26
Pada bab ini, akan di jelaskan secara berurutan mengenai tahapan-tahapan dalam perancangan Archimedes Windmill. Untuk lebih jelasnya, tahapan-tahapan disajikan dalam bagan alir perancangan pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Bagan alir tahapan perancangan
Mulai
Perancangan Sudu Archimedes Windmill
Perancangan Tiang Dudukan Archimedes
Windmill Perancangan Brake
System Perancangan Rangka Archimedes Windmill
Komponen turbin telah memenuhi syarat perancangan
Rakitan
Iya tidak
Selesai Pengumpulan Data
3.1. Pengumpulan Data
Perancangan Archimedes Windmill ini dikhususkan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik pada kapal jenis pukat dengan kapasitas dibawah 30 GT yang beroperasi di wilayah Laut Jawa. Kebutuhan energi listrik ini untuk operasional lampu sorot kapal. Lampu sorot digunakan sebagai metode utama dalam penangkapan ikan atau biasa disebut light fishing. Data-data pendukung untuk proses perancangan ini antara lain:
1. Potensi Angin
Perancangan Archimedes Windmill ini tidak lepas dengan potesi energi angin yang ada. Pengambilan data-data terkait dengan potensi angin di Laut Jawa dikutip langsung dari maritim.bmkg.go.id bahwa kecepatan angin di perairan Laut Jawa berada pada 7 – 15 knot atau sekitar 12,6 – 28 km/jam atau jika diubah ke dalam detik, kecepatan angin di Laut Jawa 3,5 – 7,7 m/s. Potensi angin ini cocok dijadikan sebagai penggerak turbin, karena syarat kecepatan angin yang layak untuk dijadikan pembangkit listrik yaitu angin pada kelas 3 – 8, seperti yang ditampilkan pada tabel 3.1.
Tabel 3.1 Tabel kondisi angin
(Sumber: Donz. 2017. Pembangunan Wind Energi. www.alpensteel.com. 15 November 2017)
2. Kebutuhan Daya
Daya per unit lampu sorot yang digunakan yaitu antara 250 – 400 Watt, sedangkan jumlah rata-rata per kapal memiliki 10 unit lampu sorot kapal.
Sehingga didapatkan data-data sebagai berikut:
Daya per unit : 400 Watt Jumlah unit : 10 unit
Maka, didapatkan kebutuhan energi pada tiap 1 kapal nelayan yaitu sebesar 4 kW.
3.2. Perancangan Sudu Archimedes Windnill
Sudu merupakan komponen turbin angin yang sangat signifikan. Sudu berkontak langsung dengan udara yang mengakibatkan sudu berputar akibat adanya gaya drag dan lift. Pangkal sudu menempel langsung dengan poros sehingga dengan adanya gaya drag dan lift poros mampu memutar generator yang nantinya menghasilkan tenaga listrik. Oleh karena putaran pada sudu merupakan hal yang paling menentukan dalam pembangkitan daya, maka konstruksi sudu dibuat agar mampu memanfaatkan drag dan lift secara maksimal. Desain pola sudu, dapat dilihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Desain pola sudu
Penentuan jumlah sudu pada shaft dapat diketahui dengan melihat rasio kecepatan ujungnya (TSR). Apabila shaft didesain dengan putaran N1 (rpm), maka kecepatan sudut shaft ( ) dapat diperoleh dengan persamaan 3.1.
... (3.1)
Sumber: Arismunandar W, 2004.
Keterangan:
= Kecepatan sudut (rad/s) n = rotasi per menit (rpm)
Sedangkan perbandingan antara kecepatan ujung sudu shaft terhadap kecepatan angin disebut sebagai rasio kecepatan ujung (TSR : Tip Speed Ratio). Seperti pada persamaan 3.2.
... (3.2)
Sumber: Arismunandar W, 2004.
Keterangan:
: TSR
Vt : kecepatan angin (m/s) : kecepatan sudut shaft (rad/s) R : jari-jari sudu (m)
Rasio kecepatan ujung sudu ( ) untuk turbin angin adalah rasio antara kecepatan putar ujung sudu dan kecepatan aktual angin. Jika ditunjukkan berdasarkan pengalaman empiric beberapa peneliti, TSR yang optimum untuk daya keluaran maksimum berhubungan dengan persamaan 3.3.
