. Pak Tri Widaryanto dan seluruh karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. viii

5. Ibunda tercinta yang telah memberikan doa, semangat dan biaya ke pada penulis.

6. Kakak tercinta Widi Risnawati atas dukungan dan mensuport kebutuhan penulis saat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

7. Teman-teman teknik mesin angkatan 2006 semuanya terimakasih atas dukungan, bantuan dan sarannya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

8. Teman-teman di Asrama Kota Prabumulih terimakasih atas dukungan dan vasilitasnya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas akhir ini.

9. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu di sini Penulis menyadari bahwa dalam pembuatan Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan. Maka dari itu segala saran dan kritik yang diberikan kepada penulis, akan penulis terima dengan tangan terbuka.

Akhir kata, semoga Tugas Akhir yang telah dibuat penulis dapat bermanfaat bagi orang banyak, terutama bisa menjadi sumber energi alternatif pengganti sumber energi fosil sebagai pembangkit listrik.

Yogyakarta,

25 April 2010 Penulis ix

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL…………………………………………………………….. i TITLE PAGE………………………………………………………...……...…... ii HALAMAN PENGESAHAN………………………………………..…………. iii HALAMAN PERSETUJUAN…………………………………………………… iv HALAMAN PERNYATAAN…………………………………………………... v HALAMAN PUBIKASI………………………………………………………… vi

INTISARI………………………………………………………………………… vii

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

DAFTAR ISI………………………………………………………………….….. x DAFTAR TABEL……………………………………………………….……..... xiv DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………. xv

BAB I PENDAHULUAN

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

1.2 Perumusan Masalah……………………………………………………. 4

1.3 Pembatasan Masalah…………………………………………………… 4

1.4 Tujuan Penelitian………………………………………………………. 5

1.5 Manfaat Penelitian…………………………………………………...... 5

1.6 Sistematika Penyajian…………………………………………….…… 6

BAB II DASAR TEORI

2.1 Energi Angin………………………………………………………….. 7 x

2.2 Turbin Angin………....………………………………………………. 8

2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal..……………………………….. 8

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ………………………………….. 9

2.2.3 Kelebihan Kincir Angin Sumbu Horizontal….……………….... 10

2.2.4 Kekurangan Kincir Angin Sumbu Horizontal……..…………... 10

2.3 Daya Kincir Angin ……………………………………………………. 11

2.4 Daya Yang Dihasilkan Generator …………………………………….. 12

2.5 Tip Speed Ratio (TSR) ………………………………………….…….. 13

2.6 Koefisien Daya (C P ) …………………………………………………... 14

2.7 Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin …………………………………………..……………... 14

2.8 Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal …………... 15

2.9 Rasio Putaran …………………………………………………………. 17

BAB III METODELOGI PENELITIAN

3.1 Sarana dan Skema Alat Dalam Penelitian………………………........... 18

3.1.1 Sarana Penelitian ………………………………………………. 18

3.1.2 Skema Alat Dalam Penelitian ………………………………….. 18

3.2 Kopling Sentrifugal …………………………………………………… 19

3.3 Massa Bandul ………………………………………………………..... 20

3.4 Pegas ……………………………………………………………..…... 21

3.5 Perhitungan Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Secara Teoritis…….... 22

3.5.1 Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Menggunakan Pegas A……. 23 xi

3.5.2 Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Menggunakan Pegas B……. 24

3.5.3 Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Menggunakan Pegas C...….. 25

3.6 Perhitungan Rasio Pada Transmisi Belt dan Trasmisi Roda Gigi Secara Teoritis…………………………………………………… 27

3.7 Peralatan Penelitian……………………………………………………. 28

3.8 Cara Penelitian……………………………………….………………… 31

3.8.1 Sistem Kincir yang Akan Diuji…………………………………. 31

3.9 Mengetahui Putaran Kincir dan Putaran Kerja Kopling Tanpa Beban Lampu………………………………………………………….. 31

3.10 Mengetahui Putaran Kincir dan Putaran Kerja Kopling Dengan Beban Lampu 8 Watt, 16 Watt, 24 Watt dan 32 Watt…………………………………………………...….…………. 32

