Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh: AHMAD SAYOGO
20120130216
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
i
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE
HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
(HAWT) UNTUK
DAERAH PANTAI SELATAN JAWA
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Mencapai Derajat Strata-1
Fakultas Teknik Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun oleh:
Ahmad Sayogo
20120130216
PROGRAM STUDI S.1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
ii
“PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE
HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE (HAWT) UNTUK DAERAH
PANTAI SELATAN JAWA “ ini adalah asli hasil karya saya dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan
Tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat
yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara
tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta,
iii
Motto
“Selesaikan apa yang sudah kamu mulai”
“
Tak ada masalah yang tak dapat
diselesaikan”
iv
1. Bapak dan Ibuku tercinta, Darwoto dan Sri Lertari, terimakasih atas didikan, kasih sayang, kesabaran, kepercayaan dan dukunganmu selama ini,
sehingga aku mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. Dimasa depan kelak aku
akan membuatmu bangga dengan karya-karyaku.
2. Alfa Widi Astuti S.Hut. kakak tercinta yang telah memberikan motivasi untuk sukses semuda mungkin, saya harap kakak lebih sukses daripada saya
saat ini, semoga kakak bisa meraih apa yang kalian cita-citakan.
3. Novi Caroko, S.T., M.Eng. dan Wahyudi, S.T., M.T. Selaku dosen pembimbing, terimakasih atas bimbingan bapak sehingga saya bisa
menyelesaikan Tugas Akhir ini sampai selesai.
4. Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D. Selaku dosen penguji Tugas Akhir. 5. Teman-teman Teknik Mesin UMY angkatan 2012 dan semua angkatan
v Intisari
Kincir angin merupakan salah satu penggerak mula dari sumber energi untuk membangkitkan listrik yang memanfaatkan tenaga angin. Kelebihan kincir angin adalah disamping sumber daya yang melimpah dan terbarui juga tidak menimbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas buang. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk merancang dan membuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk didapat.
Proses perancangan meliputi perhitungan daya output kincir, desain blade, pemilihan perbandingan roda gigi gearboxs, dan pemilihan generator. Material yang digunakan untuk membuat blade (sudu) adalah kayu Pinus dengan ukuran awal 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Proses pembuatan dilakuan dengan cara menyerut kayu secara manual dengan menggunakan mesin pasah. Proses finishing
dilakukan dengan mengamplas secara manual hingga membentuk profil yang diinginkan kemudian dilakukan proses pengecatan untuk menutup pori-pori kayu.
Hasil perancangan yaitu kincir angin tipe horisontal Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dengan jumlah sudu 3 buah. Diameter rotor 3 m dengan material sudu (blade) adalah kayu Pinus dan perbandingan roda gigi pada
gearboxs adalah 1:3 dengan kapasitas generator 500 Watt. Jenis sudu yang digunakan adalah sudu airfoil tipe Clark-Y dengan permukaan bawah datar (flat botom). Berdasarkan uji coba yang telah dilakukan kincir dapat bekerja pada kecepatan angin 1,5-3,9 m/s.
vi
Syukur Alhamdulillah kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas
rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir
ini dengan judul ” PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN TIPE HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE (HAWT) UNTUK DAERAH PANTAI SELATAN JAWA”. Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan akademis untuk menyelesaikan Program Strata-1 pada Jurusan
Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
Hasil dari perancangan ini didapat desain prototype kincir angin tipe
horisontal (HAWT) bersudu 3. Sudu (blade) yang digunakan adalah sudu jenis
airfoil dengan airfoil jenis Clark-Y flat botom. Dari hasil uji coba didapat kincir
angin dapat beroprosi pada kecepatan 1,5-3,9 m/s.
Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini penulis ucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng., selaku kepala program studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
2. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng., selaku dosen pembimbing I yang telah
bersedia memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat.
3. Bapak Wahyudi, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing II yang telah bersedia
memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat.
4. Kedua orang tua yang telah memberi dukungan, pengertian, semangat, dan
doa.
5. Bapak Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D.., selaku dosen penguji yang telah
bersedia memberikan masukan-masukan dalam laporan tugas akhir.
6. Aditya Ivanda dan Erwin Pratama selaku tim kelompok dalam penelitian
tugas akhir yang telah bekerjasama dengan baik dalam pengyelesaian tugas
vii
7. Semua Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan
bekal ilmu bagi penulis selama penulis mengikuti kuliah di Program Studi
Teknik Mesin selama kurang lebih 4 tahun.
8. Seluruh karyawan Jurusan Teknik Mesin di Universitas Muhammadiyah
Yogyakarta atas bantuan yang telah diberikan selama masa kuliah.
Kritik dan saran dari pembaca sangat diharapkan oleh penulis demi
perbaikan laporan ini, semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi
penyusun dan teman-teman mahasiswa yang lain.
Wassalamualaikum Warohmatullahi Wabarokatuh.
Yogyakarta, 2016
viii
HALAMAN PERNYATAAN ... iii
HALAMAN MOTTO ... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
INTISARI ... vi
KATA PENGANTAR ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR LAMPIRAN ... xiii
DAFTAR NOTASI DAN SINKATAN ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah... 2
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
BAB II LANDASAN TEORI ... 4
2.1 Tinjauan Pustaka ... 4
2.2. Dasar Teori ... 5
2.2.1. Potensi Angin di Indonesia ... 5
2.2.2. Kincir Angin ... 6
2.2.3. Jenis Kincir Angin ... 7
2.2.3.1. Kincir Angin Tipe Horizontal (HAWT) ... 7
2.2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ... 8
2.2.4. Komponen Utama Kincir Angin ... 11
ix
2.2.4.2. Transmisi (Gearboxs) ... 11
2.2.4.3. Generator ... 12
2.2.4.4. Menara (Tower) ... 13
2.2.4.5. Penyimpan Daya (Baterei) ... 14
2.2.5. Parameter Yang Berpengaruh Dalam Peracangan Blade ... 15
2.2.5.1. Swept Area ... 15
BAB III METODE PENELITIAN ... 30
3.1. Tempat dan Waktu Pembuatan ... 30
3.1.1. Tempat Perancangan dan Pembuatan... 30
3.1.2. Waktu pembuatan... 30
3.2.Alat dan Bahan pembuatan ... 30
3.2.1 Alat Pembuatan ... 30
3.2.2. Bahan Pembuatan ... 31
3.3.Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan ... 31
BAB IV Perhitungan dan Pembahasan ... 32
4.1. Perhitungan ... 32
x
4.2. Perancangan Blade (Sudu) Kincir Angin ... 36
4.2.1. Proses Desain ... 36
4.2.2. Proses Analisa Desain ... 37
4.3. Perancangan Poros dan Gearbox ... 42
4.3.1. Perancangan Gearbox ... 42
4.3.2. Perancangan Poros ... 46
4.4. Proses Pembuatan ... 47
4.4.1. Pembuatan Pola ... 47
4.4.2. Proses Penyerutan ... 48
4.4.3. Proses Pengamplasan ... 49
4.4.4. Proses Finishing ... 50
4.4.5. Hasil Pembuatan Kincir Angin ... 51
4.5. Uji Coba Kincir Angin ... 53
4.6. Estimasi Biaya ... 54
BAB VPENUTUP ... 56
5.1. Kesimpulan ... 56
5.2. Saran ... 56
DAFTAR PUSTAKA ... 57
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Kincir Angin Tipe Horizontal ... 7
