PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR SKRIPSI

PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR

SKRIPSI Oleh

MUHAMAD IMANUDIN DANA SUTISNA 41305110028

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009

i

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR

yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana Jakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Mercu Buana maupun di Perguruan Tinggi lain atau Instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.

Jakarta, 18 Juli 2009

MUHAMAD IMANUDIN D. S. 41305110028

ii

PENGESAHAN Skripsi dengan judul : PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR dibuat oleh MUHAMAD IMANUDIN DANA SUTISNA dengan Nomor Induk Mahasiswa 41305110028 guna melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana Jakarta. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada tanggal

dan dinyatakan

memenuhi syarat yang sah sebagai skripsi pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana.

Jakarta,

2009

Ir. YURIADI KUSUMA, M.Sc Pembimbing Skripsi

DR. H. ABDUL HAMID, M.Eng Ka Prodi Teknik Mesin

NANANG RUHYAT, ST, MT Koord. Tugas Akhir Teknik Mesin

iii

ABSTRAKSI Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk serta pertumbuhan ekonomi yang menuntut pada peningkatan pola konsumsi masyarakat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan. Upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil pun menyemangati para peneliti di berbagai Negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terberukan meliputi energi angin, air, panas bumi, matahari, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain memiliki keunggulan dari sumbernya yang relatif lebih mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikan harga bahan bakar. Terbesit di benak penulis dan rekan-rekan sesama Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin angkatan ke 7, Program Kelas Karyawan Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana untuk menciptakan sebuah karya Tugas Akhir secara bersama-sama yang bermanfaat bagi almamater. Sehingga terpilihlah sebuah tema prototype dari sebuah windmill yang berfungsi sebagai pompa air. Kincir angin ini dipilih dengan alasan penerapan konsep green energy pada proyek tugas akhir bersama ini. Pada akhirnya setiap mahasiswa memiliki tema masing-masing yang membahas setiap pembahasan pada alat yang diberi nama Kincir Angin MB 12-7 tersebut. Pada skripsi yang saat ini berada di tangan para pembaca sekalian, pembahasan yang diangkat oleh penulis adalah tetang perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7. Yaitu akan dibahas mengenai proses perencanaan dan pembuatan sebuah prototype kincir angin, mengapa dipilih kincir angin sebagai pompa air serta cara pembuatan gambar dari Kincir Angin MB 12-7. Dengan harapan dapat dijadikan inspirasi dan referensi untuk masa yang akan datang dalam pengembangan konsep green energy.

Kata Kunci: Perencanaan, Pembuatan, Kincir Angin

v

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL

i

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

ii

PENGESAHAN

iii

UCAPAN TERIMA KASIH

iv

ABSTRAKSI

v

DAFTAR ISI

vi

DAFTAR GAMBAR

viii

DAFTAR TABEL

ix

DAFTAR SINGKATAN

x

DAFTAR SIMBOL / ISTILAH

xi

BAB I PENDAHULUAN

1

1.1.

Latar Belakang

1

1.2.

Rumusan dan Batasan Masalah

7

1.3.

Tujuan Penulisan

7

1.4.

Sistematika Penulisan

8

BAB II DASAR TEORI

10

2.1.

Teori Dasar Energi Angin

10

2.2.

Aplikasi Energi Angin untuk Kincir Angin

15

2.3.

Teori Gambar Teknik Dasar

23

vi

BAB III JENIS-JENIS KINCIR ANGIN

31

3.1.

Kincir Angin untuk Pembangkit Listrik

31

3.2.

Kincir Angin untuk Pompa Air

38

BAB IV PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR

41

4.1.

Pengambilan Data dan Perhitungan

41

4.2.

Perencanaan Desain Gambar

49

4.3.

Perencanaan Pembuatan

49

4.4.

Pemilihan Tempat

64

BAB V PENUTUP

70

5.1.

Kesimpulan

70

5.2.

Saran

72

DAFTAR PUSTAKA

xiii

LAMPIRAN

xiv

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Energi Mix di Indonesia

2

Gambar 1.2 Energi Mix di Dunia

3

Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat

11

Gambar 2.2 Deretan kincir angin pembangkit tenaga

12

Gambar 2.3 Laju pertumbuhan energi angin tahunan di dunia

14

Gambar 2.4 Torsi rotor untuk berbagai jenis turbin angin

16

Gambar 2.5 Posisi arah angin efektif untuk kincir angin

18

Gambar 2.6 Berbagai jenis turbin angin

19

Gambar 2.7 Efisiensi rotor dan soliditas rotor

20

Gambar 2.8 Efisiensi rotor untuk berbagai tipe turbin angin

21

Gambar 3.1 Rangkaian Kincir Angin untuk Pembangkit Listrik

32

Gambar 3.2 Kaidah tangan kanan Fleming

33

Gambar 3.3 Contoh rangkaian Bridge Rectifier

36

Gambar 3.4 Contoh Kincir Angin sebagai Pompa Air

39

Gambar 4.1 Perbendaan ekstrim Konstruksi Tower

54

Gambar 4.2 Head’s Constructions (Konstruksi Rangka Atas)

55

Gambar 4.3 Profil Gigi pada Komponen Pengunci

56

Gambar 4.4 Mainshaft Bearing

58

Gambar 4.5 Konstruksi Crank

59

Gambar 4.6 Konstruksi Conecting Rod

61

Gambar 4.7 Konstruksi Cross Head

62

Gambar 4.8 Konstruksi Rotor

63

Gambar 4.9 Konstruksi Pump Rod dan Pump Rod Connection

65

Gambar 4.10 Diagram Alur Kincir Angin MB 12-7

66

Gambar 4.11 Foto Pendirian dan Perakitan Kincir Angin MB 12-7 71 Gambar 4.12 Foto Peresmian Kincir Angin MB 12-7

71

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Cadangan Energi Fosil

3

Tabel 2 Potensi energi terbarukan di Indonesia 2004

5

Tabel 3 Contoh Organisasi Standarisasi Nasional & Internasional

25

Tabel 4 Ukuran Kertas Gambar Standar ISO

26

Tabel 5 Spesifikasi Garis

27

Tabel 6 Ukuran Huruf dan Angka Standar

29

Tabel 7 Perbandingan Huruf dan Angka Tipe A dengan Tipe B

30

Tabel 8 Kecepatan Rata-rata Angin pada Tahun 2008

43

Tabel 8 Jadwal Pelaksanaan Pembuatan Kincir Angin MB 12-7

52

ix

DAFTAR SINGKATAN ACK

Acknowledgement

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BMG

Badan Meteorologi dan Geo-fisika

CAD

Computer Aided Design

CCI

Co-Channel Interference

CIR

Carrier to Interference Ratio

DESDM

Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral

GGL

Gaya Gerak Listrik

GW

Gyga Watt

iid

independent identifically distributed

ISO

International Standard Organization

LOS

Lineof sight

MW

Mega Watt

N

Newton

NACK

Negative Acknowledgemen

pdf

Probability Density Function

PPTAg

Pusat Penelitian Tenaga Angin

rpm

Rotate per Minute

SDM

Sumber Daya Manusia

SNI

Standar Nasional Indonesia

TSR

Tip Speed Ratio

UI

Universitas Indonesia

UGM

Universitas Gajah Mada

WOT

World Organization of Technology

x

DAFTAR SIMBOL / ISTILAH



f

Diameter (mm atau m) Koefisien gesekan (bilangan Reynold, Re)

G

Percepatan grafitasi (m / s2)

h

tinggi_height (m)

K

Koefisien kerugian

K

Kelvin_derajat kelvin

l

Panjang (m)

L

Panjang keseluruhan (m)

P

Tekanan ( N

pa

Tekanan di atas permukaan cairan, N / m2 (Pa)

Pd , Ps

Tekanan pada permukaan cairan ( N

pv

Tekanan suhu cairan pada saat dipompa, N / m2 (Pa)

Qa

Kapasitas aktual dalam pompa

Ql

Jumlah kebocoran dalam pompa

Re

Bilangan Reynold (tak berdimensi)



Kecepatan aliran cairan (m ) s

V

Kecepatan rata-rata aliran (m / s)



Berat jenis fluida ( N

t

Efisiensi transmisi



Kekentalan mutlak cairan (absolute viscosity, kg.s / m2 )



Rapat massa cairan (



Koefisien kavitasi Thoma (bilangan Thoma)

m2

)

m3

m2

)

)

kg ) m3

xi

Airfoil—bilah atau sudu yang padat dengan kurvatur tertentu sehingga memiliki gaya angkat ketika berada dalam udara yang bergerak. Altitude—Sudut antara horison (bidang horizontal) dan matahari. Anemometer—sebuah alat untuk mengukur kecepatan angin. Cut-in speed—kecepatan angin minimum di mana turbin angin akan memproduksi energi. Cut-out speed—kecepatan di mana turbin angin akan mengurangi kekuatannya untuk melindungi dirinya dari kecepatan angin berlebih. Kebanyakan pada turbin angin kecil hal ini dilakukan dengan cara memasang ekor sehingga dapat mengelak dari angin. Drag force—gaya hambat yang terjadi pada benda dalam aliran udara, gaya ini sejajar dengan arah aliran. Efficiency—rasio antara daya output dan input, biasanya diungkapkan dalam persentase. Hub height—jarak dari tanah ke pusat rotor (hub) dalam turbin angin. Load matching—proses menyetarakan beban dengan input daya untuk memaksimalkan transfer daya pada beban. Metoda yang digunakan pada proses ini berdasarkan pemaksimalan energi elektromekanikal total yang dikirim pada beban mekanik. Setiap komponen dari sistem masing-masing harus dioptimalkan terpisah sebelum dirakit, kemudian sistem dirakit sehingga mempunyai effisiensi yang tinggi secara keseluruhan. Power curve—kurva daya adalah graph yang menampilkan daya turbin angin sebagai fungsi dari kecepatan angin. Solidity—rasio antara lebar sudu total dengan keliling rotor. Tip-speed ratio—rasio antara kecepatan pada tip sudu dengan kecepatan angin.

xii

Tugas Akhir

Universitas Mercu Buana

BAB I PENDAHULUAN

1.1.

LATAR BELAKANG Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada

umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi yang menuntut pada peningkatan pola konsumsi masyarakat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami deplesi (depletion: kehabisan, menipis). Proses alam memerlukan waktu yang sangat lama untuk dapat kemballi menyediakan energi fosil ini.

FTI – Teknik Mesin

1

Tugas Akhir


Menurut Blueprint, Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun ke depan dengan rasio cadangan atau produksi pada tahun tersebut. Sedangakan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun.

Gambar 1.1 Energi Mix di Indonesia (Sumber : DESDM)

Rasio antara cadangan dan produksi untuk energi fosil di dunia diperlihatkan juga dalam table tersebut sebagai rujukan. Perkiraan ratio ini dihitung berdasarkan jumlah penduduk dan pola konsumsi energi pada saat itu. Apabila memepertimbangkan laju pertambahan penduduk yang eksponensial dan konsumsi energi yang terus meningkat, tentunya kurun waktu tersebut dapat diperkirakan akan jauh lebih cepat lagi.