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data……………………….………………………………………….... 34

4.1.1 Data Pengujian Konstanta Pegas……………………………….. 34

4.1.2 Data Pengujian Kincir Angin Tanpa Beban……………………. 34

4.1.3 Data Pengujian Kincir Angin Dengan Beban 32 Watt,

24 Watt, 16 Watt dan 8 Watt…………..………………………. 35

4.2 Pembahasan……………………………………………………………. 39

4.2.1 Perbandingan Rasio Pada Transmisi Belt dan Transmisi Roda Gigi Secara Teoritis Dengan Rasio Secara Aktual……..… 39

4.2.2 Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja…………………...………… 39 xii

4.2.3 Perbandingan Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Secara Teoritis Dengan Aktual………………………………………… 40

4.2.4 Putaran Kincir dan Generator diberi beban……………………... 42

4.2.5 Perhitungan Daya Kincir dan Daya Yang Dihasilkan Generator Dengan Variasi Kekakuan Pegas Serta Beban Lampu 32 Watt, 24 Watt, 16 Watt dan 8 Watt………….…………………………………………………. 42

4.2.6 Hasil Analisa Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR)…………………………………………………………… 48

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan…………………………………………………………….. 53

5.2 Saran…………………………………………………………………… 55

DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………. 56

LAMPIRAN……………………………………………………………………… 57

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Hasil perhitungan kekakuan pegas…………………………………….. 22Tabel 4.1 Data pengujian kekakuan pegas………………………………………... 34Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas A…….... 34Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas B……… 35Tabel 4.4 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas C……… 35Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas A……. 36Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas B……. 37Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas C……. 38Tabel 4.8 Hasil perhitungan P in , P out , C p dan TSR dengan menggunakan

pegas A…………………………………………………………............ 45

Tabel 4.9 Hasil perhitungan P , P , C dan TSR dengan menggunakan

in out p

pegas B…………………………………………………………............ 46

Tabel 4.10 Hasil perhitungan P in , P out , C p dan TSR dengan menggunakan

pegas C…………………………………………………………........... 47 xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra

merah satelit……………………………………………………….... 8

Gambar 2.2 Grafik prestasi untuk beberapa jenis turbin angin………………….. 9Gambar 2.3 Kincir angin model American poros mendatar……………………... 10Gambar 2.4 Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin………………. 11Gambar 2.5 Gaya sentrifugal…………………………………………………….. 16Gambar 3.1 Skema alat kopling sentrifugal pada kincir angin…….…………….. 18Gambar 3.2 Sketsa kopling hasil perancangan…………………………………... 20Gambar 3.3 Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang

digunakan…………………………………………………………… 20

Gambar 3.4 Massa bandul 20 gram………………………………………….…… 21Gambar 3.5 Pegas………………………………………………………………... 22Gambar 3.6 Sepatu kopling……………………………………….……………… 23 Gambar 3.7a Wind Tunnel tampak samping…………………………………… 28

Gambar 3.7b Wind Tunnel tampak depan……………………………………… 28

Gambar 3.8 Tachometer…………………………………………………………. 29Gambar 3.9 Multimeter………………………………………………………….. 29Gambar 3.10 Beban lampu……………………………………………………… 29Gambar 3.11 Anemometer…………………………………………………..…… 30Gambar 3.12 Rangkaian kelistrikan……………………………………………… 30

Gambar 3.13 Sistem kincir angin yang akan diuji………………………………. 31Gambar 4.1 Grafik hubungan C p dan TSR menggunakan pegas A……………… 48Gambar 4.2 Grafik hubungan C dan TSR menggunakan pegas B………………. 48