Gambar 2.2. Skema dan prinsip kerja kincir angin VAWT tipe Savonius ... 8
Gambar 2.3. Kincir angin VAWT tipe Darrieus ... 9
Gambar 2.4. Kincir angin VAWT tipe H-rotor ... 9
Gambar 2.5. Bilah (Blade) ... 10
Gambar 2.6. Transmisi ... 11
Gambar 2.7. Generator ... 11
Gambar 2.8. Tower ... 12
Gambar 2.9. Baterai (ACU) ... 13
Gambar 2.10. Swept Area... 13
Gambar 2.11. Hubungan nilai TSR terhadap Cp ... 16
Gambar 2.13. Airfoil ... 17
Gambar 2.14. Macam-macam roda gigi ... 22
Gambar 2.15. Komponen Las SMAW ... 26
Gambar 2.16.Jenis baut ... 27
Gambar 2.17. Jenis Mur ... 28
Gambar 3.1.Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan ... 31
Gambar 4.1.Gambar 3D Airfoil ... 36
Gambar 4.2. Bentuk Airfoil ... 37
Gambar 4.3 Gambar 3D Kincir Angin ... 37
Gambar 4.4. Analisa aliran fluida pada blade ... 36
Gambar 4.5. Turbulensi pada blade ... 37
Gambar 4.6. Distribusi tekanan pada bladeairfoil ... 38
xii
Gambar 4.11. Distribusi aliran tekanan pada blade yang dipasangi stik ... 42
Gambar 4.12.Balok kayu pinus ... 47
Gambar 4.13. Pola pada kayu pinus ... 48
Gambar 4.14. Proses penyerutan ... 48
Gambar 4.15. Kayu setelah dilakukan penyerutan... 49
Gambar 4.16. Proses pengamplasan ... 49
Gambar 4.17. Proses finishing ... 50
Gambar 4.18. Kayu pinus setelah dipernis ... 50
Gambar 4.19. Stik blade... 51
Gambar 4.20. Blade yang sudah dirakit dengan stik blade ... 51
Gambar 4.21. Kincir Angin HAWT ... 52
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Diagram Pemilihan Modul Roda Gigi ... 59
Lampiran 2. Tabel 1. Tabel Propertis Udara Tekanan 1 atm ... 60
Lampiran 3. Tabel 2. Karakteristik bahan roda gigi ... 61
Lampiran 4. Tabel 3. Faktor bentuk roda gigi ... 62
Lampiran 5. Tabel 4. Faktor dinamis roda gigi (fv) ... 63
Lampiran 6. Tabel 5. Faktor tegangan kontak bahan roda gigi ... 64
Lampiran 7. Tabel 6. Bahan untuk konstruksi mesin ... 65
Lampiran 8. Komponen UtamaKincir Angin... 66
Lampiran 9. GAmbar Desain Blade ... 67
xiv VAWT : Vertical Axis Wind Turbine
A : Luas Area Swept (m2)
d : Diameter Rotor (m)
P : Daya mekanik kincir angin (Watt)
Cp : Koefisien daya
ρ : Densitas udara (kg/m3)
V : Kecepatan Angin (m/s)
TSR : Tip Speed Ratio
n : Putaran rotor (rpm)
N : Jumlah Blade (sudu)
C : lebar blade (m)
R : Jari-jari rotor (m)
Pd : Daya rencana (Watt)
fc : Faktor koreksi
T : Torsi (Mpa)
σB : Kekuatan tarik bahan (Mpa)
Sf1.Sf2 : Faktor koreksi bahan
ds : diameter poros (mm)
d’0 : Diameter jarak bagi sementara pinion dan roda gigi (mm)
i : Jumlah gigi
a :Jarak sumbu poros (m)
xv
m : modul gigi
z : jumlah gigi
dk : Diameter kepala roda gigi (mm)
df : Diameter kaki roda gigi (mm)
fv : Faktor koreksi kecepatan
Ft : Gaya tangensial yang terjadi pada roda gigi (Mpa)
F’b : Beban lentur yang diizinkan (N)
Y : Faktor bentuk gigi
menimbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas buang. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk merancang dan membuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk didapat.
Proses perancangan meliputi perhitungan daya output kincir, desain blade, pemilihan perbandingan roda gigi gearboxs, dan pemilihan generator. Material yang digunakan untuk membuat blade (sudu) adalah kayu Pinus dengan ukuran awal 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Proses pembuatan dilakuan dengan cara menyerut kayu secara manual dengan menggunakan mesin pasah. Proses finishing
dilakukan dengan mengamplas secara manual hingga membentuk profil yang diinginkan kemudian dilakukan proses pengecatan untuk menutup pori-pori kayu.
Hasil perancangan yaitu kincir angin tipe horisontal Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dengan jumlah sudu 3 buah. Diameter rotor 3 m dengan material sudu (blade) adalah kayu Pinus dan perbandingan roda gigi pada
gearboxs adalah 1:3 dengan kapasitas generator 500 Watt. Jenis sudu yang digunakan adalah sudu airfoil tipe Clark-Y dengan permukaan bawah datar (flat botom). Berdasarkan uji coba yang telah dilakukan kincir dapat bekerja pada kecepatan angin 1,5-3,9 m/s.
ABSTRACT
Wind turbine was one of the early movers from the energy source to generate electricity utilizing wind power. The advantages of the wind turbine is beside the abundant resources and renewable resources also does not cause the impact of environmental pollution. The purpose of this design is to design and create a windmill that corresponds to wind speed in Indonesia with a strong material, cheap and easy to come by.
The design process includes the calculation of power output of wind turbine, the design of the blade, the selection of gear gearboxs comparison, and selection of the generator. The material used to make the blade is a Pine wood with initial size of 1250 mm x 150 mm x 30 mm. Making process took place by means of a wooden manually by using the machine. The finishing process is done with sanding by hand to form the desired profile then done painting process to close the pores of the wood.
The results of the design of a Horizontal Axis Wind turbines, i.e. (was HAWT) with the number of vanes 3 pieces. The rotor diameter of 3 m with blade is a Pine Wood and comparison gears on gearboxs is 1:3 with a capacity of 500 Watt generator. This type of turbine blade used is type airfoil Clark-Y with a flat bottom surface (flat botom). Based on the testing that has been done so that can work on wind speed 1.5-3.9 m/s.
1
Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk dan perkembangan
teknologi membuat kebutuhan akan suplai energi semakin meningkat, terutama
kebutuhan akan energi listrik. Hal ini membuat harga listrik setiap tahunnya
mengalami kenaikan. Kebutuhan listrik saat ini masih tergantung pada bahan
bakar fosil yang berupa bahan bakar minyak (BBM) dan batu bara yang
jumlahnya semakin menipis. Upaya yang dilakukan pemerintah saat ini adalah
dengan mencari sumber energi alternatif yang tidak bergantung pada bahan bakar
fosil yang jumlahnya terus berkurang. Salah satu upaya pemanfaatan energi
alternatif terbarukan yang ramah lingkungan adalah energi yang berasal dari
angin. Kincir angin merupakan salah satu contoh penggerak mula dari sumber
energi untuk membangkitkan listrik yang memanfaatkan tenaga angin.
Indonesia adalah negara yang memiliki sumber daya energi yang sangat
melimpah, salah satunya adalah energi angin. Indonesia yang merupakan negara
kepulauan dan salah satu negara yang terletak di garis khatulistiwa merupakan
faktor bahwa Indonesia memiliki potensi energi angin yang melimpah.
Melimpahnya sumber energi di Indonesia tidak dibarengi dengan pemanfaatan
sumber energi secara maksimal. Wilayah pesisir pantai Selatan Jawa merupakan
wilayah Indonesia yang mempunyai potensi energi angin yang cukup melimpah,
walaupun potensi anginya cukup rendah yaitu antara 3-6 m/s (BPPT, 2015).
Potensi angin tersebut cocok digunakan untuk pembangkit listrik dengan
daya keluaran maksimum 1000 Watt. Daya tersebut sangat cocok digunakan
untuk skala rumah tangga, walaupun masih tergolong kecil. Daya keluaran yang
tergolong kecil tersebut dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif, terutama
bagi daerah yang belum teraliri listrik PLN. Beberapa daerah pesisir Pantai
Selatan Jawa masih ada yang belum teraliri oleh listrik PLN, terutama daerah
2
terdapat banyak tambak yang kebutuhan listriknya dipenuhi dengan menggunakan
genset yang sumber energinya masih tergantung pada bahan bakar fosil (BBM).
Kincir angin dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif yang tidak
tergantung pada bahan bakar fosil sehingga dapat mengurangi ketergantungan
tehadap bahan bakar fosil yang jumlahnya semakin menipis.
