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
ii
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
vii
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.
viii
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
ix
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
x
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
xi
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
xii
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
xiii
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
xiv
Tabel 4.1
Data pengujian kekakuan pegas………... 34
Tabel 4.2
Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas A…….... 34
Tabel 4.3
Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas B……… 35
Tabel 4.4
Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas C……… 35
Tabel 4.5
Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas A……. 36
Tabel 4.6
Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas B……. 37
Tabel 4.7
Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas C……. 38
Tabel 4.8
Hasil perhitungan P
in, P
out, C
pdan TSR dengan menggunakan
pegas A………... 45
Tabel 4.9
Hasil perhitungan P
in, P
out, C
pdan TSR dengan menggunakan
pegas B………... 46
Tabel 4.10
Hasil perhitungan P
in, P
out, C
pdan TSR dengan menggunakan
xv
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……….. 9
Gambar 2.3
Kincir angin model American poros mendatar………... 10
Gambar 2.4
Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin………. 11
Gambar 2.5
Gaya sentrifugal……….. 16
Gambar 3.1
Skema alat kopling sentrifugal pada kincir angin…….……….. 18
Gambar 3.2
Sketsa kopling hasil perancangan………... 20
Gambar 3.3
Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang
digunakan……… 20
Gambar 3.4
Massa bandul 20 gram……….…… 21
Gambar 3.5
Pegas………... 22
Gambar 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
………. 29
Gambar 3.9
Multimeter……….. 29
Gambar 3.10
Beban lampu……… 29
Gambar 3.11
Anemometer………..…… 30
xvi
Gambar 4.3
Grafik hubungan C
pdan TSR menggunakan pegas C………. 49
1 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 )
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.
3
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.
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
5
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.
• Mendapatkan grafik CP dan TSR untuk mengetahui unjuk kerja kincir
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
• 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.
7
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 0
⁰
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
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
9
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
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
11
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)
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
3)
= luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir (m
2)
Apabila massa jenis udara adalah
ρ
= 1,2256 kg/m
3, 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
13
= . (
)
……….. (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. n60
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)
2.6.
Koefisien Daya (Efisiensi)
Koefisien daya (Coefficient of Power), digunakan untuk menggantikan
istilah efisiensi atau unjuk kerja. Koefisien daya (CP) adalah bilangan tak
berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang tersedia dengan
daya yang dihasilkan oleh sistem kincir angin. Besarnya CP dapat dihitung dengan
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 CP yang berbeda dan selalu
berubah-ubah sesuai dengan TSR-nya. Harga CP dan TSR secara teoritis disajikan dalam
bentuk grafik yang dapat dilihat pada gambar 2.4. Harga C
Pmaksimum untuk
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
15
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
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: http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_clutch)
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.
Gambar 2.5
Gaya sentrifugal
Besarnya gaya tersebut, dapat dihitung dengan Hukum II Newton untuk
komponen radial :
=
∙
=
percepatan (m/s
2)
=
17
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)
18
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.
2 1
3
4
5
19
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.
Keterangan:
1.
Komponen penggerak kopling
2.
Komponen tergerak kopling (rumah kopling)
3.
Sepatu kopling
5.
Pegas
Gambar 3.2
Sketsa kopling hasil perancangan
Gambar 3.3
Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang digunakan
3.3. Massa Bandul
Ukuran rumah kopling yang tidak begitu besar dan terbatasnya ruang di
bagian dalam kopling, maka massa bandul yang digunakan pada penelitian adalah
bandul yang memiliki massa 20 gram. Pada setiap sepatu kopling terpasang dua
bandul, maka massa total bandul untuk setiap sepatu kopling 40 gram. Bentuk dari
bandul dengan massa 20 gram dapat dilihat pada Gambar 3.4.
1
2
3
4
21
Gambar 3.4
Massa bandul 20 gram
Bandul yang digunakan terbuat dari bahan poros pejal baja lunak yang
dibubut. Penggunaan bahan dari baja lunak mempertimbangkan massa jenis
terbesar dan proses produksi pembentukan bahan tersebut lebih mudah
dibandingkan dengan besi tuang.
3.4. Pegas
Penelitian kopling sentrifugal ini mengaplikasikan variasi kekakuan pegas
pada sepatu kopling. Pegas yang digunakan terdiri dari tiga buah. Masing-masing
pegas dapat diketahui nilai kekakuannya dengan perhitungan sebagai berikut:
= .
∆
Pegas A memiliki panjang awal (X
1) = 12 mm, kemudian ditarik hingga
sepatu kopling menyentuh rumah kopling sehingga panjang pegas menjadi (X2) =
17 mm. Kemudian pegas dibebani sebuah gaya sampai pegas mulur menjadi 17
mm, lalu lihat angka yang ditunjukkan oleh timbangan massa. Ternyata
timbangan massa tersebut menunjukan F = 2.25 N. Sehingga nilai k dapat
2,25 = . ( 17
−
12)
= 2.25
5
= 0,450
……….. (3.1)
Perhitungan pada pegas B dan C juga sama, maka untuk mengetahui nilai
k masing-masing pegas dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1
Hasil perhitungan kekakuan pegas
No.