Gambar 4.3 Grafik hubungan C p dan TSR menggunakan pegas C………………. 49

xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Penelitian Kebutuhan energi merupakan hal yang tak terpisahkan dari kehidupan

manusia maka dari itu energi mempunyai peranan penting dalam memenuhi kebutuhan hidup, baik sosial ekonomi maupun lingkungan. Menurut data terbaru dari IFR Report, Economist 2008, dalam rentang tahun 2005 – 2030 diperkirakan kebutuhan minyak akan tumbuh sebesar 1,4% per tahun. Proporsi penggunaan minyak sebagai energi di dunia masih jauh lebih besar dibandingkan dengan sumber energi lainnya. (Sumber: http://www.its.ac.id/berita.php?nomer= 5780 )

Pada tahun 2005, minyak memegang kendali sebesar 39,2% dari total kebutuhan energi di dunia. Proporsi ini jauh di atas gas (23,0%), bahan padat (27,6%), bahkan energi terbarukan (10,2%) sekalipun. Dua dekade mendatang, lebih tepatnya pada tahun 2030, diperkirakan proporsi minyak sebagai sumber energi akan mengalami penurunan menjadi sekitar 36,5% dari total kebutuhan energi di dunia. Sedangkan proporsi gas naik menjadi 27,4%, bahan padat turun menjadi 26,8%, dan energi terbarukan justru diperkirakan turun ke angka 9,2%. Hal ini menggambarkan situasi bahwa sampai dengan tahun 2030, minyak masih menjadi primadona sumber energi.( Sumber : http://www.energi.lipi.go.id )

Masyarakat membutuhkan sumber- sumber energi alternatif seiring dengan semakin sulitnya mendapat energi minyak bumi. Indonesia tercatat sebagai negara dengan garis pantai terpanjang di dunia, ini berarti bahwa

Indonesia memiliki potensi besar akan salah satu sumber energi terbarukan yaitu angin. Energi angin yang tersedia berlimpah, tidak habis-habis, dan tersebar luas.

Penggunaan energi angin memiliki beberapa keunggulan yakni bersih dan tidak menimbulkan efek rumah kaca. Selain memiliki keunggulan angin juga memiliki kelemahan yakni sifatnya yang tidak konstan atau kecepatannya berubah-ubah.

Energi angin yang belimpah tersebut bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik. Mengubah energi angin menjadi listrik diperlukan media kincir angin yang kemudian diteruskan oleh generator menjadi listrik. Dari kelebihan dan kelemahan energi angin seperti tersebut sebelumnya, maka perlu merekayasa kincir angin agar mampu bekerja berdasakan kelebihan dan kelemahanya. Diharapkan kincir angin saat bekerja tidak merusak lingkungan dan juga dapat bekerja dengan kecepatan angin yang tidak konstan.

Kincir yang diteliti dalam hal ini adalah kincir angin tipe poros horizontal yang dimodifikasi dengan menggunakan kopling sentrifugal sebagai penerus putaran untuk memutar generator menjadi energi listrik. Sebelum memutar generator terlebih dahulu kincir angin perlu menghubungkan sepasang poros yang terhubung dengan generator melalui kopling sentrifugal.

Ketika pusat poros berputar cukup cepat, memperpanjang pegas menyebabkan sepatu kopling mengait rumah kopling. Ketika poros mencapai putaran tertentu,

kopling akan aktifkan dan bekerja hampir seperti transmisi variabel kontinyu.

Apabila beban yang diterima poros terputar meningkat, maka putaran akan turun kemudian melepaskan kopling. (Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal

_clutch ).