Kincir angin terbagi atas dua tipe yaitu kincir angin sumbu horizontal atau
Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan kincir angin sumbu vertikal atau
Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Kincir angin sumbu horizontal atau
(HAWT) merupakan kincir dengan poros utama horizontal dan generator
pembangkit listrik berada pada puncak menara. Poros mendatar pada kincir angin
ini terdiri atas posisi poros yang sejajar dengan permukaan tanah dan posisi poros
sejajar dengan arah datangnya angin. Kincir angin tipe HAWT lebih banyak
digunakan dibandingkan tipe VAWT, hal ini dikarenakan kincir angin tipe
HAWT dapat beroprasi pada kecepatan rendah maupun kecepatan tinggi.
Kelebihan kincir angin adalah disamping sumber daya yang melimpah dan
terbarui juga tidak meninbulkan dampak pencemaran lingkungan berupa gas
buang. Kincir angin yang tersedia dipasaran saat ini rata-rata harganya relatif
mahal berkisar $500 untuk kapasitas 500 Watt. Permasalahan tersebutlah yang
membuat masyarakat enggan menggunakan kincir angin sebagai sumber energi
alternatif pengganti BBM. Untuk menjawab permasalahan tersebut maka perlu
dibuat kincir angin yang sesuai dengan kecepatan angin di Indonesia khususnya
pesisir pantai Selatan Jawa dengan material yang kuat, murah dan mudah untuk
didapat.
1.1. Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas rumusan masalah yang muncul adalah bagaimana
membuat kincir angin yang sesuai dengan angin di pesisir pantai Selatan Jawa.
Angin di wilayah pesisir Pantai Selatan Jawa tergolong rendah yaitu berkisar
1.2. Batasan masalah
Dalam hal ini batasan masalah dalam perancangan ini adalah :
a. Tidak membahas konstruksi tiang penyangga (tower).
b. Pembahasan difokuskan pada perancangan dan pembuatan blade.
1.3. Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini antara lain
a. Mendapakan rancangan dan prototype kincir angin tipe horizontal (HAWT)
dengan penampang sudu berbentuk airfoil.
b. Mengetahui apakah kincir angin dapat bekerja pada kecepatan angin 3-6 m/s.
1.4. Manfaat
Manfaat dari yang diharapkan dari perancangan ini adalah:
a. Dari perancangan alat ini diharapkan dapat menambah referensi tentang alat
tepat guna dalam pengabdian masyarakat serta dapat dijadikan acuan dalam
pengembangan kincir angin tipe HAWT.
b. Hasil dari perancangan alat ini diharapkan dapat menjadi refrensi atau acuan
bagi para pelajar atau mahasiswa yang akan mengembangkan kincir angin
tipe HAWT di daerah pesisir Pantai Selatan Jawa.
c. Hasil perancangan alat ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu
bahan pertimbangan untuk energi alternatif yang ekonomis dan tidak
4 BAB II
Tinjauan Pustaka dan Dasar Teori 2.1. Tinjauan Pustaka
Serah (2004) dalam penelitiaannya merancang kincir angin tipe horizontal
HAWT dengan sudu berjumlah 3 buah. Diameter rotor adalah 2 m dengan
menggunakan airfoil tipe NACA 4415. Dari hasil pengujian didapatkan arus
terbesar adalah 0,42 A dengan tegangan 3,34 V, pada kecepatan angin 5,7 m/s.
Asy’ari dkk (2012) melakukan penelitian dengan membuat prototipe
kincir angin HAWT bersudu 3 buah, material sudu (blade) terbuat dari fibreglass
dengan panjang 75 cm. Pengujian dilakukan di daerah waduk Gajah Mungkur
Wonogiri, menggunakan gearbox dengan perbandingan 1:1,2. Dari hasil
pengujian yang dilakukan didapat bahwa kincir tersebut mampu menghasilkan
tegangan 95 volt dan arus 4,5 mA pada kecepatan 5,6 m/s.
Herlambang (2014) melakukan penelitian dengan membuat kincir angin
HAWT multi blade yang digunakan langsung untuk menggerakan pompa torak
kerja ganda. Jenis blade yang digunakan adalah tipe flate plate dengan sudu
berjumlah 9 buah dengan perbandingan roda gigi pada gearbox adalah 1:2.
Material blade terbuat dari plat galvanis dengan diameter rotor 90 cm dan panjang
sudu 43 cm. Daya terbesar yang dapat dihasilkan oleh kincir tersebut adalah
206,08 watt pada kecepatan angin 13 m/s.
Sedangkan Arfarisi (2016) membuat rancang bangun kincir angin HAWT
kapasitas 1000 watt dengan sudu berjumlah 3 buah. Diameter rotor kincir tersebut
adalah 2,28 m dan airfoil yang dipakai adalah tipe NACA 4415. Material yang
dipakai dalam pembuatan blade adalah fibreglass. Dari data pengujian yang
dilakukan kincir tersebut dapat menghasilkan daya terendah pada kecepatan angin
2,67 m/s dengan daya sebesar 4,4 watt. Daya tertinggi dari kincir tersebut adalah
sebesar 65,6 watt pada kecepatan angin 9,2 m/s.
Dari beberapa penelitian kincir angin tersebut dapat disimpulkan bahwa
kincir yang dibuat untuk kecepatan angin 2,67-13 m/s adalah tipe HAWT dengan
dan NACA 4415. Beberapa penelitian menyebutkan daya output yang dihasilkan
oleh kincir angin masih tergolong kecil berkisar 1,4–203 Watt. Besar kecilnya
daya output yang dihasilkan oleh kincir dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor
diantaranya: jenis dan bahan blade yang digunakan, tipe airfoil, perbanndingan
roda gigi pada gearboxs, diameter rotor, serta generator yang digunakan.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Potensi Angin di Indonesia
Angin adalah massa udara yang bergerak dari daerah yang bertekanan
tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Anemometer adalah alat yang
digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan yang biasa digunakan untuk
menentukan kecepatan angin adalah km/jam atau dalam Knot (1 knot = 0,5148
m/det = 1.854 km/jam). Sistem penamaan angin biasanya dihubungkan dengan
arah datangnya massa udara tersebut.
6
2.2.2. Kincir Angin
Pada masa awal pembuatan, kincir angin dibuat untuk mengakomodir
kebutuhan petani di Eropa. Kincir angin atau biasa dikenal denga istilah Windmill
banyak dibangun di wilayah Eropa seperti Belanda, Denmark dan wilayah Eropa
lainnya yang potensi sumber daya anginnya cukup besar. Kincir angin lebih
banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan
adanya prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam. Kincir angin
merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik menjadi energi
gerak, dimana energi penggeraknya berasal dari angin. Energi gerak selanjutnya
diteruskan berupa putaran sudu dan poros generator sehingga menghasilkan energi
listrik.
Sesuai dengan namanya, kincir angin menggunakan energi kinetik dari
angin sebagai tenaga pendorongnya. Angin menggerakkan bilah kincir yang
berputar pada porosnya, pada gilirannya mendorong perangkat tertentu, misalnya
generator untuk menghasilkan listrik. Kincir yang berputar ini terhubung ke
generator, bisa juga melalui gearbox atau langsung. Menariknya, sebagian besar
kincir modern yang berputar searah jarum jam.
Kincir angin bekerja dengan memanfaatkan energi angin yang diubah
menjadi gerak putar oleh kincir angin. Kincir angin bekerja berkebalikan dengan
kipas angin yaitu bukan menggunakan listrik untuk menghasilkan tiupan angin,
melainkan menggunakan angin untuk menghasilkan listrik. Angin yang bergerak
kemudian akan memutar sudu pada kincir, gerak putar inilah yang diteruskan oleh
poros untuk memutar rotor pada generator. Generator mengubah energi gerak
putar menjadi energi listrik dengan prinsip teori medan elektromagnetik, yaitu
poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah
itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah
kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar
maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi
Hal-hal yang dapat menentukan besarnya daya output dari sebuah kincir angin
Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) adalah:
a) Kecepatan angin
b) Jumlah sudu (blade)
c) Jenis dan bahan blade
d) Besarnya sudut serang blade (pitch)
2.2.3. Jenis Kincir Angin
2.2.3.1. Kincir Angin Tipe Horizontal ( HAWT )
Kincir angin sumbu Horizontal (HAWT) memiliki sudu yang berputar dalam
bidang vertikal, seperti propeler pesawat terbang. Kincir angin tipe horizontal
mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus dimana aliran udara pada
salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari pada aliran udara di sisi yang
lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah
pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi pada sisi depan sudu. Perbedaan ini
membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar.