Pegas
X1
(mm)
X2
(mm)
F (N)
∆
X
(mm)
k
1
A
12
17
2,25
5
0,450
2
B
10,1
15,50
2,55
5,40
0,472
3
C
10,1
15,35
2,60
5,25
0,495
Dimensi masing-masing pegas dapat kita lihat pada Gambar 3.5 agar lebih
jelas.
Gambar 3.5
Pegas
3.5. Perhitungan Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Secara Teoritis
Selain dimensi kopling, juga ditentukan putaran kopling saat mulai
bekerja. Dari perhitungan secara teoritis digunakan asumsi putaran kopling mulai
bekerja dari Persamaan 2.10 dengan melihat dimensi sepatu kopling pada Gambar
3.6.
23
Gambar 3.6
Sepatu kopling
Diketahui:
a
= 17 mm
= 51 mm
3.5.1. Putaran Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Menggunakan Pegas A
Putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan menggunakan pegas A
dapat dihitung. Dari uji pegas diketahui F
p(gaya pada pegas), maka untuk
mengetahui Fk (gaya pada sepatu kopling) menggunakan persamaan berikut:
= .
Dimana:
F
k= gaya pada sepatu kopling
Fp = gaya pegas
a = jarak dari titik pusat ke pegas
L = panjang sepatu kopling dari titik pusat ke bandul
= 2,25 . 17
51
= 0,75
Maka, untuk mengetahui putaran kopling sentrifugal mulai bekerja pada
pegas A dapat dilihat pada Perhitungan 3.2.
= · ·
= ·
= 0,75
0,04
· 0,051
= 367,65
= 19,17
/
= 60 ·
2 ·
= 60 · 19,17
2 · 3,14
= 183,15
………(3.2)
3.5.2. Putaran Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Menggunakan Pegas B
Putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan menggunakan pegas B
dapat dihitung. Dari uji pegas diketahui Fp
(gaya pada pegas), maka untuk
mengetahui F
k(gaya pada sepatu kopling) menggunakan persamaan berikut:
= .
Dimana:
F
k= gaya pada sepatu kopling
Fp = gaya pegas
a = jarak dari titik pusat ke pegas
25
= 2,55 . 17
51
= 0,85
Maka, untuk mengetahui putaran kopling sentrifugal mulai bekerja pada
pegas B dapat dilihat pada Perhitungan 3.3.
= · ·
= ·
= 0,85
0,04
· 0,051
= 416,66
= 20,41
/
= 60 ·
2 ·
= 60 · 20,41
2 · 3,14
= 195
………(3.3)
3.5.3. Putaran Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja Menggunakan Pegas C
Putaran kopling sentrifugal mulai bekerja dengan menggunakan pegas C
dapat dihitung. Dari uji pegas diketahui Fp
(gaya pada pegas), maka untuk
mengetahui F
k(gaya pada sepatu kopling) menggunakan persamaan berikut:
= .
Dimana:
Fp = gaya pegas
a = jarak dari titik pusat ke pegas
L = panjang sepatu kopling dari titik pusat ke bandul
= 2,60 . 17
51
= 0,86
Maka, untuk mengetahui putaran kopling sentrifugal mulai bekerja pada
pegas C dapat dilihat pada Perhitungan 3.4.
= · ·
= ·
= 0,86
0,04
· 0,051
= 421,56
= 20,53
/
= 60 ·
2 ·
= 60 · 20,53
2 · 3,14
= 196,14
……….(3.4)
Dari Variabel-variabel dimensi diatas, yang menetukan kerja kopling
sentrifugal adalah massa bandul (m), jari-jari bandul terhadap pusat lintasan (R)
27
3.6. Perhitungan Rasio Pada Transmisi Belt dan Transmisi Roda Gigi Secara
Teoritis
Transmisi berfungsi untuk mereduksikan putaran suatu poros ke poros
lainya. Berdasarkan fungsinya tersebut, maka harus mengetahui rasio pada setiap
transmisi. Perhitungan rasio transmisi adalah sebagai berikut:
Rumus rasio;
= =
=
= ∙ ∙ ∙……∙
1.
Perhitungan rasio pada transmisi belt pada kincir
= 29,8 7,6
= 3,92
……… (3.5)
2.
Perhitungan rasio pada transmisi roda gigi
= 44 18
= 2,44
……… (3.6)
3.
Perhitungan rasio pada transmisi belt pada motor listrik
= 7,6 1,5
= 5,06
……… (3.7)
maka Rasio (i) total;
= × ×
= 3,92 × 2,44 × 5,06
3.7. Peralatan Penelitian
Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:
1.
Wind Tunnel
Alat ini berfungsi sebagai terowongan angin dengan dimensi 1,2 m x 1,2 m
x 2,4 m. Kincir angin diletakkan didalam
wind tunnel tersebut, pengaturan
kecepatan angin dilakukan dengan memberi jarak antara lorong dengan
blower.