Kopling sentrifugal ini bermanfaat agar pada kecepatan angin rendah kincir terus berputar tanpa harus memutar generator. Tujuannya adalah pada putaran rendah generator tidak bekerja, karena jika generator bekerja pada putaran rendah tidak akan menghasilkan daya listrik, melainkan panas yang dapat merusak generator. Generator yang tersedia dipasaran dengan harga relatif murah kebanyakan memiliki putaran kerja yang cukup tinggi sekitar 700 rpm untuk menghasilkan listrik. Maka dari itu dibutuhkan kopling sentrifugal untuk mengawali kerja generator. Selain itu penggunaan koling sentifugal bertujuan agar kincir angin terlebih dahulu memperoleh tenaga yang besar dari angin untuk berputar sebelum menerima beban generator. Hal ini dilakukan agar pada saat awal kincir berputar tidak terbebani dan dapat berputar dengan stabil.

Agar koping dapat bekerja dengan gaya sentrifugal, maka diperlukan putaran yang cukup tinggi. Diperlukannya putaran yang cukup tinggi inilah maka kincir angin yang dibuat memakai transmisi belt dan roda gigi agar dapat memperbesar putaran. Diharapkan nantinya dengan memberikan transmisi belt dan roda gigi tersebut putaran yang dihasilkan besar walaupun kecepatan angin berubah-ubah sehingga kopling sentrifugal dapat bekerja dan meneruskan putaran ke generator menjadi energi listrik. Energi lisrik yang dihasilkan generator diharapkan besar dan dapat memenuhi kebutuhan. Energi listrik besar diperlukan

putaran generator yang juga besar. Agar terpenuhinya kebutuhan tersebut, maka dari poros kopling dihubungkan dengan transmisi belt menuju generator.

Diharapkan nantinya transmisi belt tersebut dapat menghasilkan putaran yang tinggi dan memutar generator sehingga listrik yang dihasilkan besar. Maka dari itu dengan kecepatan angin yang tinggi, kincir angin dapat menghasilkan putaran yang besar sehingga kopling dapat bekerja dan meneruskan putaran sehingga dapat memutar generator yang kemudian menghasilkan listrik.

1.2. Perumusan Masalah

Pemasalahan yang terjadi dalam penggunaan kincir angin saat ini berhubungan dengan kecepatan angin yang selalu beubah-ubah sehingga berpengaruh pada putaran kincir . Putaran kincir angin berpengaruh pada putaran kopling mulai bekerja selain itu juga dapat mempengaruhi putaran kerja generator terhadap daya yang dihasilkan. Permasalahan ini dapat dirumuskan sebagai berikut; “Mengetahui putaran optimal kopling sentrifugal mulai bekerja dengan

variasi kekakuan pegas yang direduksi dari putaran kincir melalui trasmisi

sehingga dapat memutar generator sebagai pembangkit listrik dengan kecepatan

angin yang berubah-ubah” .

1.3. Pembatasan Masalah

Penelitian kincir angin ini hanya menyangkut permasalahan putaran yang dibutuhkan kopling untuk mulai bekerja dengan menggunakan variasi kekakuan pegas pada sepatu kopling sehingga dapat memutar generator dan menghasilkan

listrik. Rekayasa dilakukan dengan menyelidiki pengaruh penggunaan variasi pegas terhadap putaran yang dibutuhkan kopling sentrifugal mulai bekerja dengan kecepatan angin berubah-ubah. Selain putaran yang dibutuhkan kopling sentrifugal saat mulai bekerja, juga dapat mengetahui daya listrik yang dihasilkan generator.

1.4. Tujuan Penelitian

Penelitian yang dilakukan memiliki beberapa tujuan. Tujuan tersebut dapat dikemukakan sebagai berikut:

Mengetahui pengaruh variasi kekakuan pegas pada kopling sentrifugal terhadap putaran dan kecepatan angin yang dibutuhkan saat kopling mulai bekerja.
Mengetahui putaran kincir dan putaran generator setelah kopling bekerja terhadap pemberian beban.

dan TSR untuk mengetahui unjuk kerja kincir

Mendapatkan grafik C P terhadap beban yang diberikan dan pengaruh terhadap kecepatan angin.