Kincir Angin Sumbu Horizontal (HAWT) memiliki poros rotor utama dan
generator listrik di puncak menara. Kincir berukuran kecil diarahkan oleh sebuah
baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan kincir
berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang
dihubungkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox
yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar.
8
Gambar 2.1. Kincir Angin Tipe Horizontal Sumber : https://id.wikipedia.org, 2016.
2.2.3.2. Kincir Angin Sumbu Vertikal (VAWT)
Kincir jenis ini mememilki bilah yang memanjang dari atas ke bawah.
Kincir yang paling umum dijumpai dan sering digunakan adalah kincir angin
Darrieus. Dinamai Darreius karena sesuai dengan nama penbuatnya yaitu seorang
insinyur dari Perancis yang bernama Georges Darrieus. Desain dari kincir jenis ini
dipatenkan pada tahun 1931 oleh Georges Darrieus. Tinggi dari kincir angin
sumbu Vertikal biasanya berdiri 100 meter dari permukaan tanah dengan lebar
lebih kurang 15 Meter. Kincir jenis ini memiliki porsi yang masih kecil dalm
penggunaannya di kalangan masyarakat. Ada berbagai jenis kincir angin tipe
VAWT yang sering digunakan diantaranya adalah Tipe Savonius, Tipe Darrieus,
dan Tipe H-Rotor. Berikut merupakan jenis kincir angin sumbu vertikal yang
sering digunakan.
a. Kincir Angin Tipe Savonius
Kincir angin tipe ini diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ
Savonius pada tahun 1929. Kincir ini merupakan jenis yang paling sederhana dan
menjadi versi besar dari anemometer. Kincir Savonius dapat berputar karena
kecepatan angin. Meskipun daya koefisien untuk jenis kincir angin bervariasi
antara 30% sampai 45%. Jenis kincir ini cocok untuk aplikasi daya yang rendah
dan biasanya digunakan pada kecepatan angin yang berbeda.
Gambar 2.2. Skema dan prinsip kerja kincir angin VAWT tipe Savonius Sumber: http://www.getsttpln.com/2014.
b. Kincir Angin Tipe Darrieus
Kincir angin jenis ini ditemukan oleh seorang insinyur Perancis George
Jeans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Darrieus memiliki 2
bentuk kincir yang digunakan diantaranya adalah “Eggbeater/Curved Bladed” dan “Straightbladed”. Kincir angin tipe Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi simetri terhadap poros. Pengaturan ini dilakukan dengan
tjuan agar kincir mampu menangkap angin lebih efektif. Berbeda dengan kincir
jenis Savonius, kincir angin jenis Darrieus berputar dengan memanfaatkan gaya
10
Gambar 2.3. Kincir angin VAWT tipe Darrieus Sumber: http://www.getsttpln.com/2014.
c. Kincir Angin Tipe H-Rotor
Kincir ini pertama kali dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang
dilakukan selama 1970-1980’an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan
pada blade berbilah lurus (Straight-bladed) ternyata pada kincir angin tipe
Darrieus tidak diperlukan. Pada kincir angin jenis ini ditemukan bahwa efek
hambatan yang diciptakan oleh sebuah pisau (blade) akan membatasi kecepatan
aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur semua kecepatan angin
untuk mencapai kecepatan putaran optimalnya.
2.2.4. Komponen Utama Kincir Angin 2.2.4.1. Sudu ( Blade )
Blade atau rotor merupakan bagian dari kincir angin yang berfungsi
menerima energi kinetik dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak
(mekanik) pada poros penggerak. Rotor terdiri dari baling-baling/sudu dan hub.
Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan sudu denga
poros utama. Sudu pada kincir merupakan bagian terpenting guna memindah daya
pada poros yang selanjutnya diteruskan ke gearbox atau langsung ke generator.
Pada sebuah kincir angin, jumlah baling-baling atau sudu bervariasi sebanyak 2,3,
dan 4 buah atau lebih. Pada umumnya, sudu kincir angin propeller berjumlah 3
buah yang sering digunakan karena memiliki getaran yang tidak terlalu besar, jika
lebih dari 3 buah sudu maka akan berpengaruh terhadap getaran sehingga
mengakibatkan semakin besar pula torsi yang ditimbulkan. Desain sudu kincir
angin dibuat seaerodinamis supaya mendapatkan nilai efisiensi yang tinggi,
mengingat efisiensi penyaluran daya sudu kincir angin masih rendah yang
berkisar antara 20-30%.
Gambar 2.5. Bilah ( Blade )
Sumber : http://www.getsttpln.com/2014.
2.2.4.2. Transmisi (Gearbox)
Transmisi kincir angin berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke
generator dengan dipercepat putaranya. Hal ini diperlukan karena umumnya
12
putaran tinggi. Poros termasuk transmisi pada bagian kincir angin yang berfungsi
untuk memindahkan daya dari rotor ke generator secara langsung maupun melalui
mekanisme transmisi pada gearboxs.
Gambar 2.6. Transmisi
Sumber : http://www.getsttpln.com/2014.
2.2.4.3. Generator
Generator merupakan sumber utama energi listrik yang dipakai sekarang ini
dan merupakan converter terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang
dihasilkan bersifat bolak balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan
searah karena telah mengalami proses penyearahan. Generator adalah mesin
listrik yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanik menjadi
energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa
tegangan diinduksikan pada kontaktor apabila konduktor tersebut bergerak pada
medan magnet sehingga memotong garis garis gaya magnet. Prinsip dasar
generator arus bolak balik menggunakan hukum faraday yang menyatakan jika
sebatang penghantar berada pada medan magnet yang yang berubah-berubah,
Gambar 2.7. Generator
Sumber: http://www.getsttpln.com/2014.
2.2.4.4. Menara (Tower)
Menara berfungsi menyangga kincir angin. Pada kincir angin modern,
tinggi tower biasanya mencapai 40 – 60 meter. Menara dapat dibedakan menjadi
bentuk tubular dan bentuk lattice seperti gambar di bawah. Keuntungan dari
bentuk tubular yaitu aman, sedangkan lattice mempunyai biaya yang murah.
(a) (b) (c)
Gambar 2.8. Tower (a) Tipe Tubular, (b) Tipe Guyed, (c) Tipe Lattice
14
2.2.4.5. Peyimpan Daya ( Baterei )
Kincir angin tidak selamanya beroperasi karena keterbatasan angin yang
berhembus di waktu-waktu tertentu untuk dapat memutar rotor kincir. Maka dari
itu, diperlukan penyimpan energi agar menghasilkan energi listrik secara
kontinyu.Jika arus listriknya terlalu besar, maka arus listrik akan disalurkan
menuju jala-jala listrik setelah sebagian disimpan pada baterai.
Dalam pemilihan baterai harus dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut:
Mampu menyimpan daya dalam jumlah besar
Dapat menyalurkan daya yang disimpan baik dalam jumlah yang kecil maupun besar tanpa mengalami kerusakan.
Tahan lama (reliable)
Output tegangan dari baterai harus bebas dari fluktuasi atau noise
Baterai dapat dibedakan berdasarkan tegangannya dan kapasitas
penyimpanannya (Ampere-jam/Ah). Nilai Ah ditentukan berdasarkan kapasitas
penggunaannya. Misalkan baterai dengan kapasitas penyimpanan 200 Ah dibebani
selama 20 jam, maka kapasitas penggunaannya menjadi 10 A/jam (200:20= 10
A). Penggunaan yang lebih besar akan menyebabkan berkurangnya kapasitas Ah
secara drastis.