Wind tunnel yang dipakai dilihat dari samping ditunjukan pada
Gambar 3.7.
2.
Tachometer
Alat
ini
digunakan
untuk
mengukur
putaran
poros,
putaran
transmisi,putaran kincir dan putaran pada roda gigi. Tachometer yang
digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya
dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul
cahaya (contoh aluminium foil) yang dipasang pada poros. Alat yang
digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.7b
Wind Tunnel tampak
depan
Gambar 3.7a
Wind Tunnel tampak
29
Gambar 3.8
Tachometer
3.
Multimeter
Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan. Alat ini
digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan dari putaran
generator. Alat yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9
Multimeter
4.
Lampu/beban
Berfungsi sebagai beban dalam percobaan dan beban lampu ini yang akan
diukur. Dalam percobaan kali ini digunakan beban lampu dengan daya 32
watt, 24 watt, 16 watt dan 8 watt. Alat yang dipakai dapat dilihat pada
Gambar 3.10.
5.
Anemometer
Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin dengan cara meletakkan
anemometer didepan kincir angin yang akan di uji. Kecepatan angin dapat
dilihat pada alat penunjuk angka pada anenometer tersebut. Alat yang
digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11
Anemometer
6.
Pemasangan Beban Generator
Rangkaian kelistrikan generator yang digunakan pada penelitian ini
dapat dilihat pada Gambar 3.12. Generator listrik yang digunakan adalah
generator listrik DC sehingga tegangan dan arus dapat langsung
diketahui setelah diberikan pembebanan pada lampu.
a.
Motor listrik
b.
Volt meter
c.
Ampere meter
d.
Beban lampu
Gambar 3.12
Rangkaian kelistrikan
V
A
a b
d
31
3.8.
Cara Penelitian
3.8.1. Sistem Kincir Yang Akan Diuji
(A) (B) (C)
Gambar 3.13
Sistem kincir angin yang akan diuji
Keterangan:
A.
Kincir angin yang telah terpasang di Wind Tunnel dan siap untuk diuji
B.
Bagian belakang kincir angin
C.
Sistem transmisi, kopling sentrifugal dan generator yang akan diuji
3.9.
Mengetahui Putaran Kincir dan Putaran Kerja Kopling Tanpa Beban
Lampu
Tujuan dalam pengambilan data ini adalah untuk mengetahui putaran
output kincir angin dan putaran kopling mulai bekerja tanpa beban pada kecepatan
angin tertentu. Kecepatan angin dalam terowongan angin divariasikan pada
kondisi tertentu, yaitu pada 4 m/s sampai dengan 7,5 m/s, selain itu diberikan
variasi kekakuan pegas pada sepatu kopling, kemudian dilakukan pencatatan data
didapatkan keadaan dimana kopling saat mulai bekerja hingga tidak dapat bekerja
lagi.
3.10.
Mengetahui Putaran Kincir dan Putaran Kerja Koling Dengan Beban
Lampu 8 Watt, 16 Watt, 24 Watt dan 32 Watt
Pengambilan data putaran kincir yang terbebani generator pada kecepatan
angin berubah ini bertujuan untuk mengetahui putaran koling mulai bekerja dan
tidak bekerja lagi dan juga turunnya putaran kincir angin akibat beban lampu 8
Watt, 18 Watt, 24 Watt dan 32 Watt pada kecepatan angin berubah. Pengujian
dilakukan pada tiap-tiap variasi kekakuan pegas pada sepatu kopling sentrifugal.
Penurunan putaran kincir nantinya akan berdampak pada terjadinya putaran slip
kopling dan mengakibatkan kopling berhenti bekerja.
Pada awalnya, generator dirangkai sesuai dengan sirkuit rangkaian seperti
pada Gambar 3.12 Beban lampu yang digunakan seperti terlihat pada Gambar
3.10, kecepatan angin dipertahankan konstan, dengan artian posisi
Wind Tunnel
tidak berubah. Pemberian beban dimulai dari 32 Watt kemudian beban dikurangi
secara bertahap 24 Watt, 16 Watt dan 8 Watt. Pemberian beban dengan cara
menyalakan dan mengidupkan saklar-saklar pada rangkaian lampu. Pada beban 32
Watt hidupkan 4 buah saklar lampu yang mana masing-masing lampu memiliki
daya 8 Watt. Untuk setiap penurunan beban, saklar lampu dimtikan satu persatu
sampai beban lampu menyisakan daya 8 Watt. Dari pengujian tersebut diperoleh
data hasil tegangan dan arus listrik yang diukur dengan menggunakan multimeter
33
dengan mengubah kecepatan angin pada
Wind Tunnel dengan cara memajukan
dan memundurkannya sampai didapatkan keadaan dimana kopling tidak dapat
34
BAB IV
DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Data
4.1.1.