1.5. Manfaat Penelitian

Penelitian yang dilakukan memiliki beberapa manfaat. Manfaat tersebut dapat dikemukakan sebagai berikut:

Mendapatkan pengetahuan pengaruh variasi pegas terhadap putaran dan kecepatan angin yang dibutuhkan kopling mulai bekerja.

Memperoleh pengetahuan pengaruh beban terhadap putaran kincir dan putaran generator setelah kopling bekerja.
Mengetahui Cp dan TSR yang dihasilkan kincir sehingga dapat mengembangkan teknologi pemanfaatan energi angin di Indonesia.

1.6. Sistematika Penyajian

Bab 1, berisikan latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penyajian. Bab II, berisikan tujuan pustaka, landasan teori yang mengulas teori tentang energi angin, kerja kincir angin, rasio putaran pada transmisi dan gaya-gaya yang bekerja pada kopling sentrifugal.

Bab III, berisikan skema alat, cara kerja alat, peralatan yang digunakan serta cara pengujian dan pengambilan data. Pengambilan data tersebut meliputi metode pengukuran beban alternator, memberikan variasi pegas pada sepatu kopling dan variasi kecepatan angin.

Bab IV, berisikan data-data, pembahasan dan perhitungan aktual yang didapatkan dari hasil pengujian unjuk kerja kopling sentrifugal pada kincir angin dengan variasi pegas pada sepatu kopling serta putaran kincir angin ditinjau dari kecepatan angin dan reaksi kopling terhadap pembebanan alternator.

Bab V, berisikan kesimpulan dan saran penggunaan kopling sentrifugal pada kincir angin dengan variasi kekakuan pegas dan putaran kincir angin pembangkit tenaga listrik.

BAB II DASAR TEORI 2.1. Energi Angin Terjadinya angin karena adanya perbedaan temperatur, menyebabkan

adanya perbedaan tekanan udara. Tempat dengan tekanan yang lebih rendah akan ditempati oleh udara inilah yang disebut dengan angin. ( sumber : Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin ).

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

Angin terjadi di lapisan Atmosfer pada lapisan Troposfer. Lapisan Troposfer ini memiliki ketebalan kurang lebih 11 km (3600 ft) dari permukaan laut ke atas. Panas yang diterima bumi dari matahari berbeda dikarenakan letak permukaan bumi setiap daerah berbeda.

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. Daerah yang ditunjukan dari warna merah, jingga dan kuning tersebut memiliki tekanan udara yang tinggi disebabkan menerima panas matahari yang berlebih, maka dari itu angin akan mengalir ke daerah yang bertekanan udara rendah. Proyeksi matahari terhadap bumi tersaji dalam bentuk gambar dan dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra merah

satelit (Sumber: satelit NASA, NOAA-7, Juli 1984) 2.2.

Turbin Angin

Kincir angin memiliki berbagai bentuk dan ukuran. Berdasarkan kedudukan poros terhadap permukaan tanah, kincir angin dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu kincir angin poros mendatar (Horizontal-axis Wind Turbine) dan kincir angin poros tegak (Vertikal-axis Wind Turbine).

2.2.1. Kincir Angin Poros Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal (TASH) adalah turbin dengan poros utama horizontal. Salah satu turbin angin poros horizontal adalah American windmill. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Menurut Profesor Betz, effisiensi maksimum kincir American sekitar 20% (sumber : Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin)

2.2.2. Turbin Angin Poros Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal (TASV) adalah turbin dengan poros vertikal sepanjang menara dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros turbin jenis TASV secara umum bergerak lebih perlahan dibanding jenis TASH, tetapi menghasilkan torsi yang lebih tinggi. Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan di beberapa negara, kincir angin Savonius ini belum dapat dipastikan berapa effisiensi yang tepat. Kincir angin Savonius dapat menyerap energi angin dengan effisiensi kurang lebih 30% ( sumber : Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin ).