... (3.3)
Sumber: Arismunandar W, 2004.
Dimana B adalah jumlah bilah sudu, dengan demikian maka jumlah sudu pada shaft dapat ditetapkan berdasarkan harga satuan TSR sebagaimana tabel 3.2.
Tabel 3.2 Tabel hubungan jumlah sudu dengan TSR
1 2 3 4 5-8 8-15
B 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2
Sumber: Sudarman, Teori dan Perancangan Turbin Angin, 2010.
Tahapan selanjutnya setelah selesai mendapatkan bentuk pola sudu, dengan asumsi jumlah sudu 3 buah, aplikasikan 3 buah sudu pada shaft. Pemasangan antara sudu dan shaft diberikan sudut sebesar 120o tiap masing-masing sudu.
Hingga menghasilkan bentuk seperti pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Bentuk sudu Archimedes Windmill
Bentuk sudu seperti ini mengakibatkan pemanfaatan energi angin secara maksimal. Efisiensi tenaga angin terjaga karena aliran angin yang masuk tidak hanya melewati sudu, namun dimanfaatkan mengalir sepanjang bilah-bilah sudu yang berbentuk spiral. Sehingga menghasilkan gaya drag dan lift yang tinggi.
Selanjutnya, setelah pemasangan sudu dengan shaft selesai, tahap selanjutnya adalah merancang baut sebagai penahan bentuk sudu agar tidak terjadi deformasi. Baut ini diaplikasikan pada lubang-lubang yang ada pada sudu yang telah terpasang dengan shaft. Agar lebih jelasnya dapat dilihat gambar 3.4.
Gambar 3.4 Baut penahan sudu
Setelah pemasangan baut penahan sudu, yang diaplikasikan dengan mur pada setiap sisi sudu yang dilalui baut, maka proses perancangan sudu Archimedes Windmill telah selesai. Hasil dari perancangan sudu Archimedes Windmill dapat dilihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Bentuk akhir desain sudu Archimedes Windmill
3.3. Perancangan Rangka Archimedes Windmill
Rangka Archimedes Windmill berfungsi sebagai penahan beban sudu dan gaya-gaya yang ditimbulkan oleh sudu. Bagian rangka Archimedes Windmill terdapat beberapa komponen, antara lain: pelat rangka utama dan penampang- penampang yang nantinya akan digabungkan menjadi satu kesatuan.
1. Perancangan Pelat Rangka Utama Archimedes Windmill
Rangka utama Archimedes Windmill yang dibutuhkan berjumlah 2 buah dan ditempatkan pada posisi di bawah sudu. Rangka utama Archimedes Windmill berupa pelat baja dengan ketebalan tertentu yang dipotong sesuai pola yang telah dibuat. Desain pelat rangka ini dinilai lebih terjaga keseimbangannya dan lebih estetik. Untuk desain pelat rangka utama Archimedes Windmill lebih detailnya dapat dilihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Dimensi Rangka Archimedes Windmill
2. Perancangan Penampang Rangka Pada Shaft
Tahap selanjutnya setelah pengerjaan rangka utama Archimedes Windmill selesai yaitu merancang penampang-penampang pada rangka Archimedes Windmill. Penampang-penampang ini selain sebagai pengait untuk pelat rangka utama agar membentuk rangka Archimedes Windmill secara keutuhan, juga sebagai pengait untuk break system, generator dan shaft dudukan. Dimulai dengan tahap perancangan penampang rangka pada shaft. Penampang inilah yang nantinya diberikan bearing sebagai tempat perputaran sudu. Untuk desain rancangan penampang untuk rotor, dapat dilihat pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Penampang rangka pada shaft
Selanjutnya, agar bearing yang terpasang tidak bergesar, maka dirancang pengunci pada bearing. Untuk desain pengunci bearing dapat dilihat pada gambar 3.8.