Data pegujian konstanta pegas
Dari hasil pengujian kekakuan pegas diperoleh data yang tersaji dalam
bentuk tabel. Tabel data kekakuan pegas dapat dilihat pada Tabel 4.1 :
Tabel 4.1 Data pengujian kekakuan pegas
No. Pegas
X1
(mm)
X2
(mm)
F (N)
X
(mm)
k
1 A 12 17 2,25 5 0,450
2
B 10,1 15,50 2,55 5,40 0,472
3
C 10,1 15,35 2,60 5,25 0,495
4.1.2.
Data Pegujian Kincir Angin Tanpa Beban
Hasil pengujian kincir angin tanpa beban dengan variasi pegas disajikan
dalam bentuk tabel. Data-data tersebut dapat dilihat mulai dari Tabel 4.2 sampai
Tabel 4.4 :
Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas A
No
Kecepatan
Angin
(m/s)
Putaran (rpm)
Tegangan
(V)
Kopling Kincir
Transmisi
Belt
Roda
Gigi
Generator
1
7 408
100.7
446.2
1027
4222 90
2
6,59
377,2 94.49 375.9 907.8 4167
80
3
5,66 370,1
73.44
285.2
714 2835 61
4
4,99
296,5 42.14 169.8 370.6 1657
35
5
4,45 227,3
28.1
103.7
247.1
1173 23
35
Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas B
No
Kecepatan
Angin
(m/s)
Putaran (rpm)
Tegangan
(V)
Kopling Kincir
Transmisi
Belt
Roda
Gigi
Generator
1
7,13 463
114,7
425,9
1022
4456 140,08
2
6,56 347,4
104,8
408,2
1008
4401 120
3
6,04 326,8
80,02
294,8
708,9
3241
96
4
5,43 307,3
61,23
247,4
519 2614 80,5
5
5,05 305,8
48,34 174
434,4
2259 55,2
6
4,62 294,1
32,85
163,5
404 1735 30,05
7
4,04
206,8
Tabel 4.4 Data pengujian kincir angin tanpa beban menggunakan pegas C
No
Kecepatan
Angin (m/s)
Putaran (rpm)
Tegangan
(V)
Kopling Kincir
Transmisi
Belt
Roda
Gigi
Generator
1
6,62 581,4
107,8 440
1039
4848 130
2
5,96 487,7
71,98
261,7
636,5
3238 85,5
3
5,6 479,8
54,28
218,5
524,9
2476 70
4
4,96 301
35,32
145,2
343,8
1599 45
5
4,4
261
0
4.1.3.
Data Pegujian Kincir Angin Dengan Beban 32 Watt, 24 Watt, 16 Watt
dan 8 Watt
Hasil pengujian kincir angin dengan beban 32 Watt, 24 Watt, 16 Watt dan 8
Watt disajiakan dalam bentuk tabel. Data-data tersebut dapat dilihat mulai dari
Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas A No Kecepatan Angin (m/s) Variasi Beban Lampu Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Kopling Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 7,33
4 (32 W) 486,5 48,54 174,9 423,5 1359 10 1,1
3 (24 W) 52,7 190,7 470,5 1495 14 1
2 (16 W) 61 228,4 540,3 1974 22,5 0,9
1 ( 8 W ) 81,14 286,5 714,2 2138 42,5 0,7
2 6,59
4 (32 W) 32,27 119,6 307,3 1075 7,4 0,9
3 (24 W) 36,58 129,7 309 1138 10 0,8
2 (16 W) 44,19 153,9 377,2 1451 17,9 0,79
1 ( 8 W ) 61,69 206 504,9 2121 35,5 0,6
3 6,03
4 (32 W) 23,25 71,53 193,1 768,5 5 0,7
3 (24 W) 25,7 81,54 197,7 764 7,5 0,65
2 (16 W) 27,54 97,98 236,8 935,9 10,5 0,6
1 ( 8 W) 40,2 134,4 330,7 1444 22 0,5
4 5,63
4 (32 W) 17,16 60,64 149 522,7 1,9 0,6
3 (24 W) 19,04 66,41 161,5 662,8 4,8 0,55
2 (16 W) 21,78 70,7 175,3 862,2 6 0,52
1 ( 8 W ) 29,18 104,4 275,5 1017 18,5 0,4
5 5,01
4 (32 W)
3 (24 W)
2 (16 W)
37
Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas B
No. Kecepatan Angin (m/s) Variasi Beban Lampu Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Kopling Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 7,05
4 (32 W) 513,2 40,19 141,4 334,6 1541 10,25 1,10
3 (24 W) 41,46 159,2 373,7 1668 15,85 1,00
2 (16 W) 53,46 190,2 435,6 2081 23,50 0,98
1 ( 8 W ) 72 209,1 661,4 3176 40,00 0,80
2 6,46
4 (32 W) 27,26 103,7 251,5 1099 9,00 0,85
3 (24 W) 29,88 108,1 253,9 1179 12,50 0,80
2 (16 W) 39,62 124 305,7 1458 18,00 0,75