2

Tugas Akhir


Gambar 1.2 Energi Mix di Dunia (Sumber : Simmons, 2005)

Tabel 1 Cadangan Energi Fosil

Jenis Energi Fosil Minyak Bumi Gas Batubara

Cadangan/Produksi Indonesia Dunia 18 tahun 40 tahun 61 tahun 60 tahun 147 tahun 200 tahun

(Sumber : DESDM 2004)

Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil menyemangati para peneliti di berbagai Negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terbarukan meliputi energi


3

Tugas Akhir


air, panas bumi, matahari, angin, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain memiliki keunggulan dari sumbernya relatif lebih mudah didapat; dapat diperoleh dengan gratis; minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikan bahan bakar (Jarras, 1980). Energi terbarukan adalah energi yang dapat diperbaharui dan apabila dikelola dengan baik, sumber daya itu tidak akan habis. Pertimbangan konservasi energi dan lingkungan hidup memang menuntut kita untuk segera dapat memanfaatkan energy terbarukan yang tersedia dengan mudah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan energi fosil. Tetapi seperti kita ketahui, khususnya di Indonesia, pemanfaatan potensi energi terbarukan seperti air, angin, bio masa, panas bumi, surya dan samudera, sampai saat ini masih belum optimal (lihat Tabel 2). Misalnya, untuk kasus energi angin, sampai dengan tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaga angin hanya mencapai 0.5 MW (Mega Watt) dari 9.29 GW (Giga Watt) potensi yang ada. Hal itu terutama karena beberapa hal kendala seperti di bawah ini: 1. Sering dianggap belum kompetitif dibandingkan dengan energi fosil, karena: a. Kemampuan SDM yang masih rendah b. Rekayasa dan teknologi pembuatan sebagian komponen utamanya belum dapat dilakukan di dalam negeri, jadi masih harus impor FTI – Teknik Mesin

4

Tugas Akhir


c. Iklim investasi belum kondusif. Biaya investasi pembangunan yang tinggi menimbulkan masalah financial pada penyediaan modal awal. 2. Belum tersedianya data potensi sumberdaya yang lengkap, karena maih terbatasnya kajian studi yang dilakukan 3. Akses masyarakat terhadap energi masih rendah (DESDM, 2005) 4. Peran pemerintah yang kurang: a. Belum terlihat adanya sense of urgency b. Antar lembaga pemerintah kurang sinergis c. Masih kurang menyediakan insentif-insentif

Tabel 2 Potensi energi terbarukan di Indonesia 2004

Jenis Energi Air Panas Bumi Mini/Mikrohidro Biomasa Surya Angin

Sumber Daya 6

845 x 10 BOE

845 x10 6 BOE

458 MW 49.81 GW

Setara 75.7 GW 27 GW 458 MW 49.8 GW

Kapasitas terpasang 4200 MW 800 MW 84 MW 302.4 MW 8 MW 0.5 MW

4 . 8 kWh / m 2 / hari

9.29 GW

9.3 GW

(Sumber : DESDM 2005)

Ditambah lagi akhir-akhir ini isyu mengenai Global Warming atau pemanasan

global

yang

semakin

hari

semakin

hangat

untuk

diperbincangkan. Maka dari itu, semakin banyak pula ide yang muncul untuk mengatasi masalah tersebut, salah satunya adalah dengan cara peran aktif dalam upaya menjalankan program Green Energy atau Energi FTI – Teknik Mesin

5

Tugas Akhir


yang ramah lingkungan dengan konsep mengedepankan Reduce, Reuse, Recycle. Yaitu mengurangi penggunaan ulang sampah non organik atau limbah yang tidak dapat bersatu dengan unsur hara tanah. Beberapa strategi yang mungkin dapat dilakukan untuk mengatasi kendala-kendala kekurangan energi yang terbarukan dan energi tak dapat terbarukan, antara lain: 1. Meningkatkan kegiatan studi penelitian yang berkaitan, dengan: a. identifikasi

setiap

jenis

potensi

sumber

daya

energi

terbarukan secara lengkap di setiap wilayah b. upaya perumusan spesifikasi dasar dan standar rekayasa system konversi energinya yang sesuai dengan kondisi di Indonesia c. pembuatan prototype yang sesuai dengan spesifikasi dasar dan standar rekayasanya d. pengumpulan pendapat dan tanggapan masyarakat tentang pemanfaatan energi terbarukan tersebut 2. Memasyarakatkan mengadakananalisis

pemanfaatan dan

energi

evaluasi

lebih

terbarukan mendalam

sekaligus tentang

kelayakan operasi system di lapangan dengan pembangunan beberapa proyek percontohan. 3. Memberikan prioritas pembangunan pada daerah yang memiliki potensi sangat tinggi, baik teknis maupun sosio-ekonominya.


6

Tugas Akhir

1.2.


RUMUSAN DAN BATASAN MASALAH Keterbatasan penggunaan energi non-fosil yang sedang terjadi di

Indonesia mendorong penulis untuk mencoba membuat satu prototip perkakas yang dapat dijadikan solusi untuk memberdayakan energi nonfosil. Dalam hal ini tenaga angin merupakan pilihan yang akan dibahas oleh penulis. Perkakas yang dibuat adalah pompa air tenaga angin (Mechanical Wind Pump). Pompa air tenaga angin ini dipilih oleh penulis karena melihat potensi Indonesia sebagai negara agraris, sehingga perlu pengoptimalan sistem pertanian. Salah satunya adalah dengan dibuatnya pompa air tenaga angin ini. Pompa air tenaga angin yang akan dibuat adalah pompa air tenaga angin dengan nama Kincir Angin MB12-7 .Dalam perancangan ini penulis akan membatasi permasalahan pada pembahasan “Perencanaan Pembuatan Kincir Angin MB 12-7”. Dimana di dalamnya terdapat paparan perencanaan mengenai pembuatan kincir angin yang berfungsi sebagai pompa air yang diberi nama Kincir Angin MB 12-7.

1.3.

TUJUAN PENULISAN Tujuan dari penulisan ini selain dari sebagai salah satu syarat

menempuh gelar sarjana adalah untuk merencanakan pembuatan sebuah kincir angin dengan pompa air yang berfungsi sebagai alat bantu irigasi pertanian dengan konsep green energy yang diberi nama Kincir Angin MB12-7. FTI – Teknik Mesin

7

Tugas Akhir

1.4.


SISTEMATIKA PENULISAN Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis menuliskan urutan-

urutan yang disusun menjadi lima bab. Adapun rinciannya adalah sebagai berikut:

BAB I

PENDAHULUAN Dalam Bab ini dibahas mengenai latar belakang masalah, rumusan dan batasan masalah, tujuan penulisan dan sistematika penulisan.

BAB II

DASAR TEORI Dalam bab ini dibahas tentang teori dasar energi angin, aplikasi energi angin dalam perancangan Kincir Angin MB 12-7. Serta teori gambar dasar mesin yang digunakan dalam pembuatan gambar dasar perancangan yang kemudian dikembangkan menjadi perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7.

BAB III

JENIS-JENIS KINCIR ANGIN Dalam bab ini dibahas tentang kajian umum jenis-jenis dari kincir

angin,

dimana

banyak

jenis

dan

aplikasi

penggunaannya. Diantaranya sebagai pembangkit listrik dan FTI – Teknik Mesin

8

Tugas Akhir


pompa air. Yang pada akhirnya dipilih sebuah kincir angin dengan pompa yang berfungsi untuk memompa air untuk kebutuhan irigasi dengan konsep green energy yang diberi nama Kincir Angin MB 12-7.

BAB IV

PERENCANAAN

DESAIN

KINCIR

ANGIN

MB

12-7

SEBAGAI POMPA AIR Pembahasan tentang data dan analisa kecepatan angin, perhitungan daya kincir dan pompa, spesifikasi gambar dan perencanaan untuk pembuatan Kincir Angin MB12-7 yang berfungsi sebagai pompa air.

BAB V

PENUTUP Berisi Kesimpulan dan saran yang ditulis secara sinkron oleh penulis dari tiap-tiap Bab yang telah dipaparkan. Yaitu dimana satu kesimpulan diberikan satu saran.


9

Tugas Akhir


BAB II DASAR TEORI

2.1.

TEORI DASAR ENERGI ANGIN Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia.

Sebagaimana telah diketahui, pada asalnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah khatulistiwa yang

panas, udaranya menjadi panas, mengembang dan

menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin misalnya daerah kutub. Sebaliknya di daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun menjadi ke bawah. Dengan demikian terjadinya FTI – Teknik Mesin

10

Tugas Akhir


suatu perputaran udara, berupa perpindahan udara dari kutub utara kegaris khatulistiwa menyusuri permukaan bumi, dan sebaliknya suatu perpindahan udara garis khatulistiwa kembali kekutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Perpindahan udara ini sering dikenal dengan nama angin pasat. Pada dasarnya mempunyai prinsip yang sama yaitu bahwa angin terjadi karena adanya perbedaan suhu udara dibeberapa tempat dipermukaan bumi.

Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat (Sumber : Balai - PPTAGG-UPT UGM Yogyakarta, April 2005)

Gambar 2.1 melukiskan terjadinya angin pasat secara skematik. Angin berjalan dari daerah katulistiwa naik ke atas menuju kutub, dari kutub angin turun kebawah menuju daerah katulistiwa dan seterusnya.


11

Tugas Akhir


Jadi pada prinsipnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu udara di beberapa tempat di permukaan bumi. Eksploitasi terhadap angin memang sudah dilakukan sejak dahulu. Perahu-perahu layar menggunakan energi angin untuk melewati perairan dan lautan. Pada saat itu pasukan Viking yang dikenal atau ditakuti sekian ratus tahun yang lalu mempergunakan kapal-kapal layar kecil untuk menelusuri pantai-pantai Eropa dari Skandinavia. Cristhoper Colombus masih memakai kapal layar besar diabad ke – 15 untuk menemukan benua Amerika.

Gambar 2.2 Deretan kincir angin pembangkit tenaga (Sumber : www.deutchland.com)

Ditemukan kincir angin telah digunakan untuk menggiling tepung yaitu didaerah Persia pada abad ke – 7. Walaupun bentuk kincir-kincir angin ini berlainan dengan kincir-kincir angin Eropa, kincir-kincir angin FTI – Teknik Mesin

12

Tugas Akhir


Persia ini merupakan asal muasal kipas angin Eropa. Kincir angin di Negara Belanda yang dipakai untuk menggerakan pompa irigrasi dan untuk menggiling tepung hingga sampai saat ini masih tetap tersohor, walaupun pada saat ini hanya bisa berfungsi sebagai objek wisata. Akan tetapi, dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi yang bersih dan terbaru oleh zaman, dan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar. Pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut. Selain dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil, penggunaan energi angin diharapkan

dapat meningkatkan efektifitas dan efisiensi sistem

pertanian, yaitu akan meningkatkan produktifitas masyarakat pertanian. Didalam pemanfaatan energi angin ini diperlukan identifikasi pada daerah-daerah berpotensi tinggi agar pemanfaatan energi angin ini lebih kompetitif dibandingkan dengan energi alternatif lainnya. Angin selama ini dipandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat.Secara umum, pemanfaatan tenaga angin di Indonesia memang kurang mendapat perhatian. Sampai tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaga angin hanya mencapai 0.5 MW dari 9.29 GW potensi yang ada ( DESDM, 2005 ).