Efisinsi berbagai jenis kincir angin dapat dilihat pada Gambar 2.2. Pada penelitian ini kincir angin yang diteliti merupakan kincir angin poros horizontal, maka efisiensi yang digunakan sebagai acuan adalah efisiensi American Windmill untuk membandingkan efisiensi yang diperoleh dari data.

Gambar 2.2 Grafik prestasi untuk beberapa jenis turbin angin

Salah satu contoh kincir angin model American Windmill dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Kincir angin model American poros mendatar 2.2.3.

Kelebihan kincir Angin Sumbu horizontal

Kincir angin poros horizontal memiliki kelebihan diantaranya adalah sebagai berikut: Menara sangat tinggi sehingga memperoleh angin sangat banyak dengan kecepatan angin tinggi.

Putaran yang dihasilkan cukup tinggi. Dapat menerima angin pada kecepatan tinggi.

2.2.4. Kekurangan kincir Angin Sumbu Horizontal

Selain memiliki kelebihan, kincir angin poros horizontal memiliki kekurangan antara lain sebagai berikut: Menara yang tinggi sulit dibawa ke lokasi, akan membutuhkan biaya transpotasi yang cukup besar.

TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang terampil.

Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.

2.1. Daya Kincir Angin

Udara yang bergerak mengandung energi. Energi yang terdapat pada angin / udara merupakan energi kinetik. Proses terjadinya energi kinetik pada kincir angin dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin

(Sumber: Materi Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007) Energi kinetik 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).

Secara umum energi kinetik dapat dihitung dengan persamaan 2.1: ……………………………………….. (2.1) dengan:

= kecepatan angin (m/s) = massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s) dimana : = . .

Dari persamaan 2.1, maka energi kinetik angin per satuan waktu dapat dihitung dengan persamaan 2.2.

= 0,5. ( . .

) . ……………………………………………….. (2.2) Sehingga rumus energi kinetik angin per satuan waktu menjadi persamaan 2.3 berikut ini.

= 0,5. . . ……………………………………………………. (2.3) dengan:

= daya angin (Watt)

= massa jenis udara (kg/m

) = luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir (m

) Apabila massa jenis udara adalah ρ = 1,2256 kg/m

, maka persamaan 2.3 dapat disederhanakan menjadi persamaan 2.4.

= 0,6. . ( ) ……………………………………………... (2.4) Energi kinetik yang dihasilkan dari angin ini dikonversikan menjadi energi mekanik untuk memutar kincir angin dan kemudian mengubahnya menjadi enrgi listrik melalui generator.

2.4. Daya Yang Dihasilkan Oleh Generator Listrik

Sebuah generator listrik berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Besarnya energi listrik yang dihasilkan oleh generator listrik, dapat dihitung dengan persamaan 2.5.

= . ( ) ………………………………………………….. (2.5) dengan: = teganggangan (Volt) = Arus (Ampere) 2.5.

Tip Speed Ratio (TSR)

Kecepatan bagian terluar atau ujung sudu tidak selalu sama dengan kecepatan angin. Perbandingan kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin biasa disebut dengan Tip Speed Ratio (TSR). Mengetahui besarnnya TSR dapat dihitung dengan persamaan 2.6.

= …………………………………………………………………. ( 2.6) dimana:

= Ω = 2.

π . R. n

60 Sehingga dari persamaan 2.6, untuk menghitung TSR menjadi persamaan 2.7.

= 2. . .

60.

………………………………………………………. …( 2.7) dengan

= Tip Speed Ratio

= jari-jari kincir (m) = kecepatan aliran angin (m/s) = putaran kincir angin (rpm)

2.6. Koefisien Daya (Efisiensi)

Koefisien daya (Coefficient of Power), digunakan untuk menggantikan istilah efisiensi atau unjuk kerja. Koefisien daya (C ) adalah bilangan tak

berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang tersedia dengan daya yang dihasilkan oleh sistem kincir angin. Besarnya C dapat dihitung dengan

P persamaan 2.8.