1 ( 8 W ) 48,12 187,6 450,7 2011 28,00 0,70
3 5,92
4 (32 W) 21,75 93,19 204,1 926,4 6,00 0,75
3 (24 W) 24,12 89,46 212 999,1 8,00 0,65
2 (16 W) 28,95 101,4 252,5 1171 12,00 0,60
1 ( 8 W ) 36,44 149,2 349 ,8 1652 20,00 0,55
4 5,59
4 (32 W) 20,14 87,73 216,4 848 4,20 0,63
3 (24 W) 23,43 93,6 240,9 925 6,00 0,50
2 (16 W) 32,99 100,2 289,6 1049 9,00 0,45
1 ( 8 W ) 39,39 125,3 328 1250 18,00 0,31
5 4,97
4 (32 W)
3 (24 W)
2 (16 W)
Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin dengan beban menggunakan pegas C No. Kecepatan Angin (m/s) Variasi Beban Lampu Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Kopling Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 7,07
4 (32 W) 591,9 41,46 128,9 362,9 1565 11,65 1,04
3 (24 W) 47,11 165,1 375,7 1735 14,50 1,03
2 (16 W) 51,24 191,7 463,6 2179 23,75 1,00
1 ( 8 W ) 65,71 250,2 605,4 2880 38,00 0,85
2 6,59
4 (32 W) 34,51 125,2 300 1420 8,75 1,02
3 (24 W) 37,11 133,5 332,2 1565 10,12 1,00
2 (16 W) 44,37 159,4 383,1 1774 16,00 0,95
1 ( 8 W) 63,74 240,9 590,2 2766 28,60 0,80
3 6,15
4 (32 W) 29,11 106,5 253,3 1159 6,25 0,90
3 (24 W) 36,44 123,2 289,8 1316 7,60 0,85
2 (16 W) 45,58 140,9 340,8 1603 10,00 0,70
1 ( 8 W ) 57,2 192,6 471,8 2170 18,50 0,65
4 5,53
4 (32 W) 21,45 71,17 157,5 809,2 4,20 0,70
3 (24 W) 24,61 85,5 213,2 942,6 5,50 0,65
2 (16 W) 25,47 94,88 230 1030 8,50 0,50
1 ( 8 W ) 34,44 114,4 303,9 1466 11,75 0,45
5 4,98
4 (32 W)
3 (24 W) 196
2 (16 W) 22,45 71,84 158,48 808,24 5,85 0,36
39
4.2. Pembahasan
4.2.1.Perbandingan Rasio Pada Transmisi Belt Dan Transmisi Roda Gigi Secara Teoritis Dengan Rasio Secara Aktual
Sebagai perbandingan, rasio teoritis akan dibandingkan dengan rasio
berdasarkan data yang diperoleh. Data yang digunakan yakni data pada Tabel
4.2. Data yang diambil contoh data pada kecepatan angin 7 m/s, dengan
putaran kincir 100,7 rpm dan putaran pada motor listrik 4222 rpm. Maka
rasio:
4222
100,7
41,92
Berdasarkan perhitungan tersebut bila dibandingkan dengan rasio
secara teoritis yaitu 48,4 dapat disimpulkan bahwa besarnya putaran awal ke
putaran akhir tidak sama, hal ini terjadi karena hilangnya sebagian putaran
trasmisi. Hilangnya sebagian putaran transmisi tersebut diakibatkan oleh
adanya slip antara belt dengan puli yang disebabkan posisi puli penggerak
dan puli tergerak tidak berada pada satu garis lurus.
4.2.2.Kopling Sentrifugal Mulai Bekerja
Dari pengujian kincir angin tanpa beban yang ditunjukan dari Tabel 4.2
sampai dengan Tabel 4.4, memperlihatkan bahwa dengan bertambah keras
dibutuhkan agar kopling bisa bekerja. Pegas A kopling mulai bekerja pada
putaran 227,3 rpm saat kecepatan angin 4,45 m/s. Pegas B kopling mulai
bekerja pada putaran 294,1 rpm saat kecepatan angin 4,62 m/s. Pegas C
kopling mulai bekerja pada putaran 301 rpm saat kecepatan angin 4,96 m/s.
Dari ketiga variasi kekakuan pegas, maka pegas yang terbaik agar kopling
bisa mulai bekerja untuk putaran rendah yakni dengan menggunakan pegas A.
4.2.3.Perbandingan Putaran Kerja Kopling Sentrifugal Secara Teoritis Dengan Aktual
Dari hasil perhitungan secara teoritis pada halaman 23 sampai dengan
halaman 26, kopling sentrifugal mulai bekerja untuk pegas A pada putaran
183,15 rpm, sedangkan secara aktual putaran yang dibutuhkan agar kopling
sentrifugal bisa bekerja adalah 227,3 rpm saat kecepatan angin 4,45 m/s.