13

Tugas Akhir


Gambar 2.3 Laju pertumbuhan energi angin tahunan di dunia (Sumber : BTM Consult ApS, Maret 2005)

Untuk mendukung program diversifikasi energi dan Kebijakan Energi Hijau Nasional (Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi), sudah semestinya kajian-kajian pengembangan sumber-sumber energi alternative-khususnya energi terbarukan lebih ditingkatkan untuk berbagai kepentingan. Studi potensi pemanfaatan tenaga angin ini merupakan

satu

tahapan

penting

dalam

pengembangan

dan

pemasyarakatan penggunaan energi terbarukan untuk berbagai kegiatan produktif masyarakat di daerah-daerah di wilayah Indonesia.


14

Tugas Akhir

2.2.


APLIKASI ENERGI ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN Dalam perencanaan kincir angin, adalah penting untuk menjaga

agar perbandinagn daya dan berat sekecil mungkin. Ini mengurangi tegangan yang diakibatkan daya setrifugal sudu. Secara teoritis jumlah daya yang biasa diserap oleh kincir dari kincir angin adalah 59% untuk turbin dengan cerobong dan untuk turbin terbuka kira-kira 50 – 57%, ini karena adanya kebocoran dan efek lain-lain. 2.2.1. Turbin Angin Setiap jenis turbin angin memiliki ukuran dan efisiensi yang berbeda.

Pada umumnya turbin angin yang mempunyai jumlah sudu

banyak (soliditas tinggi) akan mempunyai torsi yang besar. Turbin angin jenis ini banyak digunakan untuk keperluan mekanikal seperti pemompaan air, pengolahan hasil pertanian dan aerasi tambak. Sedangkan turbin angin dengan jumlah sudu sedikit, misalnya dua atau tiga, digunakan untuk keperluan pembangkitan listrik. Turbin angin jenis jumlah sudu sedikit, misalnya dua atau tiga ini mempunyai torsi rendah tetapi putaran rotor yang tinggi. Gambar 2.6 memperlihatkan korelasi antara efisiensi (, TSR = Tip Speed Ratio) dengan torsi (CQ). Gambar ini menjelaskan bahwa rotor dengan jumlah sudu banyak akan mempunyai torsi yang besar tetapi efisiensi tidak terlalu tinggi atau sebaliknya. Jika dikaitkan dengan sumber daya angin, turbin angin dengan jumlah sudu banyak lebih cocok digunakan pada daerah dengan potensi FTI – Teknik Mesin

15

Tugas Akhir


energi angin yang rendah karena rated wind speed-nya tercapai pada putaran rotor dan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sudu sedikit (untuk pembangkitan listrik) tidak akan beroperasi secara effisien pada daerah dengan kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s. Dengan demikian daerah-daerah dengan potensi energi angin rendah, yaitu kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s, lebih cocok untuk dikembangkan turbin angin keperluan mekanikal. Jenis turbin angin yang cocok untuk keperluan ini antara lain american tipe multi blade, cretan sail dan savonius.

Gambar 2.4 Torsi rotor untuk berbagai jenis turbin angin (Sumber : Balai - PPTAGG-UPT UGM Yogyakarta, April 2005) FTI – Teknik Mesin

16

Tugas Akhir


2.2.2. Jenis Turbin Angin Berdasarkan arah sumbu, turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama yaitu : Turbin angin vertikal dan Turbin angin Horizontal. Adapun penjelasan dari tiap-tiap jenis turbin angin tersebut adalah sebagai berikut. 2.2.2.1.

Turbin Angin Vertikal

Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya kelompok horizontal. Yaitu bekerja memutar baik searah jarum jam maupun berlawanan arah jarum jam. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan tanah, seperti pada mixer kocokan telur. 2.2.2.2.

Turbin Angin Horizontal

Turbin angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. (Gambar 2.6) memperlihatkan berbagai jenis turbin angin horizontal. Turbin angin biasanya mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar.


17

Tugas Akhir


Gambar 2.5 Posisi arah angin efektif untuk kincir angin (Sumber : Ads by goggle silicon chip online, 2004)

Turbin angin biasanya mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus dimana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Perputaran sudu dari turbin tersebut pada umumnya bergerah searah dengan poros dan tertopang oleh sudu-sudu dari turbin angin itu sendiri. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar. Berputar bergerak ke kiri atau ke kanan sesuai dengan bentuk tahanan gaya dari sudu-sudu turbin angin.


18

Tugas Akhir


Gambar 2.6 Berbagai jenis turbin angin (Sumber : www.energy.iastate.edu)


19

Tugas Akhir


2.2.3. Efisiensi Rotor Efisiensi rotor ditentukan oleh jenis turbin angin dan kesempurnaan teknologi aerodinamik yang digunakan. Rotor dengan soliditas tinggi mempunyai efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan rotor yang mempunyai soliditas rendah.

Gambar 2.7 Efisiensi rotor dan soliditas rotor (Sumber : Balai PPTAGG-UPT-UGM Yogyakarta, April 2005)

Gambar 2.7 menunjukkan efisiensi rotor berbagai jenis turbin angin. Di sini terlihat bahwa turbin angin kelompok sumbu horizontal pada FTI – Teknik Mesin

20

Tugas Akhir


umumnya memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin angin sumbu vertikal. Dari gambar ini juga terlihat bahwa pada umumnya turbin angin dengan soliditas tinggi mempunyai torsi yang besar, efisiensi rendah serta rated wind speed yang tidak terlalu tinggi. Sehingga terlihat jelas di sini bahwa di daerah-daerah berpotensi energi angin rendah cocok diterapkan teknologi turbin angin multi blade yang dapat digunakan untuk keperluan-keperluan mekanikal, seperti pemompaan air.

Gambar 2.8 Efisiensi rotor untuk berbagai tipe turbin angin (Sumber : Balai PPTAGG-UPT-UGM Yogyakarta, April 2005) FTI – Teknik Mesin

21

Tugas Akhir


Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh energi angina yang tersedia, baik itu untuk kegunaan mekanikal maupun elektrikal, dengan mempertimbangkan efisiensi rotor dan juga efisiensi sistem mekanik. Perkiraan diameter rotor ini tidak terlalu eksak. Kompromi dapat dilakukan dalam rangka optimisasi dengan kekuatan struktur sudu dan juga biaya pembuatan. Dengan efisiensi rotor dan kondisi angin yang sama, semakin besar diameter rotor semakin besar pula energi angin yang dapat diekstrak. Oleh karena itu ukuran rotor menggambarkan berapa besar kapasitas suatu sistem konversi energi angin. 2.2.4. Efisiensi Aerodinamik Yang tak kalah penting dari suatu perancangan sebuah kincir angin adalah Rancangan Aerodinamik. Rancangan aerodinamik yang sangat baik akan meningkatkan efisiensi sudu dan efisiensi rotor. Hal yang harus diperhatikan di sini adalah bahwa optimisasi antara biaya perancangan aerodinamik dengan peningkatan daya yang dihasilkan harus cukup rasional. Perhitungan efisiensi rotor kadang kala membutuhkan komputasi dengan biaya tinggi dan waktu yang lama. Hal ini tentu tidak perlu dilakukan jika peningkatan efisiensinya tidak sebanding. Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat baik biasanya menghasilkan geometri sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang kompleks tentu akan mempertinggi tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan. Dengan demikian pertimbangan aerodinamik FTI – Teknik Mesin

22

Tugas Akhir


yang tepat diharapkan dapat memberikan rekomendasi bentuk sudu dan rotor yang tepat yang memiliki efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu (baik mekanikal maupun elektrikal), sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi untuk desain dan pembuatan. Secara teknis rancangan aerodinamik yang baik akan memberikan keluaran berupa distribusi sudut pasang dan distribusi panjang chord sudu yang tepat. Perancangan aerodinamik lebih lanjut akan menyarankan modifikasi airfoil (bentuk irisan melintang sudu) menjadi bentuk yang tidak konvensional. Bahkan pada tahap desain lanjut dapat juga diciptakan bentuk-bentuk airfoil baru yang tidak sama distribusinya dari pangkal hingga ke ujung sudu. Secara ideal bentuk airfoil sudu harus mempunyai efisiensi aerodinamik yang paling tinggi. Tetapi pembuatannya secara teknis cukup sulit dan membutuhkan biaya yang tinggi. Untuk penerapan yang praktis ekonomis, biasanya dipilih rancangan aerodinamik yang optimal.

2.3.

TEORI GAMBAR TEKNIK DASAR Gambar merupakan sarana komunikasi yang penting dalam dunia

teknik, terutama teknik mesin. Memahami suatu gambar tidak lepas dari bagaimana cara gambar tersebut dibuat. Saling keterkaitan informasi atara pembuat gambar, pembaca gambar, dan pembuat produk yang ada dalam gambar sangatlah dibutuhkan. Oleh karena itu dibutuhkan suatu


23

Tugas Akhir


pemahaman atau persepsi yang sama antara drafter dengan orang lapangan. Saat ini ada ratusan lebih organisasi penyetandar penyelaras. Masing-masing negara memiliki setidaknya satu organisasi standar untuk dipakai sebagai referensi standar dalam pembuatan ataupun perancangan dari sebuah produk. Di Indonesia sendiri memiliki SNI (Standar Nasional Indonesia) yang berfungsi sebagai penyetandar kualitas dari suatu produk yang akan dikonsumsi oleh konsumen dalam negeri. Namun sayangnya SNI itu sendiri masih mengacu pada organisasi standar-organisasi standar asing seperti ISO, JISC, AFNOR, DIN, BSI, BIS, CEN, SCC, ASME/ACME dan lain-lain. Untuk masa yang akan datang diharapkan Indonesia mampu berdiri sendiri dengan SNI-nya sehingga dapat menjadi pioneer bagi negara-negara lain, seperti yang terjadi pada organisasi standarisasi milik negara Jepang contohnya sering digunakan oleh negara-negara lain selain Jepang. SNI diharapkan paling tidak diakui dan dihargai oleh negara-negara tetangga yang berada di kawasan Asia Tenggara. Adapun untuk gambar teknik itu sendiri, pada umumnya para desainer ataupun para drafter di Indonesia mengacu pada standar internasional dan negara-negara asing seperti misalnya ISO, JISC, AFNOR, DIN, BSI, BIS, CEN, SCC, ASME dan lain-lain. Namun pada dunia pendidikan lebih ditekankan pada pengenalan standar Internasional yaitu ISO (International Standard Organization).