Gambar 3.8 Pengunci bearing
3. Perancangan Penampang Rangka Pada Untuk Dudukan
Tahap selanjutnya setelah pengerjaan penampang rangka pada shaft selesai, yaitu merancang penampang rangka untuk dudukan. Komponen ini membutuhkan sebanyak 2 buah, dipasang pada bagian tengah dan bawah rangka Archimedes Windmill. Komponen ini selain berfungsi sebagai pengait rangka utama, berfungsi juga sebagai tempat untuk bearing yang bekerja pada shaft dudukan, agar Archimedes Windmill dapat berputar sesuai dengan arah hembusan angin. Untuk desain rancangan penampang pada bagian dudukan, dapat dilihat pada gambar 3.9.
Gambar 3.9 Penampang rangka pada bagian dudukan
Sama seperti penampang rangka pada shaft, penampang rangka untuk dudukan ini dirancang memiliki 2 buah bearing pada setiap unitnya, sehingga membutuhkan pengunci agar bearing tidak bergeser. Untuk desain pengunci penampang rangka pada dudukan, dapat dilihat pada gambar 3.10.
Gambar 3.10 Penutup penampang dudukan
Bagian penampang rangka untuk dudukan, berhubungan langsung dengan tiang dudukan yang berfungsi sebagai pondasi sekaligus sumbu perputaran rangka Archimedes Windmill. Untuk mencegah tiang mengalami percepatan korosi, maka dibutuhkan penutup pada tiangyang berhubungan langsung dengan bearing sekaligus berfungsi sebagai pengunci bearing antara dua buah penampang rangka untuk dudukan. Agar lebih jelasnya, lihat desain penutup pada shaft dudukan pada gambar 3.11 serta gambar rangkaian antara part-part tersebut pada gambar 3.13.
Gambar 3.11 Penutup tiang dudukan
Gambar 3.12 Assembly komponen rangka pada bagian dudukan
4. Perancangan Penampang Rangka Bagian Bawah
Perancangan penampang rangka bagian bawah ini merupakan komponen akhir dari serangkaian komponen-komponen yang terdapat pada rangka Archimedes Windmill. Desainnya hampir sama dengan penampang rangka untuk dudukan, namun yang membedakannya yaitu penampang pada bagian bawah Archimedes Windmill tidak disertai tempat untuk bearing layaknya yang dimiliki penampang pada dudukan. Untuk lebih jelasnya, lihat pada gambar 3.13.
Gambar 3.13 Penampang rangka bagian bawah
Sehingga hasil pemasangan secara keseluruhan komponen rangka Archimedes Windmill, mulai dari pelat rangka utama, penampang-penampang, tiang dudukan hingga baut-baut yang terpasang, dapat dilihat pada gambar 3.14.
Gambar 3.14 Rakitan komponen-komponen rangka Archimedes Windmill
Penampang rangka untuk
dudukan
Pelat rangka utama Penampang
rangka untuk shaft
Penampang rangka pada bagian bawah
Bagian tiang dudukan
3.4. Perancangan Brake System
Brake system ditempatkan pada bagian belakang Archimedes Windmill.Brake system yang dirancang yaitu menggunakan cakram, dengan cara menghentikan putaran cakram dengan memanfaatkan gaya tekan dari kaliper.
Brake system ini terdiri dari 2 komponen, yaitu: cakram dengan kaliper. Dengan menggunakan brake system ini, mempermudah operator untuk menghentikan putaran sudu pada saat melakukan tindakan perbaikan maupun perawatan. Agar lebih jelas mengenai brake system lihat pada gambar 3.15.
Gambar 3.15 Brake system
3.5. Perancangan Tiang Dudukan Archimedes Windmill
Tiangdudukan berfungsi sebagai tumpuan pada Archimedes Windmill. Tiang dudukan ini mengalami kontak langsung dengan bearing-bearing yang terdapat pada penampang rangka untuk dudukan. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat rancangan shaft dudukan pada gambar 3.16.
cakram
kaliper
Gambar 3.16 Shaft dudukan
3.6. Rakitan
Setelah dinilai semua part-part telah memenuhi syarat dari perancangan, langkah selanjutnya adalah perakitan semua part-part yang telah dirancang.
Dimulai dari perakitan sudu, rangka dengan penampang-penampangnya, break system dan yang terakhir yaitu shaft dudukan. Desain Archimedes Windmill yang telah selesai dilakukan perakitan dapat dilihat pada gambar 3.17.
Gambar 3.17 Archimedes Windmill