Kopling sentrifugal mulai bekerja secara teoritis untuk pegas B pada putaran
195 rpm, sedangkan secara aktual putaran yang dibutuhkan agar kopling
sentrifugal bisa bekerja adalah 294,1 rpm saat kecepatan angin 4,62 m/s.
Kopling sentrifugal mulai bekerja secara teoritis untuk pegas C pada putaran
196,14 rpm, sedangkan secara aktual putaran yang dibutuhkan agar kopling
sentrifugal bisa bekerja adalah 301 rpm saat kecepatan angin 4,96 m/s. (untuk
putaran kopling sentifugal mulai bekerja secara aktual dapat dilihat pada
Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.4 atau dapat dilihat pada sub bab 4.2.2)
Putaran kopling mulai bekerja secara teroritis dari ketiga variasi pegas
41
aktual kopling sentrifugal mulai bekerja pada putaran yang lebih tinggi.
Putaran poros kopling membuat pengait pada sepatu kopling sulit masuk ke
lubang pengait di rumah kopling. Pada saat pengait sepatu kopling mengait di
lubang pengait terjadi dorongan terhadap rumah kopling, sehingga putaran
rumah kopling mendahului penggerak yang membuat pengait tadi kembali
terlepas. Tingginya putaran kopling mulai bekerja sacara aktual juga bisa
disebabkan ketidak presisian pembuatan kopling, selain itu masa pada batang
sepatu kopling beratnya diabaikan padahal batang sepatu kopling memiliki
massa yang berpengaruh pada gaya sentrifugal yang terjadi. Pengukuran
panjang pegas yang kurang tepat pada saat perhitungan kekakuan pegas juga
bisa membuat putaran kopling mulai bekerja secara teoritis tidak sama
dengan aktual. jika salah dalam pengukuran panjang pegas maka akan
berpengaruh terhadap gaya yang diterima pegas.
Dari pengujian ketiga pegas bahwa pegas A lebih baik jika digunakan
untuk putaran generator rendah, karena kopling dapat bekerja pada putaran
227,3 rpm. Tetapi pegas A memiliki kelemahan, jika digunakan terus
menerus akan cepat mulur / kendur. Apabila digunakan untuk putaran
generator tinggi maka lebih baik menggunakan pegas C, karena kopling dapat
bekerja pada putaran 301 rpm. Selain itu pegas C memiliki kekakuan yang
tinggi dibanding pegas lainnya, sehingga tidak mudah mulur / kendur dan
4.2.4.Putaran Kincir dan Generator Diberi Beban
Dari pengujian kincir dengan beban yang ditunjukan dari Tabel 4.5
sampai dengan Tabel 4.7, memperlihatkan bahwa semakin besar beban yang
diberikan semakin turun putaran kincir dan generator. Penurunan kecepatan
angin juga berpengaruh pada turunya putaran kincir dan generator. Pada
pegas A, putaran tertinggi kincir 81,14 rpm dan putaran generator tertinggi
2138 rpm saat kecepatan angin 7,33 m/s dengan beban 8 Watt. Sedangkan
putaran putaran kincir terendah 17,16 rpm dan putaran generator terendah
522,7 rpm saat kecepatan angin 5,63 m/s dengan beban 32 Watt. Pada pegas
B putaran tertinggi kincir 72 rpm dan putaran generator tertinggi 3176 rpm
saat kecepatan angin7,05 m/s dengan beban 8 Watt. Sedangkan putaran
putaran kincir terendah 20,14 rpm dan putaran generator terendah 848 rpm
saat kecepatan angin 5,59 m/s dengan beban 32 Watt. Pada pegas C putaran
tertinggi kincir 65,71 rpm dan putaran generator tertinggi 2880 rpm saat
kecepatan angin 7,07 m/s dengan beban 8 Watt. Sedangkan putaran kincir
terendah 21,45 rpm dan putaran generator terendah 809,2 rpm pada
kecepatan angin 5,53 m/s dengan beban 32 Watt.
4.2.5.Perhitungan Daya Kincir dan Daya Yang Dihasilkan Generator Dengan Variasi Kekakuan Pegas Dan Beban Lampu 32, 24, 16, 8 Watt
Sebagai contoh perhitungan menggunakan Tabel 4.5, dimana data
43
1. Mencari luas penampang
1 4
14 3,14 0,98
0,754
2. Mencari Daya yang dihasilkan kincir angin
0,6
0,6 0,754 7,33 /
178,15
3. Mencari Daya Generator Listrik
Untuk mencari daya yang dihasilkan generator listrik, maka menggunakan
persamaan berikut:
10 1,1
11
4. Mencari koefisien daya (Cp)
dengan Pout = Plistrik
178,15 11
0,06
2. . . 60 2. . .
60.