24

Tugas Akhir


Tabel 3 Contoh Organisasi Standarisasi Nasional dan Internasional Negara

Organisasi Standarisasi

ANSI/ASME USA SCC Canada AFNOR France JISC Japan DIN Germany BSI United Kingdom BIS India SNI Indonesia CEN Europe ISO Worldwide (Sumber: Piping System, Teguh, Ir.,Msi, 2008) 2.3.1. Kertas Gambar Seperti yang sudah disepakati bersama, bahwa kita akan membahas salah satu standar yang akan dipakai untuk menggambar Gambar Dasar Perancangan Kincir Angin MB 12-7, yaitu standar internasional ISO (International Standard Organization). Seiring dengan kemajuan teknologi dan ilmu pendidikan, yang pada mulanya merancang atau mendesain suatu gambar yang hampir pada umumnya menggunakan tangan atau yang dikenal dengan metode handwriting. Pada saat ini, kita sudah tidak perlu lagi repot-repot mendesain dan menggambar menggunakan manual tangan. Kini sudah dapat dengan mudah menggunakan tools atau software pada komputer. Yang sering dikenal pada dunia teknik, khususnya teknik mesin adalah AutoCAD, AutoCAD Mechanical, Mechanical Desktop, DWG editor dan lain-lain. Dengan adanya teknologi tersebut maka kita dipermudah untuk FTI – Teknik Mesin

25

Tugas Akhir


dapat mendesain dan menggambar menggunakan bantuan komputer sehingga

menghasilkan

gambar

yang

berkualitas

dengan

tingkat

kepresisian yang tinggi. Desain ataupun gambar itu sendiri dapat dilakukan dalam ruang lingkup dua dimensi ataupun tiga dimensi yang keduanya dapat dengan mudah diakses menggunakan software tersebut di atas. Tabel 4 Ukuran Kertas Gambar Standar ISO Ukuran Kertas A0 A1 A2 A3 A4 A5

Jarak Garis Jarak Garis Tepi Terbesar Tepi Terkecil (mm) (mm) 841 1189 30 20 594 841 30 15 420 594 25 10 297 420 20 10 210 297 15 5 148 210 15 5 (Sumber: Gambar Teknik Dasar, Daniel, Ir., MM., 1998) Lebar (mm)

Panjang (mm)

Dalam menggambar menggunakan standar ISO, dikenal media gambar berupa kertas. Baik itu jenis HVS, Kalkir ataupun yang lainnya dengan ukuran-ukuran tertentu sesuai dengan kaidah standar ISO. Adapun ukuran dari kertas-kertas standar ISO dapat dilihat pada tabel 4. 2.3.2. Garis Secara garis besar, garis dalam suatu gambar teknik khususnya gambar teknik mesin, dibagi menjadi dua yaitu garis tebal dan garis tipis. Pada umumnya penggunaan garis tebal dan garis tipis dapat digunakan perbandingan antara keduanya yaitu 1 : 0,5.

Tabel 5 Spesifikasi Garis FTI – Teknik Mesin

26

Tugas Akhir

No. 1

2

3

4

5

6

7

Nama Garis Garis Tebal


Gambar

Ketebalan (mm)

    

Garis tepi gambar Garis nyata (terlihat) Huruf dan Angka Garis Tipis 0,1 ~ 0,4 Garis khayal Garis bantu penunjukan ukuran  Garis ukuran  Garis arsir  Garis nyata pada potongan yang diputar di tempat  Garis penunjuk  Garis sumbu pendek Garis Tipis Bebas 0,1 ~ 0,4  Garis bilangan garis pada potongan lokal  Garis penggambaran gambar yang diperpendek Garis Gores Sdg 0,3 ~ 0,5  Garis untuk menun/ Garis Putusjukan besar pandaputus ngan yang Sedang terhalangi oleh suatu bidang Garis Bertitik 0,5 ~ 0,8  Garis pada gambar Tebal yang menunjukan permukaan akan mendapatkan pengerjaan lanjutan Garis Strip Titik 0,1 ~ 0,3  Garis yang menunTipis jukan garis sumbu  Garis yang menunjukan benda yang simetris Garis Strip Titik 0,1/0,5 ~  Garis yang menunUjung Tebal 0,4/1,0 jukan simbol letak pemotongan  Garis penampang (Sumber: Gambar Teknik Dasar, Daniel, Ir., MM., 1998)


0,5 ~ 1,0

Aplikasi Penggunaan

27

Tugas Akhir


Secara garis besar, garis dalam suatu gambar teknik khususnya gambar teknik mesin, dibagi menjadi dua yaitu garis tebal dan garis tipis. Pada umumnya penggunaan garis tebal dan garis tipis dapat digunakan perbandingan antara keduanya yaitu 1 : 0,5. Garis adalah suatu objek gambar yang berupa kumpulan titik-tikik yang dibentuk menjadi sebuah kurva baik itu berupa garis lurus maupun garis lengkung. Dalam proses pembuatan gambar terutama sebuah gambar teknik diperlukan adanya garis-garis untuk memberikan informasi yang memadai kepada para pembaca gambar (Ir. Daniel, MM.; 1998). Adapun jenis-jenis garis dalam gambar teknik dasar maupun gambar teknik mesin dibagi menjadi empat pokok utama, yaitu: Garis Nyata, Garis Gores, Garis Bergores, dan Garis Bergores Ganda. Dengan rincian seperti pada tabel 5. 2.3.3. Huruf dan Angka Huruf dan angka dalam suatu gambar tidak dapat terlepas begitu saja. Ada kaidah-kadiah tertentu sesuai dengan standar apa yang digunakan dalam pembuatan gambar itu sendiri. Untuk huruf dan angka di dalam standar ISO itu sendiri dibedakan menjadi dua, yaitu huruf dan angka tegak dan huruf dan angka miring. Dan juga dibagi lagi menjadi tipe A dan tipe B.


28

Tugas Akhir


Tabel 6 Ukuran Huruf dan Angka Standar Perbandingan Sifat Tipe A

Tinggi huruf atau angka

Tipe B

h

h

Tinggi huruf kecil

10/14 h

7/10 h

Jarak antara huruf

2/14 h

2/10 h

Jarak antara garis

20/14 h

14/10 h

Jarak antara kata

6/14 h

6/10 h

Tebal huruf

1/14 h

1/10 h

(Sumber: Gambar Teknik Dasar, Daniel, Ir., MM., 1998)

Perbandingan lebar dan tinggi huruf adalah salah satu yang dapat membedakan dari tipe A ataupun tipe B. Perbandingan lebar dan tinggi huruf diambil dari perbandingan ukuran kertas gambar yaitu 2:1. Seperti yang dijelaskan pada tabel 6 tersebut di atas. Mengenai perbedaan tipe A dengan tipe B dapat dilihat pada tabel 7 berikut.


29

Tugas Akhir


Tabel 7 Perbandingan Huruf dan Angka Tipe A dengan Tipe B TIPE A Sifat Tinggi huruf atau angka Tinggi huruf kecil Jarak antara huruf Jarak antara garis Jarak antara kata Tebal huruf

Perbandingan

Ukuran (mm)

h 2,5 3,5 5 10/14 h 2,5 3,5 2/14 h 0,35 0,5 0,1 20/14 h 3,5 5 7 6/14 h 1,05 1,5 2,1 1/14 h 0,18 0,25 0,35

7 5 1 10 3 0,5

10 7 1,4 14 4,2 0,7

14 10 2 20 6 1

20 14 2,8 28 8,4 1,4

TIPE B Sifat

Perbandingan

Ukuran (mm)

Tinggi huruf atau angka h 2,5 3,5 5 7 Tinggi huruf kecil 7/10 h 2,5 3,5 5 Jarak antara huruf 2/10 h 0,5 0,7 1 1,4 Jarak antara garis 14/10 h 3,5 5 7 10 Jarak antara kata 6/10 h 1,5 2,1 3 4,2 Tebal huruf 1/10 h 0,25 0,35 0,5 0,7 (Sumber: Gambar Teknik Dasar, Daniel, Ir., MM., 1998)


10 7 2 14 6 1

14 10 2,8 20 8,4 1,4

20 14 28 1,2 12 2

30

Tugas Akhir


BAB III JENIS-JENIS KINCIR ANGIN

3.1.

KINCIR ANGIN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK Kincir angin untuk pembangkit listrik adalah alat bantu yang

digunakan untuk menggerakkan generator dan membangkitkan tenaga listrik dengan memanfaatkan energi angin sebagai penggerak poros kincir dengan bantuan sudu rotor atau blade. Kincir angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kincir angin dalam sistem ini berfungsi sebagai penggerak mula dari generator. FTI – Teknik Mesin

31

Tugas Akhir


Gambar 3.1 Rangkaian Kincir Angin untuk Pembangkit Listrik (Sumber : Energi Angin, Kadir A., UI-Pres. 243257-1987)

Komponen-komponen pendukung selain kincir angin dengan sudu tertentu dalam sebuah perancangan kincir angin sebagai pembangkit listrik diantaranya adalah Generator, Battery charger, Bridge Rectifier, AVR dan Accumulator. 3.1.1. Generator Generator merupakan sumber utama energi listrik yang banyak dipakai pada masa sekarang ini dan merupakan komponen converter terbesar di dunia yang dikenal dengan dua jenis generator yaitu generator AC dan generator DC. Pada prinsipnya tegangan arus yang dihasilkan oleh

generator

menghasilkan

bersifat

tegangan

bolak-balik, searah

sedangkan

karena

telah

generator

mengalami

yang proses

penyearahan arus. Generator adalah suatu mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga FTI – Teknik Mesin

32

Tugas Akhir


memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan Fleming berlaku pada generator dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi.

motion or force F

Gambar 3.2 Kaidah tangan kanan Fleming (Sumber : Balai - PPTAGG-UPT UGM Yogyakarta, April 2005)

Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan. Jumlah tegangan yang diinduksikan pada penghantar saat penghantar bergerak pada medan magnet tergantung pada :


33

Tugas Akhir


1. Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang diinduksikan.

2. Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, makin cepat maka semakin besar tegangan yang diinduksikan.