ℎ = , atau = …………………………………………………. ………………( 2.8) dengan:

= koefisian daya kincir = daya yang dihasilkan generator listrik (Watt)

= daya kincir angin (Watt) Tiap jenis kincir angin memiliki harga C P yang berbeda dan selalu berubah- ubah sesuai dengan TSR-nya. Harga C P dan TSR secara teoritis disajikan dalam bentuk grafik yang dapat dilihat pada gambar 2.4. Harga C maksimum untuk

P jenis kincir American secara teoritis adalah 0,2 yang biasa disebut Bets Limit.

2.7. 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:

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 sudu 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.

2.8. Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal

Kopling Sentrifugal adalah kopling yang menggunakan gaya sentrifugal untuk menghubungkan dua buah poros, yakni poros pemutar dan terputar. Pada saat putaran meningkat, bobot massa pada sepatu kopling memberikan ayunan keluar dan memaksa kopling untuk mengait rumah kopling dan memutar poros. Ketika pusat poros berputar cukup cepat, memperpanjang pegas menyebabkan sepatu kopling mengait rumah kopling. Ketika poros mencapai putaran tertentu, kopling akan aktifkan dan bekerja hampir seperti transmisi variabel kontinyu. Apabila beban meningkatkan, maka putaran akan turun kemudian melepaskan kopling. (Sumber: )

Gaya sentrifugal adalah gaya yang terjadi akibat benda bergerak melingkar dan arahnya keluar dari titik pusatnya. 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.

Gaya Sentrifugal

Gambar 2.5 Gaya sentrifugal

Besarnya gaya tersebut, dapat dihitung dengan Hukum II Newton untuk komponen radial : = ∙

= percepatan (m/s ) = sehingga, ∙

= dimana, kecepatan (m/s)

= = .

Maka rumus gaya sentrifugal dapat dilihat pada persamaan 2.9.

( . ) = . = . . …………………………………………………………. (2.9) dengan : F = gaya sentrifugal (N) m = massa benda (kg) ω

= kecepatan sudut (rad/s) r = jari-jari (m)

2.9. Rasio Putaran

Rasio adalah perbandingan antara putaran dari roda pemutar (yang pertama) dan angka putaran dari roda terputar (yang terakhir). diperoleh rumus rasio:

= = = ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ ( 2.10) = : ( )

ℎ = :

∶ =

Rasio total: (untuk sistem transmisi bertahap) = ∙ ∙ ∙ …… ∙ ………………………………………… (2.11)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Sarana Dan Skema Alat Dalam Penelitian

3.1.1. Sarana Penelitian Sarana yang digunakan dalam penelitian adalah kincir angin dengan kopling sentrifugal yang diberi variasi kekakuan pegas pada sepatu kopling dan diuji coba pada terowongan angin serta diberi beban lampu 8 Watt, 16 Watt, 24 Watt dan 32 Watt.

3.1.2. Skema Alat Dalam Penelitian Skema alat yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Skema alat kopling sentrifugal pada kincir angin

Keterangan: 1.

Sudu kincir angin 2. Puli kincir angin penggerak roda gigi.

3. Roda gigi 4.

Kopling sentrifugal 5. Puli transmisi penggerak generator 6. generator

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 putaran yang dibutuhkan pada sistem kincir angin.

3.2. Kopling Sentrifugal

Secara skematik kopling sentrifugal hasil perancangan dapat dilihat pada

Gambar 3.2. Kopling ini bekerja pada putaran penggerak kopling dan meneruskan putaran tersebut melalui komponen tergerak kopling.

Sebelum pembuatan kopling terlebih dahulu menentukan dimensi kopling, beserta sepatu kopling. Dimensi diperlukan untuk mempermudah perhitungan dan mempermudah pembuatan agar lebih presisi. Dimensi kopling dapat dilihat pada Gambar 3.3.

KOPLING SENTRIFUGAL PADA KINCIR ANGIN DENGAN VARIASI KEKAKUAN PEGAS