2 3,14 0,49 48,54
60 . 7,33 /
0,34
Hasil perhitungan lainya disajikan dalam bentuk tabel. Perhitungan
45
Tabel 4.8 Hasil perhitungan Pin, Pout, Cp dan TSR dengan menggunakan pegas A
No Variasi Beban Lampu Kecepatan Angin (m/s) Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Pin (Watt) Pout
(Watt) Cp TSR Keterangan Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 1 (8 W)
7,33 81,14 286,5 714,2 2138 42,5 0,7 178,15 29,75 0,17 0,57 Kopling
bekerja pada putaran 486,5 rpm dengan kecepatan
angin 7,33 m/s. Sedangkan kopling berhenti bekerja pada putaran 248,3 rpm dengan kecepatan
angin 5,01 m/s dan beban 8 Watt
6,59 61,69 206 504,9 2121 35,5 0,6 129,46 21,30 0,16 0,48
6,03 40,2 134,4 330,7 1444 22 0,5 99,18 11,00 0,11 0,34
5,63 29,18 104,4 275,5 1017 18,5 0,4 80,72 7,40 0,09 0,27
2 2 (16 W)
7,33 61 228,4 540,3 1974 22,5 0,9 178,15 20,25 0,11 0,43
6,59 44,19 153,9 377,2 1451 17,9 0,79 129,46 14,14 0,11 0,34
6,03 27,54 97,98 236,8 935,9 10,5 0,6 99,18 6,30 0,06 0,23
5,63 21,78 70,7 175,3 662,2 6 0,52 80,72 3,12 0,04 0,20
3 3 (24 W)
7,33 52,7 190,7 470,5 1495 14 1 178,15 14,00 0,08 0,37
6,59 36,58 129,7 309 1138 10 0,8 129,46 8,00 0,06 0,28
6,03 25,7 81,54 197,7 764 7,5 0,65 99,18 4,88 0,05 0,22
5,63 19,04 66,41 161,5 662,8 4,8 0,55 80,72 2,64 0,03 0,17
4 4 (32 W)
7,33 48,54 174,9 423,5 1359 10 1,1 178,15 11,00 0,06 0,34
6,59 32,27 119,6 307,3 1075 7,4 0,9 129,46 6,66 0,05 0,25
6,03 23,25 71,53 193,1 768,5 5 0,7 99,18 3,50 0,04 0,20
Tabel 4.9 Hasil perhitungan Pin, Pout, Cp dan TSR dengan menggunakan pegas B No Variasi Beban Lampu Kecepatan Angin (m/s) Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Pin (Watt) Pout
(Watt) Cp TSR Keterangan Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 1 (8 W)
7,05 72 209,1 661,4 3176 40,00 0,80 158,50 32,00 0,20 0,52 Kopling
bekerja pada putaran 513,2 rpm dengan kecepatan angin 7,05 m/s. Sedangkan kopling berhenti bekerja pada putaran 187,6 rpm dengan kecepatan angin 4,97 m/s dan beban 8 Watt
6,46 48,12 187,6 450,7 2011 28,00 0,70 121,95 19,60 0,16 0,38
5,92 36,44 149,2 349 ,8 1652 20,00 0,55 93,85 11,00 0,12 0,32
5,59 39,39 125,3 328 1250 18,00 0,31 79,01 5,58 0,07 0,36
2 2 (16 W)
7,05 53,46 190,2 435,6 2081 23,50 0,98 158,50 23,03 0,15 0,39
6,46 39,62 124 305,7 1458 18,00 0,75 121,95 13,50 0,11 0,31
5,92 28,95 101,4 252,5 1171 12,00 0,60 93,85 7,20 0,08 0,25
5,59 32,99 100,2 289,6 1049 9,00 0,45 79,01 4,05 0,05 0,30
3 3 (24 W)
7,05 41,46 159,2 373,7 1668 15,85 1,00 158,50 15,85 0,10 0,30
6,46 29,88 108,1 253,9 1179 12,50 0,80 121,95 10,00 0,08 0,24
5,92 24,12 89,46 212 999,1 8,00 0,65 93,85 5,20 0,06 0,21
5,59 23,43 93,6 240,9 925 6,00 0,50 79,01 3,00 0,04 0,21
4 4 (32 W)
7,05 40,19 141,4 334,6 1541 10,25 1,10 158,50 11,28 0,07 0,29
6,46 27,26 103,7 251,5 1099 9,00 0,85 121,95 7,65 0,06 0,22
5,92 21,75 93,19 204,1 926,4 6,00 0,75 93,85 4,50 0,05 0,19
47
Tabel 4.10 Hasil perhitungan Pin, Pout, Cp dan TSR dengan menggunakan pegas C
No Variasi Beban Lampu Kecepatan Angin (m/s) Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I) Pin (Watt) Pout
(Watt) Cp TSR Keterangan Kincir Transmisi
Belt
Roda
Gigi Generator
1 1 (8 W)
7,07 65,71 250,2 605,4 2880 38,00 0,85 159,86 32,30 0,20 0,48 Kopling
bekerja pada putaran 591,9 rpm dengan kecepatan angin 7,07 m/s. Sedangkan kopling berhenti bekerja pada putaran 196 rpm dengan kecepatan angin 4,98 m/s dan beban 24 Watt