3. Sudut perpotongan, pada sudut 90 derajat tegangan induksi maksimum dan tegangan kurang bila kurang dari 90 derajat.

4. Panjang penghantar pada medan magnet. Terdapat dua jenis konstruksi dari generator (AC), jenis medan magnet diam dan medan magnet dibuat berputar. Pada medan magnet diam secara umum kapasitas ampere relatif kecil dan ukuran tegangan kerja rendah, jenis ini mirip dengan generator DC kecuali terdapat slips ring sebagai alat untuk pengganti komutator. Sedangkan pada generator jenis

medan

magnet

berputar

dapat

menyederhanakan

masalah

pengisolasian tegangan yang dibangkitkan secara umum sebesar 18.000 volt sampai 24.000 volt, generator medan berputar mempunyai jangkar diam yang disebut stator. Siklus tegangan yang dibangkitkan tergantung pada jumlah kutub yang digunakan pada magnet, pada generator yang menggunakan dua kutub dapat membangkitkan satu siklus tegangan sedangkan pada generator dengan empat kutub dapat menghasilkan dua siklus tegangan. Sehingga terdapat perbedaan antara derajat mekanis dan derajat listrik. Derajat mekanis adalah apabila kumparan atau penghantar jangkar berputar satu kali penuh atau 360 derajat mekanis


34

Tugas Akhir


sedangkan derajat listrik adalah jika GGL atau arus bolak-balik melewati satu siklus berarti telah melewati 360 derajat waktu. 3.1.2. Battery Charger Pengertian dari battery charger adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengisi battery dengan arus konstan hingga mencapai tegangan yang ditentukan. Bila level tegangan yang ditentukan itu telah tercapai, maka arus pengisian akan turun secara otomatis ke level aman tepatnya yang telah ditentukan dan menahan arus pengisian hingga menjadi lebih lambat sehingga indikator menyala menandakan battery telah terisi penuh. 3.1.3. Bridge Rectifier Untuk mengantisipasi adanya tegangan bolak-balik dari output tegangan generator maka perlu diberikan suatu penyearah tegangan. Pada umumnya, penyearah arus dan penyetabil tegangan atau yang biasa kita kenal dengan sebutan AVR itu menggunakan rangkaian bridge rectifier. Jika generator yang kita gunakan merupakan genererator AC (Alternator) maka harus menggunakan suatu rangkaian penyearah sebelum masuk ke rangkaian kontrol battery charger. Namun, meskipun menggunakan generator DC penggunaan rangkaian rectifier dapat diimplementasikan untuk mengantisipasi tegangan bolak-balik seperti yang telah disebutkan diawal. Contoh dari rangkaian bridge rectifier dalam sebuah rancangan Kincir angin untuk pembangkit listrik ini dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut ini: FTI – Teknik Mesin

35

Tugas Akhir


Gambar 3.3 Contoh rangkaian Bridge Rectifier (Sumber : NITTETSU ELEX CO. LTD., Cycle Tester Accumulator Charge and Discharge Test System, Japan.)

3.1.4. Accumulator Accumulator atau sering disebut accu (=aki) adalah alat penyimpan arus listirk dan juga merupakan salah satu komponen utama dalam kendaraan bermotor, baik mobil atau motor. Hampir semua kendaraan bermotor memerlukan aki untuk dapat menghidupkan mesin kendaraan pada saat awal menghidupkan mesin (mencatu arus pada dinamo stater motor kendaraan). Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi energi listrik.


36

Tugas Akhir


Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiaiwi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia pada elemen primer menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksi (elemen kering). Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros, contoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells). Elemen sekunder dalam pemakaiannya harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan arus listrik (secara umum dikenal dengan istilah 'di-charge'). Akan tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulang kali. Elemen sekunder ini lebih dikenal dengan aki. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging).


37

Tugas Akhir

3.2.


KINCIR ANGIN UNTUK POMPA AIR Kincir Angin untuk pompa air biasa seing dijumpai di daerah-daerah

tertanian yang memiliki energi angin berkecepatan antara 2m/detik sampai dengan 6m/detik. Serta memiliki sumber air seperti danau atau sumur unuk kepentingan irigasi. Pompa air tenaga angin mekanik biasanya menggunakan kincir angin tradisional yang dapat berputar pada kecepatan angin yang relatif rendah. Kincir angin seperti ini sering disebut old american windmill atau american type windmill. Sesuai dengan fungsinya, maka konstruksi dari kincir angin untuk pompa air ialah kincir yang memiliki jumlah sudu-sudu atau blade yang banyak sehingga menghasilkan putaran rendah namun torsi yang besar. Torsi yang besar tersebut yang akan dimanfaatkan untuk keperluan menggerahan pompa air yang debit air berkisar antara 2 liter sampai dengan 8 liter air per detik. Pompa air tenaga angin jenis ini mulai digunakan di Amerika pada akhir abad ke 19 untuk kebutuhan air rumah tangga dan pembuatan rel kereta api. Selama kurang lebih 100 tahun terakhir ini, sudah lebih dari 8 juta kincir angin seperti ini dibuat di Amerika. Desainnya sudah terbukti berhasil sehingga banyak ditiru di seluruh dunia. Kincir angin jenis ini menggerakkan pompa piston yang dihubungkan menggunakan batang penghubung.


38

Tugas Akhir


Kincir angin tradisional biasanya mempunyai sudu sederhana yang terbuat dari plat melengkung berjumlah banyak, sekitar 5 sampai dengan 18 buah. Yang lebih modern sekarang menggunakan sudu berbentuk airfoil dan jumlahnya tidak begitu banyak. Namun demikian, aplikasi penggunaan tetap dijadikan acuan utama dalam menentukan berapa jumlah sudu yang akan digunakan.

Gambar 3.4 Contoh Kincir Angin sebagai Pompa Air (Sumber: International Energy Agency – IEA, 2004)


39

Tugas Akhir


Salah satu masalah pada penerapan pompa angin mekanik ini adalah lokasi instalasi. Kincir angin harus dipasang langsung di atas borehole atau sumber air. Sedangkan lokasi sumber air yang baik belum tentu merupakan lokasi sumber daya angin yang baik pula. Secara umum, pompa angin mekanik baik untuk kecepatan angin rendah karena soliditas rotor yang tinggi, yang membatasi kecepatan pompa piston sampai 40 sampai dengan 50 stroke per menit. Effisiensi konversi pompa air tenaga angin mekanik biasanya berkisar antara 7% sampai dengan 27% (Argaw, 2003). Suatu hal yang menarik untuk dipelajari dan disimak serta sesuai dengan disiplin ilmu pengetahuan yang berbasis teknik mesin adalah mengenai sebuah pompa air yang menggunakan angin sebagai energi penggerak pompa. Kami, Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin angkatan ke 7, Fakultas Teknologi Industri Program Kelas Karyawan Universitas Mercu Buana antusias dan optimis untuk mengangkat sebuah proyek tugas akhir bersama yaitu pembuatan sebuah windmill yang berbentuk kincir angin yang berfungsi sebagi pompa air dengan nama Kincir Angin MB 12-7.


40

Tugas Akhir


BAB IV PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR

4.1.

PENGAMBILAN DATA DAN PERHITUNGAN

4.1.1. Data dan Analisa Kecepatan Angin Pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin dan perbedaan tekanan udara, dimana angin pada siang hari berhembus dari laut ke darat, biasa disebut angin darat, sedangkan dimalam hari angina berhembus dari darat ke laut yang disebut angin laut.


41

Tugas Akhir


Sebagai bahan studi untuk perancangan Kincir Angin MB 12-7, maka diperlukan data angin yang valid dan dapat dipertanggung jawabkan kebenarannya sehingga tujuan utama perancangan kincir angin ini yang akan diapikasikan untuk menggerakkan pompa air, penulis mengambil data kecepatan angin dari stasiun pemantau cuaca Badan Meteorologi dan Geofisika (BMG) yang berlokasi di wilayah Ciledug. Data angin ini merupakan data yang diambil dalam lima tahun terakhir. Untuk kepentingan penulisan tugas akhir ini penulis mengambil sampel data angin pada tahun 2008. Dari pengamatan di lapangan, potensi keadaan angin wilayah Jakarta, khususnya di daerah Meruya tidaklah sebesar di daerah pesisir pantai wilayah Banten, Jakarta dan Jawa Barat, tetapi secara prinsip laju kecepatan angin yang ada di daerah ini mampu untuk memutarkan Kincir Angin MB 12-7 yang telah kami buat. Data angin dari tahun ke tahun tidak selalu berada dalam garis lurus, tetapi kondisi aktual angin terjadi fluktuasi kecepatan angin yang berhembus. Data aktual mengenai kecepatan angin dapat lihat pada lampiran. Dengan mengetahui kecepatan angin tersebut, maka mudah untuk mengetahui daya yang akan dihasilkan oleh kincir angin, dalam hal ini untuk menggerakkan pompa air. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).


42

Tugas Akhir


Tabel 8 Kecepatan Rata-rata Angin Tiap Bulan pada Tahun 2008 V rata –rata Bulan (knot) Januari

3,0

Februari

2,5

Maret

2,6

April

3.5

May

3,0

Juni

3,0

July

3,0

Agustus

5,7

September

4,9

Oktober

5,8

November

4,3

Desember

6,5

V Rata-rata

3.9

tahun 2008

(Sumber: BMG Ciledug tahun 2008)

Kecepatan angin rata-rata selama satu tahun (2008) = 3.9 knot <=>

3.9 x1853  2.0 m/detik 3600

Kecepatan angin minimum (Bulan Februari 2008) <=>


= 2.5 knot

2.5 x1853  1.3 m/detik 3600

43

Tugas Akhir


Angin adalah udara yang bergerak dengan kecepatan tertentu, jika udara dengan suatu massa m bergerak dengan kecepatan v, angin mempunyai energi kinetik yang dinyatakan dengan persamaan:

Ek 

1 m.v 2 2

...................................................

(4.1)

Dimana, Ek = Energi kinetik (J) m = Massa udara (kg) v

= Kecepatan udara (m/detik)

Jika udara dengan kerapatan ρ, maka, Energi Kinetik per volume diperoleh persamaan sebagai berikut:

Ev 

1  .v 2 2

(J/m3) .....................................................

(4.2)

Dimana, ρ = Massa jenis udara (kg/m3) v


Untuk area yang tegak lurus terhadap arah angin, maka aliran udara yang melewati area A adalah:

v

= v.A (m3/detik)


.........................................

(4.3)

44

Tugas Akhir


Dimana, v


A = Area (m2) Maka daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A dinyatakan dengan persamaan:

P

1  .v 3 . A ( W ) 2 

..........................................

1 A   .d 2 4

...............................

(4.4)

(4.5)

Dimana, ρ = Massa jenis udara (kg/m3) v


A = Area rotor (m2)

Dari persamaan di atas maka dapat disimpulkan bahwa:  Daya angin berbanding lurus dengan berat jenis udara,  Daya angin berbanding lurus dengan area rotor,  Daya angin bervariasi sesuai kecepatan angin yang ada, jika kecepatan angin naik maka dayanya akan naik.

4.1.2. Perencanaan Perhitungan 4.1.2.1.

Daya Kincir Angin

Untuk mengetahui rencana daya yang bekerja pada Kincir Angin MB 12-7 telah diperoleh data-data sebagai berikut: FTI – Teknik Mesin

45

Tugas Akhir


 Kecepatan angin rata – rata (v)

: 2.0 m/detik

(Data diambil dari kecepatan angin rata-rata pada tahun 2008)  Diameter rotor (d)

:5m

1 Luas rotor (A)   .5 2  19.63 m2 4  Massa jenis udara (ρa)

: 1.3 kg/m3

 Kecepatan angin rancangan (v0)

: 5 m/detik


: 2 m/detik

 Massa jenis air (ρw)

: 995.7 kg/m3

 Head total pompa (H)

: 5.0332 m

1 2 P =  . a .vo . A.v 2

...................................................

Dimana nilai efisiensi didapat dari

Maka PKincir Angin 4.1.2.2.

= 0.4 x

(4.6)

2 x100%  40% 5

1 510.38 x1.3x5 2 x19.63x 2   255.19 W 2 2

Daya Pompa

Perencanaan perhitungan daya pompa dapat menggunakan persamaan sebagai berikut:

PPump   w .g .H .Q

..................................................