2.2.5. Parameter yang Berpengaruh Dalam Perancangan Blade 2.2.5.1. Swept Area
Swept area adala luasan daerah dimana blade (rotor) kincir angin berputar.
Daya keluaran dari kincir angin berpengaruh secara langsung terhadap luasan
swept area. Semakin besar diameter rotor, semakin besar pula daya yang
dihasilkan oleh kincir angin.
Swept area (A) = ………...…(1)
Dimana:
A = Luas Area Swept
d = Diameter Rotor
Gambar 2.10. Swept Area
Sumber: http://www.daviddarling.info, 2016.
2.2.5.2. Daya Angin
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan uadara yang lebih tinggi ke
tekanan uadara yang lebih rendah. Peristiwa tersebutlah yang menyebabkan
terjadinya hembuasan angin. Terdapat energi yang ditimbulkan akibat peristiwa
tersebut yang disebut energi kinetik. Energi kinetik inilah yang nantinya di ubah
menjadi energi listrik oleh kincir angin.
Energi kinetik dengan masa angin sebesar m yang bergerak pada
kecepatan sebesar v, nantinya akan diubah energinya oleh poros dapat dirumuskan
16
Dengan menganggap suatu luasan penampang melintang adalah Adengan
kecepatan angin adalah v mengalami perpindahan volume setiap satuan waktu,
maka akan muncul persamaan:
V = v.A...(3)
Dimana :
V= volume aliran udara (m³/s)
v = kecepatan angin (m/s)
Dari persamaan-persamaan diatas menunjukan bahwa energi kinetik dan
aliran udara yang melewati suatu penampang melintang dengan luasan A sebagai
energi P, maka persamaan energinya menjadi:
P = 0,5. ρ. A .v³...(5)
Dimana:
P = daya mekanik (W)
ρ = densitas udara (kg/m³)
v = kecepatan udara (m/s)
Karena setiap jenis kincir angin mempunyai karakteristik aerodinamika
yang unik, maka faktor daya sebagai fungsi dari TSR untuk setiap jenis kincir
angin juga berbeda-beda. Dengan memasukkan faktor daya Cp, maka daya
P = Cp. 0,5. Ρ. A. v³...(6)
Dimana:
Cp = koefisien daya (efisinsi kincir)
Nilai dari Cp tidak akan pernah melebihi 16/27 atau 0.59 dimana efisiensi
kincir tidak mungkin lebih dari 60% (Bets Limit). Dengan mengacu pada
penelitian sebelumya bahwa nilai cp untuk kincir angin adalah 25-35% (Pigott,
2003). Parameter yang mempengaruhi besar kecilnya nilai Cp adalah jumlah
sudu, panjang chord sudu dan karakteristik aerodinamis sudu tersebut.
2.2.5.3. TSR ( Tip Speed Ratio )
Tip Speed Ratio atau TSR untuk kincir angin adalah rasio antara kecepatan
tangensial ujung blade dan kecepatan aktual angin. TSR berkaitan dengan
efisiensi dan besar torsi yang dihasilkan oleh kincir angin. Semakin tinggi nilai
dari TSR maka torsi yang diterima oleh kincir akan semakin kecil. Untuk
menentukan nilai TSR dapat digunakan persamaan berikut:
TSR =
……….(7)
Dimana: D = Diameter rotor (m)
= putaran rotor (rpm)
18
Gambar 2.11 Hubungan nilai TSR terhadap Cp (coefficient power) kincir angin Sumber: http://www.ebah.com, 2016.
2.2.5.4. Rotor Solididy
Rotor solidity adalah perbandingan luas sudu dengan luas lintasan sudu
kincir. Nilai solidity berpengaruh terhadap jika solidity tinggi maka torsi yang
dihasilkan oleh kincir juga tinggi, hal ini berbanding lurus dengan daya yang
dihasilkan oleh kincir angin. Nilai solidity untuk kincir angin tipe horisontal 3
blade biasanya adalah 0,014 (Azad dan Kaysar, 2012)
Solidity =
...(9) Dimana:
N = jumlah blade
C = lebar blade (chord)
R = jari-jari rotor
2.2.6. Airfoil
Profil airfoil adalah elemen penting dalam konversi energi angin. Profil
airfoil memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika dibandingkan dengan lift
yang diberikan. Terdapat beberapa variabel yang dinyatakan dalam
ketebalan (thickness), dan kelengkungan (chamber). Bentuk airfoil untuk kincir
angin pada umumnya melengkung pada bagian atas dan lebih datar atau bahkan
cekung pada bagian bawah, ujung tumpul pada bagian depan dan lancip pada
bagian belakang. Bentuk airfoil yang demikian menyebabkan kecepatan udara
yang melalui sisi atas akan lebih tinggi dari sisi bawah sehingga tekanan udara di
bagian atas akan lebih kecil daripada kecepatan udara di bagian bawah.
Gambar 2.12. Airfoil
Sumber: http://code7700.com/lift.html.
Dari gambar terminologi airfoil diatas, dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Leading edge, adalah bagian depan dari airfoil yang lansung tekena
angin.
2. Trailing edge, adalah bagian airfoil yang terletak di ujung paling
belakang pada profil airfoil.
3. Mean chamber line, merupakan tengah yang membagi antara permukaan
atas dan permukaan bagian bawah dari airfoil.
4. Chord line, adalah suatu garis lurus yang menghubungkan leading
edge dan trailing edge.
5. Chord, merupakan perpanjangan dari chord line, dengan kata
lain, chord adalah karakteristik dimensi panjang dari suatu airfoil.
6. Maximum chamber, merupakan jarak antara mean chamber line dengan
chord line. Maximum chamber membantu mendefinisikan bentuk
20
7. Maximum thickness, merupakan ketebalan maksimum dari suatu airfoil,
dan menunjukkan persentase dari chord. Maximum thickness membantu
mendefinisikan bentuk dari airfoil dan juga performa
dari airfoil tersebut.
2.2.7. Sistem Transmisi
Sistem transmisi pada kincir angin digunakan untuk memindahkan daya
yang diakibatkan oleh putaran kincir angin. Sistem transmisi terdiri atas poros,
roda gigi, dan bantalan.
2.2.7.1. Poros
Poros merupakan salah satu komponen yang sangat penting pada suatu
mesin untuk untuk meneruskan daya dan putaran, hampir semua mesin
meneruskan tenaga dengan putaran poros (Sularso dan Suga, 1997).
Untuk perencanaan poros diperlukan daya rencana (Pd), dimana daya yang
ditransmisikan dikalikan dengan dengan faktor koreksi (fc) yang berguna sebagai
tindakan pengamanan.
Putaran (n) poros dapat dihitung dengan persamaan berikut:
... ..(11)
Dimana:
n = Putaran (rpm)
v = Kecepatan keliling (m/s)
Momen puntir rencana yang terjadi dapat dihitung menggunakan persamaan
berikut :
T = 9,74 x 10 ...(12)
Dimana :
fc = Faktor koreksi
Pd = Daya rencana (kW)
n = Putaran poros (rpm)
Tegangan geser yang diizinkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :
a =
...(13)
Dimana :
σB = Kekuatan tarik bahan Sf1.Sf2 = Faktor koreksi
Tegangan geser yang terjadi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :
=
...(14)
Dimana:
T = momen puntir (kg/mm)
ds = diameter poros (mm)
2.2.7.2. Roda Gigi
Fungsi roda gigi adalah mentransmisikan daya dan putaran dari putaran
tinggi ke putaran rendah ataupun dari putaran rendah ke putaran yang lebih tinggi,
sehingga daya yang dihasilkan dari sudu rotor dapat ditransmisikan ke beban yang
22
1. Menurut Letak Poros
Pembagian roda gigi menurut letak porosnya ada tiga macam yaitu:
a. Roda gigi poros sejajar
Disebut roda gigi poros sejajar karena giginya berjajar pada dua bidang
silinder, kedua bidang silinder tersebut bersinggungan dan yang satu
menggelinding pada yang lain dengan sumbu tetap sejajar. Berikut jenis roda gigi
yang termasuk dalam poros sejajar antara lain adalah :
a. Roda gigi lurus.