6,59 63,74 240,9 590,2 2766 28,60 0,80 129,46 22,88 0,18 0,50
6,15 57,2 192,6 471,8 2170 18,50 0,65 105,22 12,03 0,11 0,48
5,53 34,44 114,4 303,9 1466 11,75 0,45 76,50 5,29 0,07 0,32
4,98 28,44 96,69 212,7 1064 9,25 0,28 55,87 2,59 0,05 0,29
2 2 (16 W)
7,07 51,24 191,7 463,6 2179 23,75 1,00 159,86 23,75 0,15 0,37
6,59 44,37 159,4 383,1 1774 16,00 0,95 129,46 15,20 0,12 0,35
6,15 45,58 140,9 340,8 1603 10,00 0,70 105,22 7,00 0,07 0,38
5,53 25,47 94,88 230 1030 8,50 0,50 76,50 4,25 0,06 0,24
4,98 22,45 71,84 158,48 808,24 5,85 0,36 55,87 2,11 0,04 0,23
3 3 (24 W)
7,07 47,11 165,1 375,7 1735 14,50 1,03 159,86 14,94 0,09 0,34
6,59 37,11 133,5 332,2 1565 10,12 1,00 129,46 10,12 0,08 0,29
6,15 36,44 123,2 289,8 1316 7,60 0,85 105,22 6,46 0,06 0,30
5,53 24,61 85,5 213,2 942,6 5,50 0,65 76,50 3,58 0,05 0,23
4,98 0 0 0 0 0 0 55,87 0,00 0,00 0,00
4 4 (32 W)
7,07 41,46 128,9 362,9 1565 11,65 1,04 159,86 12,12 0,08 0,30
6,59 34,51 125,2 300 1420 8,75 1,02 129,46 8,93 0,07 0,27
6,15 29,11 106,5 253,3 1159 6,25 0,90 105,22 5,63 0,05 0,24
5,53 21,45 71,17 157,5 809,2 4,20 0,70 76,50 2,94 0,04 0,20
Dari Tabel 4.8 sampai dengan Tabel 4.10 dibuat grafik hubungan antara
Koefisien Daya (CP) dengan Tip Speed Ratio (TSR). Grafik tersebut dapat dilihat
dari Gambar 4.1 sampai dengan Gambar 4.3.
Gambar 4.1 Grafik hubungan Cp dan TSR menggunakan pegas A
Gambar 4.2 Grafik hubungan Cp dan TSR menggunakan pegas B
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
0,00 0,20 0,40 0,60
CP
TSR
8 W
16 W
24 W
32 W
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
CP
TSR
8 W
16 W
24 W
49
Gambar 4.3 Grafik hubungan Cp dan TSR menggunakan pegas C
4.2.6.Hasil Analisa Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR)
Dari grafik Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR) yang
tersaji dari Gambar 4.1 sampai dengan Gambar 4.3, maka dapat dianalisa
seperti berikut.
¾ Analisa Gambar 4.1
Dari Gambar 4.1 diperoleh hasil Cp tertinggi untuk beban 8 Watt, yakni
17 % dan TSR 0,57 pada kecepatan angin 7,33 m/s. Sedangkan Cp
terendah untuk beban 8 Watt, yakni 9 % dan TSR 0,27 pada kecepatan
angin 5,63 m/s. Selanjutnya Cp tertinggi untuk beban 16 Watt, yakni 11
% dan TSR 0,43 pada kecepatan angin 7,33 m/s. Sedangkan Cp terendah
untuk beban 16 Watt, yakni 4 % dan TSR 0,20 pada kecepatan angin
5,63 m/s. Cp tertinggi untuk beban 24 Watt, yakni 8 % dan TSR 0,37
pada kecepatan angin 7,33 m/s. Sedangkan Cp terendah untuk beban 24
Watt, yakni 3 % dan TSR 0,17 pada kecepatan angin 5,63 m/s. Cp 0,00
0,05 0,10 0,15 0,20
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
CP
TSR
8 W
16 W
24 W
tertinggi untuk beban 32 Watt, yakni 6 % dan TSR 0,34 pada kecepatan
angin 7,33 m/s. Sedangkan Cp terendah untuk beban 32 Watt, yakni 1 %
dan TSR 0,16 pada kecepatan angin 5,63 m/s.
¾ Analisa Gambar 4.2
Dari Gambar 4.2 diperoleh hasil Cp tertinggi untuk beban 8 Watt, yakni
20 % dan TSR 0,52 pada kecepatan angin 7,05 m/s. Sedangkan Cp
terendah untuk beban 8 Watt, yakni 7 % dan TSR 0,36 pada kecepatan
angin 5,59 m/s. Cp tertinggi untuk beban 16 Watt, yakni 15 % dan TSR
0,39 pada kecepatan angin 7,05 m/s. Sedangkan Cp terendah untuk beban
16 Watt, yakni 5 % dan TSR 0,30 pada kecepatan angin 5,59 m/s. Cp
tertinggi untuk beb