(4.7)

Untuk perhitungan di atas telah diketahui data-data sebagai berikut:  Massa jenis air ( ρ )

: 995.7 kg/m3

 Percepatan gravitasi ( g )

: 9.8 m/detik2

 Head pompa ( H )

: 5.01432 m


46

Tugas Akhir


 Debit air ( Q )

: 0.0029 m3/detik

 Efisiensi ()

: 90% = 0.9

PPump  995.7 x9.8 x5.01432 x0.0029  142 W (daya total pompa) Maka, Ppump = 142/0.9 = 157.77 W Sedangkan untuk mengetahui berapa banyak jumlah air yang dapat diangkat oleh pompa dalam satu kali langkah piston dari Titik Mati Bawah (TMB) sampai ke Titik Mati Atas (TMA), maka dapat menghitung dengan mencari selisih volume silinder pompa dengan volume piston, sebagai berikut : V = VSil - VPis

....................................................

(4.8)

Dan dengan data-data perhitungan sebagai berikut:  Diameter silinder pompa (dsil) : 6” = 0.1524 m  Panjang langkah piston (L)

: 0.32 m

 Diameter piston (dpis)

: 0.1514 m

 Tinggi piston (t)

: 75 mm = 0.075 m

Maka volume air (V) yang dihasilkan dalam satu langkah piston adalah:

1  1 2 2  Vair    .d s .L     .d p .t  4  4 

1  1    x3.14 x0.1524 2 x0.32    x3.14 x0.1514 2 x0.075  4  4   0.0058  0.0013  0.0045 m3


47

Tugas Akhir


Jadi dapat disimpulkan bahwa jumlah volume air yang dihasilkan dalam satu langkah piston adalah : 0.0045 m3 atau setara dengan 4,5 liter air. 4.1.2.3.

Daya yang Dibutuhkan oleh Pompa

Daya yang dibutuhkan (P) adalah daya aktual yang diberikan oleh suatu penggerak pada pompa. Tingkat efisiensi pompa piston cukup tinggi jika dibandingkan dengan pompa sentrifugal, rata–rata tingkat efisiensinya () mencapai 90 %

(sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy,

1983). Sehingga dapat dihitung berapa daya (P) minimum yang harus dihasilkan kincir untuk menggerakkan pompa. P

PPump



............................................................

(4.9)

Diketahui data-data untuk perhitungan di atas adalah: 

Ppump : 191.54 W

 η

: 90 %

P

191.54  212  82 W 0.9

Maka dengan hasil ini, daya yang dihasilkan kincir angin (255.19 W) untuk menggerakkan pompa masih lebih besar dari daya yang diperlukan pompa (212.82 W) . 4.1.2.4.

Torsi Kincir Angin

Besarnya torsi yang dihasilkan oleh kincir angin tergantung pada kecepatan angin yang ada di daerah tersebut. Torsi merupakan hasil dari


48

Tugas Akhir


gaya kerja blade pada arah tangensial. Daya yang diekstrak oleh rotor dari energi angin kemudian diteruskan ke pompa air. Daya ini merupakan hasil dari perkalian torsi (T) dan kecepatan sudut (Ω), yang dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

T

P 

..............................................................

 

v r

...................................................

(4.10)

(4.11)

Seperti yang telah dibahas pada bab sebelumnya bahwasanya kincir angin dengan jumlah blade sedikit akan menghasilkan putaran yang cepat dengan torsi yang kecil, sedangkan kincir angin dengan jumlah blade banyak akan menghasilkan putaran lambat dengan torsi yang besar. Kincir angin dengan beban torsi yang besar akan memiliki kecepatan sudut yang rendah (sebagai contoh untuk pompa piston), sedangkan kincir angin yang memiliki kecepatan sudut tinggi hanya akan menghasilkan torsi yang kecil (contoh untuk pompa centrifugal dan generator listrik). Untuk perhitungan torsi telah diketahui data-data sebagai berikut:  Daya kincir angin (Pka)

: 255.19 W


: 2.0 m/detik

 Jari – jari rotor (r)

: 2.5 m


49

Tugas Akhir

Dengan ,  

Maka T 

4.2.


2.0  0.8 rad/detik 2.5

255.19  318.99 N.m 0.8

PERENCANAAN DESAIN GAMBAR Gambar merupakan syarat awal dalam membuat atau merancang

sebuah alat. Dalam pembuatan gambar dibutuhkan alat gambar guna mendukung kelancaran proses menggambar. Pada proses pembuatan gambar perencanaan Kincir Angin MB 12-7 ini, penulis menggunakan tool berupa software komputer yaitu AutoCAD ver 2008. Detail gambar dilampirkan dalam format PDF.

4.3.

PERENCANAAN PEMBUATAN Dalam perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7, kami

Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin angkatan ke 7 Fakultas Teknologi Indusri Program Kuliah Kelas Karyawan Universitas Mercu Buana, mengacu pada Prototype windmill pertama telah dibuat dengan diameter 4 meter, 16 rotor blade, yang mana windmill tersebut hasil dari kursus pendidikan WOT. WOT

adalah

organisasi

non

profit

di

Twente

University,

memberikan saran teknis dalam ruang lingkup wind energy, solar energy dan supply air. Pelebaran objektivitasnya memperbaiki posisi bagian yang lebih lemah dalam kemasyarakatan dan saran seharusnya dihargai pada FTI – Teknik Mesin

50

Tugas Akhir


keadaan lokal dan sekitar. Untuk mendukung saran teknis WOT melakukan pengujian lapangan dimana bermacam rancangan

sedang

dikembangkan dan diujikan. WOT adalah pusat dari organisasi sukarela dan terdiri atas pelajar dari universitas. Beberapa staff anggota memelihara administrasi dan teknikal support. Kemudian dari proyek Tugas Akhir yang telah disepakati bersamasama dari pihak Mahasiswa dan Universitas itu merupakan awal kesempatan yang bermanfaat untuk memadukan rancangan yang dikembangkan oleh kursus pendidikan WOT. Oleh WOT sendiri, sebelumnya rancangan windmill tersebut pernah gagal karena rotor berputar terlalu pelan (lemah), terlalu rumit dan terlalu mahal. Maka sesuai estimasi, diameter windmill 4 meter agaknya terlalu kecil untuk mencapai tujuan. Jadi setelah beerapa masalah tersebut yang merupakan pengalaman dengan prototype pertama menyebabkan rancangan ulang yang lengkap. Pada tabel 9 berikut ini adalah jadwal skejul rencana pembuatan Kincir Angin MB 12-7 yang telah kami buat dan kami dirikan di lingkungan kampus Universitas Mercu Buana Jakarta. Dimana dari awal kami merencanakan sampai akhirnya diresmikan pada tanggal 21 Juni 2009 oleh Bapak Direktur Program Kelas Karyawan Universitas Mercu Buana dan Bapak Kepala Program Studi Teknik Mesin Program Kelas Karyawan Universitas Mercu Buana.


51

Tugas Akhir


Tabel 9 Jadwal Pelaksanaan Pembuatan Kincir Angin MB 12-7

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Kegiatan

Feb

Waktu Pelaksanaan (th 2009) Maret April Mei Juni

Juli

Perencanaan perancangan Pembuatan Gambar Perizinan kampus Analisa biaya & keuntungan Pengumpulan dana swadaya Pencarian literatur Data angin dari BMG Analisa angin Meruya dsk Analisa perancangan Pembuatan tower Pembuatan head’s const Pembuatan rotor & blade Pembuatan pompa Pengecatan & hak patent Pembagian judul Skripsi Asistensi TA/Skripsi Pembuatan fondasi sumur Pendirian kincir angin Peresmian kincir angin Sidang Skripsi Keterangan: Rencana Pelaksanaan Aktual Pelaksanaan

(Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)


52

Tugas Akhir


Hasil rancangan ulang yang lengkap merupakan gambar-gambar set dari konstruksi tower, konstruksi kepala, bagian yang bergerak dan wind wheel dengan diameter baru yaitu 5 meter, 12 blade. Oleh karena itulah kincir angin buatan kami diberi nama Kincir Angin MB 12-7, maksudnya adalah Kincir Angin Mercu Buana dengan 12 blade oleh Teknik Mesin angkatan ke 7. Disamping itu juga bangunan kecil manual dari prototype yang baru telah diperbaiki, tapi sebenarnya set secara total belum begitu lengkap. Rancangan dan gambar-gambarnya tetap masih penting dan bagian yang diperlukan oleh alat dengan kekuatan angin pengangkat air, pompa, dan seterusnya. 4.3.1. Konstrksi Tower Konstruksi tower atau menara terdiri dari empat bagian plat besi yang terbagi disusun. Bagian diagonal dari bagian bawah tower menyediakan fasilitas tangga untuk mencapai puncak tower. Untuk alasan estetika dasar pengukuran tower telah dikurangi dari 2,50 meter menjadi 2,0 meter pada sumur yang berdiameter kurang lebih 1,8 meter. Penggunaan besi siku berukuran 40 mm untuk empat kaki tower mengurangi berat yang dipertimbangkan, tapi kaki tersebut menjadi lebih ramping, yang mana ruangan berlebih pada stukturnya harus diperkuat supaya

pencapaian

kecukupan

kekuatan

dari

seluruh

konstruksi.

Bagaimanapun kesederhanaan keaslian konstruksi akan tergantikan dalam kerumitan yang muncul selama pembuatan dan hasil. Hak untuk melakukan modifikasi berat tower telah dikurangi dari kira-kira 225 kg FTI – Teknik Mesin

53

Tugas Akhir


sampai dengan 125 kg. keuntungan lainnya adalah tower akan sangat mudah ditangani selama pengangkutan dan pemasangan, sementara kekuatannya hampir sama.

Konstruksi Tower oleh WOT

Konstruksi Tower MB 12-7

Gambar 4.1 Perbendaan ekstrim Konstruksi Tower (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009) 4.3.2. Head’s Construction Beberapa part kecil dalam rangka kerja pada head’s construction atau rangka atas telah banyak perbedaan dengan prototype windmill yang dipopulerkan oleh WOT.


54

Tugas Akhir


Gambar 4.2 Head’s Constructions (Konstruksi Rangka Atas) (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

Perubahan Yang paling penting dan berharga telah mengurangi panjang total dari ekor. Ini dilakukan supaya menghasilkan stuktur keseimbangan yang lebih baik dengan panjang 0,8 D dan hasil kendali yang lebih baik. Rumah bearing yang lebih lebar dapat bermanfaat untuk mendukung bearing belakang. Flange support yang terbuat dari besi siku 40 x 40 mm dipusatkan didepan rangka atas agar dapat menghasilkan keseimbangan antara baling-baling dengan ekor.