b. Roda gigi luar.
c. Roda gigi miring.
d. Roda gigi pinyon.
e. Roda miring ganda.
b. Roda gigi poros berpotongan
Roda gigi poros berpotongan adalah roda gigi di mana giginya berpotongan
pada dua bidang silinder dan kedua bidang tersebut bersinggungan. Beberapa jenis
roda gigi yang termasuk dalam jenis roda gigi poros berpotongan antara lain:
a. Roda gigi kerucut lurus.
b. Roda gigi kerucut miring.
c. Roda gigi kerucut spiral.
d. Roda gigi kerucut miring ganda.
e. Roda gigi kerucut ZEROL.
c. Roda gigi poros silang
Roda gigi poros silsng merupakan roda gigi yang kedua sumbunya saling
bersilangan namun tidak saling berpotongan dan pemindahan gaya pada
permukaan gigi berlangung secara meluncur dan menggelinding. Berikut jenis
roda gigi yang termasuk dalam poros silang antara lain:
1. Roda gigi cacing.
2. Roda gigi hiperboloid.
3. Roda gigi hipoid.
4. Roda gigi permukaan silang.
2. Roda Gigi Menurut Bentuk Alur Gigi
Roda gigi menurut benttuk alurnya terbagi atas tiga macam, berikut pembagian
roda gigi menurut bentuk alurnya :
a. Roda gigi lurus adalah roda gigi dengan bentuk alur giginya lurus dan
sejajar dengan poros.
b. Roda gigi miring merupakan roda gigi dengan bentuk alur giginya
memiliki kemiringan tertentu.
c. Roda gigi miring ganda dimana roda gigi dengan bentuk alur giginya
memiliki dua kemiringan tertentu yang sama besarnya.
3. Roda Gigi Menurut Arah Putarannya
Roda gigi menurut arah putarannya terbagi atas dua macam, yauitu:
a. Roda gigi yang mempunyai arah putaran berlawanan terhadap roda gigi
yang digerakkannya.
b. Roda gigi yang mempunyai arah putaran yang sama dengan roda gigi
yang digerakkannya.
Gambar 2.14 Macam-macam roda gigi
24
Dalam perancangan roda gigi, khususnya roda gigi lurus dapat digunakan
persamaan-persamaaan di bawah ini:
Diameter kepala (dk) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
dk = (z +2)m ...(17)
Dimana:
z = jumlah gigi
m = modul gigi
Diameter kaki roda gigi (df) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
n =
...(19) Dimana:
v = kecepatan (m/s)
d0 = diameter jarak bagi sebenarnya (mm)
Faktor koreksi terhadap kecepatan (fv) dapat dihitung menggunakan persamaan
berikut:
P = daya yang ditransmisikan (W)
v = kecepatan (v)
Beban lentur yang diizinkan (F’b) dapat dihitung menggunakan persamaan
berikut:
σ2 = tegangan yang diizinkan
Lebar roda gigi (b) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
b =
26
2.2.8. Pengelasan
Menurut DIN (Deutch Industrie Normen) las adalah menyambung dua
buah logam dengan proses metalurgi pada logam yang dilaksanakan dalam
keadaan cair. Dari definisi tersebut dapat disimpulkan bahwa las adalah
sambuangan dua atau beberapa batang logam dengan menggunakan panas.
2.2.8.1. Pengelasan SMAW
Pengelasan SMAW (Shield Metal Arc Welding) atau biasa disebut Las
Busur adalah proses pengelasan yang menggunakan panas untuk mencairkan
logam dasar (logam induk) dan elektroda. Proses ini terjadi akibat dari loncatan
ion listrik yang terjadi antara ujung elektroda dan permukaan plat yang akan dilas
(anoda dan katoda). Panas yang ditumbulkan dari lompatan ion inii dapat
mencapai 4000 sampai 4500 derajat celcius. Terdapat dua sumbervtegangan yang
dapat digunakn yaitu AC (arus bolak balik) dan listrik DC (arus searah). Proses
terjadinya pengelasan karena adanya kontak antara ujung elektroda dan material
dasar sehingga terjadi hubungan pendek arus listrik sehingga menimbulkan panas.
Panas inilah yang akan mencairkan elektroda dan material dasar sehingga cairan
elektroda dan cairan material dasar akan menyatu membentuk logam lasan.
Berikut merupakan komponen utama las SMAW:
a. Mesin Las
Mesin las (transformator) berdasarkan tegangan terdbagi atas dua macam
yaitu mesin las AC dan mesin las DC. Mesin las ac biasanya berupa trafo las,
sedangkan mesin las DC biasanya dilengkapi denga dioda atau rectifier (perubah
arus bolak balik menjadi arus searah ). Mesin las Dc biasanya dilengkapi dengan
motor penggerak baik engine ataupun motor listrik.
b. Kabel
Kabel ini terbagi menjadi dua yaitu kabel masa dan kabel elektroda yang
berfungsi utuk menyalurkan aliran listrik dari mesin las ke material las dan
kembali lagi ke mesin las. Ukuran kabel harus cukuplah besar untuk mengalirkan
dan merusak isolasi kabel yang akhirnya membahayakan pada saat proses
pengelasan.
c. Penjepit elektroda (holder) dan klem masa
Penjepit lektrode berguna untuk mengalirkan arus listrik dari kabel
elektrode ke elektrode serta sebagai pegangan elektrode sehingga pengelas tidak
merasa panas pada saat mengelas. Klem masa berfungsi menghubungkan kabel
masa mesin las dengan benda kerja. Klem ini sangat penting karena apabila klem
longgar arus yang dihasilkan tidak stabil sehingga pengelasan tidak dapat berjalan
dengan baik.
d. Elektroda
Elektroda berfungsi sebagai logam pengisi pada saat proses pengelasan
SMAW. Sebagian besar elektrode las SMAW dilapisi oleh lapisan flux, yang
berfungsi sebagai pembentuk gas yang melindungi cairan logam dari kontaminasi
udara sekelilingnya. Selain itu fluk berguna juga untuk membentuk terak las yang
juga berfungsi melindungi cairan las dari udara sekelilingnya. Lapisan elektroda
ini merupakan campuran kimia yang komposisisnya sesuai dengan kebutuhan
pengelasan.
28
2.2.9. Mur dan Baut
Mur dan baut merupakan alat pengikat yang sangat penting untuk
mencegah kecelakaan atau kerusakan pada komponen. Mur dan baut berfungsi
untuk menyatukan atau menghubungkan beberapa komponen yang tidak perlu
dilakukan proses pengelasan. Mur dan baut terbagi atas beberapa macam sesuai
dengan fungsinya.
2.2.9.1. Jenis Baut
Dalam penggunaanya baut terbagi atas beberapa jenis berikut merupakan
pembagian jenis baut berdasarkan penggunaanya:
1. Baut tembus, digunakan untuk menjepit dua bagian melaui bidang tembus,
dimana jepitan diketatkan dengan sebuah mur
2. Baut tanam, berguna untuk menjepitdua bagian , baut ditanam pada salah satu
bagian yang mempunyai lubang berulir.
3. Baut tap, untuk menjepit dua bagian dimana jepitan diketatkan dengan ulir
yang diletakan dalam salah satu bagian.
2.2.9.2. Jenis Mur
Pada umumnya mur memiliki bentuk segi enam. Tetapi untuk pemakaian
khusus dapat dipakai mur dengan bentuk bermacam-macam seperti ditunjukan
pada gambar 2.15 berikut.
Gambar: 2.17 Jenis Mur
Sumber: http://www.karyaagung.net, 2016.
Untuk menentukan jenis dan ukuran mur harus memperhatikan berbagai faktor
30 BAB III
METODE PERANCANGAN DAN PEMBUATAN
Dalam bab ini akan dibahas mengenai tempat serta waktu dilakukannya
penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, apa saja yang menjadi
variable dalam penelitian, diagram alir penelitian, serta prosedur-prosedur
penelitian.