55

Tugas Akhir


Gambar 4.3 Profil Gigi pada Komponen Pengunci (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

Kuncian ini dipasang agar mencegah arah putaran yang tidak menentu dari rangka atas selama terjadi angin yang berlebih atau bahkan badai yang disertai dengan perubahan arah angin secara tiba-tiba. Tail dan head akan bergerak berpisah, yang apabila tidak diberikan plat pengunci

dapat

menghasilkan

tubrukan

yang

sangat

kuat

yang

mengakibatkan kerusakan terhadap kedua part tersebut. Selama gerakan, pengaman yang memiliki profil gigi mencegah gerakan terpisah dan tidak akan

mengizinkan

head’s

construction

berputar

kembali

dengan

mengarahkan ke konstruksi ekor. Windwheel berputar searah jarum jam yang dihubungkan dengan crankpin terbaut, ini akan lebih mudah untuk perawatannya, tapi


56

Tugas Akhir


membalikan arah putaran rangka atas dengan memperhatikan ekor juga akan menuju prestasi yang sama. Saat ini, rangka atas berputar berlawanan arah jarum jam diluar angin (apabila dilihat dari pandangan atas). Agar memperoleh ektra pergeseran yang dibutuhkan untuk damping disebabkan oleh moment gyroscopic. Walaupun windwheel menjauhi angin oleh fungsi steering ekor, oleh karena hembusan angin yang keras maka ekor dapt kembali ke posisi tegak lurus dengan konstuksi rangka atas. Untuk mencegah kerusakan maka ditambahlah kekakuan dengan memalu profil blade pada bagian

luar ring blade support. Hal ini akan menggangu airfoil yang

mengakibatkan berkurangnya efisiensi. Kemungkinan lainnya adalah menjaga windwheel bergerak tetap ringan walaupun dalam angin yang besar. Kemungkinan bisa saja angin datang dari belakang. Ini tidak akan bermasalah karena windwheel berputar keluar angin kurang dari 90 derajat. Selain itu rotor dijaga agar tetap berputar searah jarum jam. Saat ini, kuncian terakhir dari mekanisme keamanan disituasikan dalam windwheel berputar sebesar 75 derajat keluar arah angin. Ini menjadikan ekor bergerak kedepan bilah blade tidak akan terjadi lagi. 4.3.3. Moving Parts Walaupun prinsip konversi gerakan putaran millshaft turun naik dapat menjaga gerakan pumprod dan bearing sebaik mekanisme crank


57

Tugas Akhir


sederhana, tetap saja kekuatan dari bagian-bagian yang bergerak menjadi fokus utama dalam perencanaan pembuatannya. 4.3.3.1.

Mainshaft bearing

Sebuah poros yang dibebankan diatas dua buah bearing utama. Bearing bagian depan membawa beban radial kira-kira 1000 N (berat rotor) dan beban tekanan atau dorongan hingga mencapai 7000 N, sementara bearing bagian belakang menangani gaya alternatif

yang

terdapat pada mekanisme crank.

Gambar 4.4 Mainshaft Bearing (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

Walaupun bearing ini terlihat berukuran besar menurut spesifikasi dari SKF. Tetapi umur pakai membuktikan terlalu pendek (kira-kira 1,5 juta kali revolusi). Ini artinya spesifikasi ini sangat tidak mewakili keberadaan bearing dalam pasar lokal. Banyak bearing dari beberapa merek yang ditawarkan tetapi spesifikai yang tidak diketahui dan kualitas tidak terjamin dengan baik. Terkadang dari dari beberapa bearing ini adalah produk FTI – Teknik Mesin

58

Tugas Akhir


perbaikan dari produk yang sudah rusak. Permukaan roller yang telah tipis atau bahkan longgar dan terlalu besar. 4.3.3.2.

Crank

Crank radius dapat atur agar dapat menciptakan keselarasan antara windmill dengan pompa. Hal ini mengacu pada kecepatan angin aktual dan elevation head. Crank pin dapat diposisikan pada beberapa radius putar yaitu antara radius 50 mm sampai dengan 125 mm.

Gambar 4.5 Konstruksi Crank (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

Kendati lubang crank pin disediakan untuk tujuan yang sangat baik, tetap saja membutuhkan penempatan yang sangat tepat antara baut central crank pin yang satu dengan yang lainnya. Hal ini untuk mencegah FTI – Teknik Mesin

59

Tugas Akhir


lepasnya baut yang dikarenakan oleh torsi awal yang mengakibatkan gaya sentrifugal serta permulaan slidding yang terjadi di dalam lubang crank pin. Crank disusun dari beberapa bagian plat besi yang dilas pada ujung shaft. Lalu membuat penguat dengan memasangkan plat tambahan yang dipasang dekat shaft agar mendapatkan kekuatan yang cukup. Bentuk “U” pada crank berguna sebagai pemantapan slidding diantara mur-mur dari crank pin yang dipasang pada saat pemasangan awal. Untuk estitika dan alasan keamanan bagian ujung tepi yang tajam pada crank diberi chamfer sebesar 5 x 45o. 4.3.3.3.

Connecting Rod

Untuk ujung bagian atas dan bagian bawah conecting rod atau batang hubung penggerak, bushing baja selinder dilas yang disertakan dengan bearing-bushing nylon flange. Pada permulaiannya bushing baja dibuat dengan soket gaspipe 1,5” setelah ulir dipindahkan dengan cara memutar. Sedangkan untuk komponen Bushing, menggunakan bahan yang lebih kuat atau dapat menggunakan material sisa dari potongan millshaft jika sisa potongan yang tersisa masih panjang. Saat ini, ketebalan bushing adalah 6mm. Ketidak bundaran lubang untuk menyimpan bushing disebabkan oleh prosedur pengelasan yang salah. Walaupun memang tidak mempengaruhi kelancaran fungsi bushing nilon yang terpasang dengan baik melewati crankpin dengan clearance 0,2mm sampai dengan 0,3mm FTI – Teknik Mesin

60

Tugas Akhir


dalam pengertian radial. Clearance axial biasanya berkisar antara 1mm sampai dengan 2mm. Hingga saat ini tidak ada bearing bushing nylon gagal, dan terganti dengan yang lebih baik.

Alat Bantu Proses Pengelasan

Gambar 4.6 Konstruksi Conecting Rod dan Alat bantu proses pengelasan (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

4.3.3.4.

Crosshead.

Crosshead merupakan komponen penghubung dan pengarah di dalam tower pipe. Usaha yang telah diambil untuk menghasilkan permukaan dalam yang halus masih belum berhasil selama menggunakan material logam. Ide muncul untuk memasang PVC di dalam towerpipe. Masukan ini dibuat dengan pipa PVC 4” yang cukup panjang dari bilah yang dipotong dalam sebuah alur. Ukuran diameter yang sedikit kurang dari dalam pipa satunya. Pembukaan hanya menyediakan ruang yang cukup untuk pemasangan. Pada dasar baut yang kecil, dibaut melalui


61

Tugas Akhir


towerpipe yang mengkunci masukan axial. Selain itu, crosshead harus memiliki permukaan kontak yang cukup lebar untuk mencegah muatan dengan spesifikasi yang tinggi. Serta bagian yang keras dan tepi yang tajam harus dihindari. Telah diputuskan untuk membuat piston crosshead dengan material dari kayu keras, karena material ini diperkirakan akan lebih baik sebagai bahan counterpart untuk PVC lining daripada besi maupun logam lainnya. Sebelumnya pumprod pertama yang dikembangkan olwh WOT juga menggunakan kayu berukuran diameter 1,5” dan crooshead pertama telah dibuat dari dua bagian kayu sesam yang diapit oleh pumprod dan di kencangkan oleh dua buah baut yang menembus piston berukuran M10 x 1,5.

Gambar 4.7 Konstruksi Cross Head (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)


62

Tugas Akhir


Agar memiliki kekuatan yang memadai, ukuran crosspin pada crosshead kayu adalah 2” atau sekitar 50 mm. Pelumasan yang diberikan berupa pemberian gemuk secara berkala, dengan syarat sebelum pemasangan crosshead direndam terlebih dahulu menggunakan oli bekas. Untuk memastikan gerakannya lancar, maka crosshead harus dicoba di dalam rumah piston dengan menggerak-gerakannya ke atas dan kebawah. Satu hal yang perlu diingat, oli dalam lubang piston tidak menyediakan pelumasan yang berkesinambungan. 4.3.4. Rotor Rotor pada Kincir Angin MB 12-7 memiliki sudu-sudu berjumlah 12 blade yang tersusun di atas kerangka rotor.

Gambar 4.8 Konstruksi Rotor (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)


63

Tugas Akhir


Adapun pemasangan rotor itu sendiri adalah ketika tower telah didirikan. Jadi rotor tidak dapat dipasang pada konstruksi Kincir Angin MB 12-7 sebelum tower utama didirikan. Begitu juga dengan sudu-sudunya yang berjumlah 12 buah, blade tersebut dipasang setelah rotor diaplikasikan pada konstruksi. 4.3.5. Piston Pump Piston Pump adalah komponen dari Kincir Angin MB 12-7 yang paling

banyak

mendapatkan

perubahan-perubahan

dari

versi

terdahulunya. Perubahan piston itu sendiri sangat tergantung dari aplikasi pompa yang digunakan dalam suatu konstruksi windmill. Banyak masalah yang harus dipecahkan terutama penetapan pompa dan pipa penyalur pada mata air dan juga rancangan pompa yang berubah dari waktu ke waktu. Pompa piston pada Kincir angin MB 12-7 bekerja pada putaran rotor sebesar 15 sampai dengan 25 rpm (kondisi kecepatan angin pada tahun 2008 adalah 1,3 m/detik sampai dengan 4,06m/detik). Dibutuhkan ruang udara yang berfungsi untuk mengurangi gaya percepatan batang pompa, suspensi pompa dan transmisi. 4.3.6. Pumprod dan Batang Penghubung Pumprod Batang penghubung untuk Pumprod menggunakan jepitan yang sederhana yang terbuat dari besi siku. Konstuksi ini terlihat sangat kuat tetapi cepat atau lambat, tugasnya untuk mengembalikan gaya batang


64

Tugas Akhir


pompa akan mengalami kelelahan. Akhirnya pipa besi yang lebih kuat yang dijadikan sebagai batang pompa. Koneksi batang sederhana, terbuat dari 2 baut yang mengikat pada batang. Seperti joint, ini juga mengalami kelelahan yang pada akhirnya menimbulkan retak. Sedangkan Flange dibuat dari pelat yang telah dilas pada ujung batang pompa.

Gambar 4.9 Konstruksi Pump Rod dan Pump Rod Connection (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009) 4.3.7. Diagram Alur Dalam perancangan pembuatan Kincir Angin MB 12-7 sebagai Pompa air ini, dapat dibuatkan sebuah diagram alur atau flow chart yang dapat digambarkan sebagai berikut:


65

Tugas Akhir


Mulai

Perencanaan Perancangan

Analisa Perancangan

Tools dan Sumber Literatur

Analisa Biaya & Keuntungan

Analisa Faktor Lain

Pembuatan Gambar

Sesuai dengan Desain & Perencanaan

Tidak

Ya

Biaya Swadaya

Pembuatan Komponen Analisa Kesalahan & Upaya Perbaikan

Permesinan & Kemampuan Indiviu Tidak

Sesuai atau Tidak Ya

Pendirian dan Peresmian Kincir Angin MB 12-7

Selesai

Gambar 4.10 Diagram Alur Perencanaan Pembuatan Kincir Angin MB 12-7 (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)


66

Tugas Akhir

4.4.


PEMILIHAN TEMPAT Secara umum tempat-tempat yang baik untuk pemasangan kincir

angin atau turbin angin antara lain:

1.

Celah di antara gunung. Tempat ini dapat berfungsi sebagai nozzle, yang mempercepat aliran angin ataupun turbulensi.

2.

Dataran terbuka. Karena tidak ada penghalang yang dapat memperlambat angin, dataran terbuka yang sangat luas memiliki potensi energi angin yang besar.

3.

Pesisir pantai. Perbedaan suhu udara di laut dan di daratan menyebabkan angin bertiup secara terus menerus.

Walau pada dasarnya kincir angin atau turbin angin dapat dipasang di mana saja di tempat-tempat tersebut di atas, pengkajian potensi angin tetap harus dilakukan untuk mendapatkan suatu sistem konversi energi angin yang tepat. Pengkajian potensi energi angin di suatu tempat dilakukan dengan mengukur dan menganalisis kecepatan dan arah angin. Analisis data angin dilakukan dengan menggunakan metoda statistik untuk mencari kecepatan angin rata-rata, durasi kecepatan angin dan distribusi frekwensi data angin. Jika informasi mengenai arah angin juga tersedia, analisis dengan menggunakan metoda wind rose dapat dilakukan untuk mengetahui kecepatan rata-rata, frekwensi dan energi angin di setiap arah mata angin.


67

Tugas Akhir


Pada prakteknya, penentuan tempat pemasangan sistem konversi energi angin dapat ditentukan dengan cara: 1. Pilih

Tempat.

Tempat

ditentukan

sesuai

kebutuhan,

kemudian potensi energi angin dikaji dari data yang didapat. Cara ini mempertimbangkan: a. aksesibilitas

baik

untuk

pekerjaan

konstruksi

maupun perawatan, b. kondisi sosial budaya setempat, c. kepentingan lain 2. Pilih Potensi. Pemilihan tempat berdasarkan besarnya potensi

energi

kecepatan semakin tersedia

angin

angin baik.

akan

yang

rata-rata

Semakin

tersedia. di

tinggi

memberikan

Semakin

besar

tempat

akan

energi

yang

suatu potensi

keuntungan

berupa

ukuran

sistem konversi energi angin yang semakin kecil dan tidak

perlu

terlalu

efisien

sehingga

pembuatannya

akan lebih mudah dan murah. Hal-hal lain yang harus diperhatikan dalam pemasangan sistem konversi energi angin, antara lain:

1. Untuk kegunaan pompa air, kincir angin MB 12-7 yang berfungsi sebagai pompa air membutuhkan sebuah sumur air atau sumber air yang berada tepat di bawah tower dari kincir angin. FTI – Teknik Mesin

68

Tugas Akhir


2. Tempat pemasangan harus dilindungi atau dipagari agar terhindar dari aksi perusakan. Sebaiknya lokasi pemasangan harus dapat dipantau dengan mudah dari jalan atau tempat pemantauan. Tempat-tempat dengan tingkat kelembaban yang tinggi dan berpotensi menimbulkan korosi serta dapat merusak kincir angin sangat tidak direkomendasikan.

3. Aliran angin di dekat permukaan bumi akan semakin mengecil dan mencapai harga nol di permukaan tanah. Profil kecepatan angin ini disebut dengan lapisan batas atmosfir. Permukaan bumi memiliki tingkat kekasaran yang berbeda-beda. Semakin kasar permukaan bumi akan semakin tebal lapisan batas atmosfir. Dengan semakin besarnya lapisan batas atmosfer maka kecepatan angin pada ketinggian tertentu akan semakin kecil. Dengan demikian tempat pemasangan harus diarahkan pada tempat dengan tingkat kekasaran yang rendah seperti daerah lepas pantai, daerah pantai, padang rumput, dan tempat-tempat dengan tumbuh-tumbuhan dan bangunan yang tidak terlalu tinggi.

4. Kincir angin yang digunakan untuk keperluan irigasi pertanian biasanya ditempatkan di sebuah sumur air, bangunan atau sebuah sumber air yang diberi fondasi yang cukup kuat untuk meletakan kincir angin yang memiliki tinggi lebih kurang 12 meter FTI – Teknik Mesin

dan

beban

lebih

kurang

880

kilogram.

Lokasi 69

Tugas Akhir


pemasangan harus diperhatikan agar aliran yang datang pada sistem konversi energi angin ini tidak turbulen atau tidak berbalik arah di bagian belakang. Untuk hal ini ada aturan atau konvensi bahwa turbin angin harus lebih tinggi sekitar 10 m dari pohon atau bangunan tertinggi di tempat tersebut. Lokasi pemasangan juga setidaknya harus berjarak minimal sekitar 10 kali dari diameter rotor terhadap hambatan atau rintangan terdekat.

Syukur Alhamdulillah, saat ini proyek pembuatan Kincir Angin MB 12-7 telah terselesaikan dengan baik dan tentunya kincir angin dapat berputar sesuai dengan rencana. Putaran kincir angin pada waktu pagi hari berbeda dengan putaran kincir angin pada waktu siang hari, sore hari dan malam hari. Kecepatan angin yang berubah-ubah menjadi penyebab utama akan kecepatan putaran rotor yang tidak konstan tersebut. Kendati demikian, torsi yang dihasilkan oleh putaran rotor kincir angin tersebut sesuai dengan perhitungan dan apa yang direncanakan. Yaitu daya angkat maksimal 98kg pada putaran rotor 15rpm. Atau setara dengan debit air minimal sebanyak 4,5 liter pada setiap detiknya.


70

Tugas Akhir


Gambar 4.10 Foto Pendirian dan Perakitan Kincir Angin MB 12-7 (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)

Gambar 4.11 Foto Peresmian Kincir Angin MB 12-7 (Sumber: TA Tek. Mesin ang 7 PKK-UMB, 2009)


71

Tugas Akhir


BAB V PENUTUP

5.1.

KESIMPULAN Kesimpulan

yang

dapat

diambil

setelah

melalui

proses

perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7 adalah sebagai berikut. 1. Di Indonesia dan di Dunia pada umumnya, kebutuhan akan energi akan terus meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi yang menuntut pada peningkatan pola konsumsi masyarakat yang disebabkan karena pertambahan penduduk,. Sedangkan energi fosil

yang

selama

ini

merupakan

sumber

energi

utama,

ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan.


72

Tugas Akhir


2. Gambar merupakan syarat awal dalam perencanaan merancang sebuah alat. Dalam pembuatan gambar dibutuhkan alat gambar yang

mendukung

proses

menggambar.

Dan

pada

proses

pembuatan gambar perencanaan Kincir Angin MB 12-7 ini, penulis menggunakan tool berupa software AutoCAD ver 2008. 3. Perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7 mengacu pada Prototype windmill pertama telah dibuat dengan diameter 4 meter, 16 buah blade, windmill tersebut hasil karya dari

organisasi

pendidikan WOT pada tahun 1988. 4. Salah satu tugas pengambil keputusan adalah menyusun skala prioritas dari berbagai pilihan yang ada. Prioritas terpaksa dibuat karena adanya keterbatasan sumberdaya. Ketika pilihan kompleks dengan konsekuensi yang bersifat substantif, pengambil keputusan memerlukan

model

pengembalian

keputusan

yang

dapat

membantu mereka membuat pilihan secara komprehensif, logis, dan terstruktur. 5. Kincir Angin MB 12-7 hasil proyek Tugas Akhir Mahasiswa Teknik Mesin angkatan ke 7 Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana memiliki spesifikasi teknis sebagai berikut: a. Daya Kincir Angin adalah 225,19 W b. Daya Pompa adalah 191,54 W c. Daya yang Dibutuhkan Pompa adalah 212,82 W d. Torsi Kincir Angin adalah 318,99 N.m FTI – Teknik Mesin

73

Tugas Akhir

5.2.


SARAN Dan saran yang dapat menjadi bahan masukan bagi perbaikan

pada masa yang akan datang adalah: 1. Pemilihan

sumber

energi

dalam

rangka

konversi

energi

menggunakan energi terbarukan dapat diambil beberapa item tema, diantaranya adalah energi angin, energi air, energi panas bumi, energi matahari, energi biogas, energi bio mass serta gelombang laut. 2. Penggunaan tool software AutoCAD 2008 memiliki banyak kekurangan. Diharapkan proses menggambar dimulai dengan menggambar bentuk dasar 3 dimensi sehingga dapat dengan mudah mengubahnya ke dalam bentuk 2 dimensi. Beda halnya dengan mengubah gambar dari 2 dimensi menjadi 3 dimensi. Cara seperti itu akan terasa lebih sulit. 3. Sesuai dengan fungsinya, maka konstruksi dari kincir angin untuk pompa air ialah kincir yang memiliki jumlah sudu-sudu atau blade yang banyak sehingga menghasilkan putaran rendah namun torsi yang besar. 4. Perubahan Yang paling penting dalam perencanaan pembuatan Kincir Angin MB 12-7 adalah dengan mengurangi panjang total dari ekor. Ini dilakukan supaya menghasilkan stuktur keseimbangan yang lebih baik dengan panjang 0,8 D dan hasil kendali yang lebih FTI – Teknik Mesin

74

Tugas Akhir


baik. Rumah bearing yang lebih lebar dapat bermanfaat untuk mendukung bearing belakang. Flange support yang terbuat dari besi siku 40 x 40 mm dipusatkan didepan rangka atas agar dapat menghasilkan keseimbangan antara baling-baling dengan ekor. 5. Dengan data spesifikasi teknis yang demikian fantastis, tidak diragukan lagi bahwa jumlah volume air yang dihasilkan dalam satu langkah piston pada Kincir Angin MB 12-7 adalah : 0.0045 m3 atau setara dengan 4,5 liter air.


75

DAFTAR PUSTAKA Argaw, N., R. Foster, R. and A. Ellis (2003), Renewable Energy for Water

Pumping

Applications

in

Rural

Villages,

NREL

(National

Renewable Energy Laboratory), Colorado BTM Consults ApS (2005), International Wind Energy Development World Market Update 2004 Forecast 2005-2009, Utah DESDM (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Jakarta. DESDM (2005), Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Jakarta. Fraenkel, Peter. (1986), Water-Pumping Devices  Chapter: A Handbook for Users and Choosers (Intermediate Technology Publications), London Jarass (1980), Strom aus Wind - Integration einer regenerativen EnergieQuelle (Springer-Verlag) Berlin Perry & Oakwood St., Napoleon (1988), Calculate Wind Power to Windmill (Heller Aller Company) ,Ohio 43545 USA Websites: www.awea.org (AWEA, Wind Web Tutorial, Wind Energy Basics) www.crest.org (Center Renewable Energy and Sustainable Technology) www.energy.iastate.edu (Website for Iowa University) www.windpower.org (Website for Denmark Wind Power Organization)

xiii

PERENCANAAN PEMBUATAN KINCIR ANGIN MB 12-7 SEBAGAI POMPA AIR SKRIPSI

Recommend Documents