3.1. Tempat dan Waktu Pembuatan
3.1.1. Tempat Perancangan dan Pembuatan
Tempat peembuatan dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl.Lingkar Barat, Tamantirto,
Kasihan, Bantul 55183.
3.1.2. Waktu Pembuatan
Waktu pembuatan dilakukan pada rentang waktu antara bulan Februari hingga
Maret 2016.
3.2. Alat dan Bahan Pembuatan 3.3.1. Alat Pembuatan
Adapun peralatan yang digunakan dalam proses pembuatan adalah:
a. Gergaji kayu
b. Gergaji besi
c. Mistar
d. Pensil
e. Amplas kayu dengan ukuran nomor 400 dan 500
3.2.2. Bahan Pembuatan
Bahan-bahan yang dipergunakan dalam pembuatan blade kincr angin ini
adalah sebagai berikut :
a. Kayu pinus berbentuk balok dengan ukuran 1250 mm x 150 mm x 30 mm
b. Elektroda
c. Besi pejal ukuran 12 mm
d. Pernis kayu
3.3. Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan
Penelitian ini dilakukan beberapa tahapan, mulai dari persiapan, proses
perancangan dan pembuatan, serta proses pengujian yang bertujuan untuk
mengetahui apakah kincir dapat bekerja atau tidak. Tahapan penelitian yang
dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.1.
Menentukan jenis kincir dan kecepatan angin rata-rata di wilayah pesisir Pantai Selatan Jawa
Menentukan jenis blade
Desain blade
A B
32
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan Kincir dapat
beroperasi sesuai yang diharapakan?
Tidak
Kesimpulan Ya Proses manufaktur blade
A B
Proses asembly kincir
33 BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan
4.1.1. Dasar Pemilihan Jenis Kincir Angin
Kincir angin merupakan salah satu jenis energi terbarukan yang ramah
lingkungan yang dapat dipakai untuk memasok kebutuhan energi listrik
masyarakat. Pada umumnya, perancangan dan pembuatan kincir angin tipe
HAWT lebih banyak dibanding kincir tipe VAWT. Kincir angin HAWT
dipilih karena, berdasarkan studi yang ada, karakteristik angin di wilayah pantai
selatan Jawa adalah laminar. Angin laminar ditunjukan dengan bentuk pepohonan
yang condong pada satu arah. Kincir angin HAWT sangat cocok diaplikasikan
pada daerah yang karakteristik anginya adalah laminar bukan turbulen.
4.1.2. Potensi Kecepatan Angin
Untuk mempermudah dalam proses perancangan maka dipilih daerah pantai
di sekitar Yogyakarta. Menurut studi yang dilakakukan, kecepatan angin di daerah
pantai Pandansimo Daerah Istimewa Yogyakarta adalah sebesar 3–6 m/s (BPPT,
2015). Untuk mempermudah dalam perhitunangan maka, diasumsikan kecepatan
angin sebesar = 4,5 m/s, karena diambil rata-rata.
4.1.3. Penentuan Daya Angin
Dalam perancangan diharapkan nantinya kincir dapat menghasilkan daya
output kincir sekitar 200 Watt pada kecepatan angin 4,5 m/s. Daya tersebut masih
tergolong kecil, tapi cukup digunakan untuk skala rumah tangga yang tidak terlalu
membutuhkan daya listrik yang besar.
Dengan memperhitungkan nilai efisiensi generator yang yang dipakai tidak dapat
mencapai 100%, maka diasumsikan nilai efisiensi sebesar 75% maka:
= x 125%
34
Berdasarkan teori Betz, tidak semua daya mekanik kincir angin dapat
terkonversi menjadi energi listrik, dengan mempertimbangkan efisiensi kincir
(Cp) yang tidak mungkin melebihi 60% (Betz Lmits). Daya mekanik yang dapat
terkonversi menjadi energi listrk adalah:
Asumsi : = 55%
P = x 145%
= 250 x 145%
= 362,5 Watt
Temperatur di daerah pantai Pandansimo Bantul Daerah Istimewa
Yogyakarta, secara geografis temperature = 30 – 37
Asumsi = 35
Dari tabel propertis udara pada tekanan 1 atm (terlampir) diperoleh: = 1,145 kg/
Berdasarkan perhitungan daya mekanik didapat nilai luasan area rotor (sweap
area) sebesar 6,9 m2 7 m2, maka diameter rotor dapat dihitung dengan:
Dari perhitungan di atas diameter rotor yang digunakan adala 3 m. setelah
mengetahui diameter rotor yang digunakan selanjutnya dapat diketahui lebar sudu
airfoil yang digunakan. Untuk diameter rotor 3 m dapat digunakan lebar aifoil
sebesar 145 mm (Piggot, 2009 : 15).
4.1.5. Tip-Speed Ratio
TSR pada kincir angin merupakan rasio antara kecepatan tangensial ujung
blade dan kecepatan aktual angin. Karena ada parameter yang belum diketahui
yaitu nilai putaran kincir ( ), maka untuk menentukan nilai TSR dapat ditentukan
terlebih dahulu tanpa proses perhitungan (optional). Nilai TSR untuk kincir angin
dapat dipilih antara 6-8. Untuk perancangan kincir angin dapat dipilih nilai TSR =
7 karena memiliki nilai Cp tertinggi (Piggott, 2003).
TSR =
Dari perhitungan di atas dapat diketahui kincir angin dengan diameter rotor = 3 m,
untuk menghasilkan nilai Cp tertinggi maka harus berputar sebesar 200 rpm pada
kecepatan angin 4,5 m/s.
4.1.6. Rotor Solidity
Rotor solidity adalah perbandingan luas sudu dengan luas lintasan sudu.
Nilai dari rotor solidity berpengaruh terhadap nilai torsi yang diterima oleh kincir.
Jika solidity tinggi maka torsi yang dihasilkan juga tinggi, hal ini berbanding
lurus dengan daya yang dihasilkan oleh kincir angin. Berikut merupakan
36
Jumlah blade (N) = 3
Lebar airfoil (C) = 0,15 m
Jari-jari rotor (R) = 1,5 m
Solidity =
= = 0,048
4.2. Perancangan Blade (Sudu) Kincir Angin 4.2.1. Proses Desain
Perancangan kincir angin pada tahap awal dimulai dengan menentukan jenis
blade yang akan dipakai. Jenis blade yang dipilih adalah tipe Clark-Y dengan
permukaan bawah datar (flat botom). Proses selanjutnya adalah melakukan
perhitungan dimensi blade kincir angin yang akan dipakai. Mempertimbangkan
karakteristik blade yang digunakan, dimana ketebalan airfoil hanya 11.7% dari
lebar airfoil maka desain blade yang dipilih menggunakan stik menempel pada
airfoil. Stik digunakan untuk memperkuat blade dan menghubungkan dengan hub
kincir serta digunakan untuk mengatur sudut pitch blade. Setelah mendapat
gambar desain yang diinginkan maka desain digambar menggunakan software
Autodesk Inventor. Melalui perangkat lunak inilah detail dan dimensi ditentukan
Desain CAD dari airfoil yang dirancang ditunjukkan oleh Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Bentuk Airfoil
Gambar 4.3 gambar 3D kincir angin
4.2.2. Proses Analisa Desain
Bentuk blade yang sudah dibuat pada proses desain selanjutnya dilakukan
proses analisa dengan cara melakukan simulasi menggunakan CFD. Proses
simulasi dilakukan dengan tujuan mengetahui karakteristik dari blade kincir angin
terhadap aliran fluida yang melaluinya, seperti ditunjukan pada gambar 4.4
38
Gambar 4.4 Analisa aliran fluida pada blade
Gambar 4.5 Turbulensi pada blade
Pada gambar di atas menunjukan bahwa pada kecepatan angin operasi yaitu
4,5 m/s belum terlihat adanya turbulensi pada bagian ujung blade kincir.
Turbulensi pada blade dapat menghambat kerja kincir angin, karena ketika terjadi
turbulensi maka nilai gaya dorong (drag force) pada kincir akan meningkat.
Gambar di atas menunjukan fenomena aliran fluida yang melewati blade, warna
biru menunjukan kecepatan angin rendah dan warna kuning kemerahan
menunjukan kecepatan angin tinggi. Pada bagian bawah airfoil menujukan warna
biru dan hijau, hal ini menunjukan bahwa kecepatan fluida di bagian bawah airfoil
lebih rendah dari bagian atas airfoil. Karena kecepatan angin rendah maka Angin
tekananan pada bawah airfoil akan naik sehingga timbul gaya angkat (lift force).
Gaya angkat inilah yang dimanfaatkan oleh airfoil untuk memutar kincir angin
yang nantinya diubah oleh generator menjadi energi listrik.
Fenomena turbulensi baru terlihat pada bagian blade yang terhubung oleh
stik, hal ini terjadi karena bentuk stik yang silinder dan menempel pada bagian
bawah blade. Pada saat simulasi fenomena turbulensi ditunjukan oleh adanya
warna biru pada bagian belakang stik seperti pada gambar 4.5.
Gambar 4.6 Distribusi tekanan pada bladeairfoil
40
Gambar di atas menunjukan distribusi tekanan yang diterima airfoil kincir
angin. Dari gambar di atas dapat dilihat perbedaan warna pada bagian atas dan
bawah airfoil. Warna biru menunjukan tekanan yang yang rendah sedangkan
warna kuning menujukan tekanan yang lebih tinggi. Distribusi tekanan diatas
menunjukan tekanan bagian bawah airfoil lebih tinggi dibandingkan bagian atas,
sehingga timbul gaya angkat (lift force).
Gambar 4.8 Distribusi aliran fluida pada blade
Gambar 4.9 Distribusi aliran fluida pada blade yang dipasangi stik Angin
Gambar di atas adalah distribusi aliran fluida pada kecepatan angin 4,5 m/s
dengan arah angin dari depan kincir. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa
untuk blade yang tidak terpasang stik belum terlihat adanya indikasi tirbulensi,
sehingga masih aman untuk digunakan. Efek turbulensi baru terlihat pada blade
yang dipasangi stik atau pada bagian pangkal blade. Fenomena turbulensi
ditunjukan dengan warna biru tua pada bagian bawah blade yang dipasangi stik.
Gambar 4.10 Distribusi aliran tekanan pada blade
Gambar 4.11 Distribusi aliran tekanan pada blade yang dipasangi stik
Dari gambar di atas dapat dilihat perbedaan warna pada bagian atas dan
42
warna kuning kemerahan menujukan tekanan yang lebih tinggi. Berdasarkan
gambar di atas tekanan pada bagian atas blade lebih tinggi dari pada bagian bawah
blade. Tekanan yang lebih tinggi pada bagian atas blade membuat kincir berputar,
putaran kincir kemungkinan akan searah jarum jam akibat tekanan yang
ditimbulkan oleh angin.
4.3. Perancangan Poros dan Gearbox 4.3.1. Perancangan Gearbox
Dengan mengacu pada kapasitas generator, daya yang ditransmisikan oleh
kincir adalah 500 W. Dalam proses perancangan diperlukan daya rencana (Pd)
dimana daya yang ditransmisikan dikalikan dengan faktor koreksi (fc) yang
digunakan sebagai tindakan pengamanan.
Pd = fc . P
Dimana, untuk perancangan fc diambil 1,2 untuk daya maksimum sehingga:
Pd = 1,2 x 500 W
= 600 W
Roda gigi yang digunakan adalah roda gigi involut lurus standar, roda gigi ini
dipilih karena daya yang ditransmisikan tidak terlalu besar sehingga tidak
membutuhkan putaran yang terlalu tinggi. Berikut beberapa data yang dibutuhkan
dalam perancangan roda gigi lurus:
Perbandingan roda gigi (i) = 3
Putaran generator maksimum (ns2 ) = 1000 rpm (ns1 333 rpm)
Jarak antara poros utama dan poros output = 100 mm Dari diagram untuk daya rencana (Pd) 600 W (0,6 KW) maka modul
jumlah gigi (z)
z1 =
=
= 40
z2 = i. z1 = 40. 3 = 120 mm Diameter kepala
dkdk1 = (z1+2)m dk2 = (z2+2)m
= (40+2)1,25 = (120+2)1,25
= 52,5 mm = 152,5 mm
Diameter kaki (df)
df = (z-2,5)m
maka:
df1 = (40-2,5)1,25
df2 = (120-2)1,25
df2 = 46,875 mm df2 =146,875 mm
Kecepatan keliling (v)
v =
=
= 2,615 m/s
Faktor koreksi terhadap kecepatan (fv)
fv =
=
44
Faktor bentuk gigi (Y)
Faktor bentuk (Y) adalah nilai dari faktor bentuk roda gigi berdasarkan
jumlah giginya (z). Berdasarkan tabel (terlampir), berikut nilai faktor bentuk
untuk masing-masing roda gigi. Karena nilai faktor bentuk (Y) untuk z1 terletak
antara Y38 dan Y43 dan z2 terletak pada Y100 dan Y150. Maka nilai faktor bentuk
untuk roda gigi sat dan dua menjadi:
Y1 = Y40 = Y38 + ( Y43– Y38)
(510,12 Mpa) dengan nilai kekerasan
Brinell (HB) = 149-207 dan nilai tegangan lentur ijin (σa) = 26 kg/mm² (255,06
Mpa) seperti pada tabel (terlampir). Beban lentur yang diizinkan (F’b)
Berdasarkan tabel juga didapat nilai faktor tegangan kontak pada bahan roda
diijinkan (F’H). Nilai faktor tegangan kontak bahan diambil berdasarkan nilai
Pengecekan keamanan roda gigi
Dalam pengecekan ini berfungsi untuk melihat apakah perbandingan roda gigi
yang digunakan sudah ideal atau belum. Syarat roda gigi ideal adalah:
46
Dari hasil perhitungan diatas maka tidak direkomendasikan untuk
menggunakan lebar roda gigi sebesar 14,71 karena hasilnya tidak ideal. Lebar
roda gigi disarankan untuk dibuat maksimum 12,5 mm sehingga ideal untuk
digunakan.
4.3.2. Perancangan Poros
Untuk perancangan poros digunakan material baja S30C dengan diameter 25
mm,dari data tabel didapat nilai kuat tarik bahan �B = 48 kg/mm2 (470,88 Mpa)
maka tegangan geser yang diijinkan adalah:
a =
- Sf2= Faktor keamanan yang tergantung pada bentuk poros yang harganya
berkisar antara 1,3-3,0.
Nilai torsi yang terjadi pada poros
T = 9,549x106
Nilai tegangan geser yang terjadi pada poros
=5,1
= 5,1
=
6,62 MpaDari hasil perhitungan didapat nilai tegangan geser yang terjadi pada poros
kincir adalah 6,62 Mpa lebih kecil dari nilai tergangan geser yang diijinkan yaitu
39,24 Mpa. Poros yang digunakan bisa dikatakan aman karena nilai tegangan
geser yang terjadi lebih kecil dari tegangan geser yang diijinkan.
4.4.Proses Pembuatan Blade 4.4.1. Pembuatan Pola
Bentuk desain yang telah ditentukan pada tahap perancangan kemudian di
gambar sketsa pola pada balok kayu pinus yang akan digunakan untuk membuat
blade dengan menggunakan penggaris dan pensil. Pada tahapan ini dilakukan
secara manual.
Gambar 4.12 Balok kayu pinus
48
Gambar 4.13 Pola pada kayu pinus
4.4.2. Proses penyerutan
Setelah pola digambar pada kayu, kemudian dilakukan proses penyerutan,
proses ini dilakukan secara manual dengan menggunakan gerinda yang mata
gerindanya diubah dengan depasangi amplas khusus kayu. Pada proses digunakan
amplas kasar dengan nomor 400. Karena semua proses dilakukan secara manual,
maka pada proses ini dilakukan secara hati-hati karena jika terjadi kesalahan maka
hasil profil airfoil pada kayu akan tidak sesui yang diharapkan.
