KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUS DAYA KINCIR ANGIN1].pdf · KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUS DAYA KINCIR ANGIN NASKAH TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai

i

KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUSDAYA KINCIR ANGIN

NASKAH TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratanmencapai derajat Sarjana Teknik

di Teknik Mesin

Diajukan oleh :

Yessiko Yolanda DwipunopanenNIM : 045214070

PROGRAM STUDI TEKNIK MESINJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGIUNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA2008

ii

CENTRIFUGAL CLUTCH FOR THE WIND TURBINEPOWER TRANSMISSION

A THESIS

Presented as Partial Fulfilment of the Requirementsto Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical of Engineering

By:

Yessiko Yolanda DwipunopanenNIM: 045214070

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMDEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYSANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA2008

iii

iv

v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASIKARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan diawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:

Nama : Yessiko Yolanda Dwipunopanen

Nomor Mahasiswa : 045214070

Demi mengembangkan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada PerpustakaanUniversitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAIPENERUS DAYA KINCIR ANGIN

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikankepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan,mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalandata, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet ataumedia lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari sayamaupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama sayasebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 19 Maret 2008

Yang menyatakan,

(Yessiko Yolanda Dwipunopanen)

vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya

yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan

Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak didapat karya atau pendapat

yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu

dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 7 Januari 2008

Yessiko Yolanda Dwipunopanen

vii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Karya sederhana ini kupersembahkan kepada :

Tuhan dan pembimbing batinku, Yesus Kristus, yang senantiasa

mendampingi dan meluruskan jalanku sampai dengan saat ini.

Kedua orangtuaku yang akan selalu kucintai dan kusayangi dan akan terus

begitu selama hidupku.

Kekasihku tercinta yang selalu memotivasiku.

Sahabat-sahabatku yang selalu mendukung diriku.

viii

INTISARI

Saat ini pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit listrik masih dalamtahap pengembangan. Berbagai cara dilakukan untuk memanfaatkan energi yangditerima oleh kincir se-efektif mungkin agar energi tersebut dapat dimanfaatkansebesar-besarnya. Salah satu cara untuk meningkatkan kinerja kincir angin adalahdengan penerapan teknologi kopling sentrifugal untuk merekayasa putaran outputkincir agar dapat dimanfaatkan oleh generator pembangkit listrik secara lebihoptimal.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan merekayasakopling sentrifugal sedemikian rupa agar dapat bekerja pada putaran yangdirencanakan, yaitu 400 rpm, 500 rpm dan 600 rpm, dan kemudian kinerja modeldiuji pada beberapa variasi kecepatan angin dengan beban alternator.

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini berupa grafik-grafik kerja koplingsentrifugal pada variasi massa bandul kopling yang digunakan. Untuk putarankerja kopling, masing-masing diperoleh pada; massa bandul kopling 40 gram diputaran kerja 460 rpm, masa bandul kopling 20 gram di putaran kerja 705 rpm,sedangkan untuk massa bandul kopling 10 gram putaran kerja belum diketahuikarena keterbatasan alat uji.

Kata kunci : energi alternatif, transmisi, kopling, sentrifugal, pembangkit listrik,kincir angin.

ix

ABSTRACT

In this time windmill utilization as power station is still in development stage.Various methods have been done to make use of the energy received by propelleras effective as may be so that energy can be used as great as possible. One way toincrease the windmill working capability is by applying centrifugal clutchtechnology to manipulate propeller output rotation so that it can be utilized byelectric power generator optimally.

The method applied in this research was conducted by manipulatingcentrifugal clutch as such a manner to work on planned rotations, which were 400rpm, 500 rpm, and 600 rpm. Then, the working performance of this model wastested on some wind velocity with load alternator variations.

The result of this research was in the form of centrifugal clutch working chartson the clutch swing mass variations that were applied. Meanwhile, each of clutchworking rotations were derived for the clutch swing mass 40 gram on the workingrotation 460 rpm, for the clutch swing mass 20 gram on the working rotation 705rpm, while for the clutch swing mass 10 gram on unknown working rotationbecause limitedness from the instrument.

Keyword: alternative energy, transmission, coupling, centrifugal, power station,

windmill.

x

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan dan Juru Selamat Manusia Yesus

Kristus yang telah melimpahkan kasih dan karunia yang begitu besar, sehingga

penulis dapat menyelesaikan Skripsi Tugas Akhir ini dengan baik. Skripsi Tugas

Akhir yang berjudul Kopling Sentrifugal Sebagai Penerus Daya Kincir Angin ini

ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin

di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Selesainya skripsi ini tentu tidak lepas dari bantuan, dukungan, bimbingan,

dan kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dari hati yang tulus penulis

mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan

memberikan dorongan baik secara langsung, maupun tidak langsung dalam proses

penelitian dan penulisan skripsi ini.

1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku dekan

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

2. Bapak Ir. YB Lukiyanto, M.T. selaku kepala Lab. Konversi Energi FST-

USD dan dosen Pembimbing I yang telah membimbing penulis dengan

penuh kesabaran.

3. Bapak Budi Sugiharto, S.T.,M.T. selaku Kaprodi Teknik Mesin FST-USD

dan dosen Pembimbing II yang telah membimbing penulis dengan

kesabaran, ketelitian, dan selalu memberikan motivasi kepada penulis.

4. Seluruh Dosen Teknik Mesin FST-USD yang telah membagi ilmunya

selama penulis menjadi mahasiswa Teknik Mesin.

xi

5. Mas Intan, Mas Roni dan Mas Martono selaku Laboran Teknik mesin

FST-USD.

6. Mas Tri selaku staf sekretariat Teknik mesin FST-USD.

7. Ayahku tercinta, Laurentius Ladja, dan Ibuku tersayang, Yohana Ani.

8. Saudaraku satu-satunya, Teddy Yolanda Wawamapanta beserta istri dan

keponakan pertamaku.

9. Keluarga Uak Sugi dan Uak Rosa di Pasiran, Singkawang.

10. Elisabeth Putri Swastikasari, kekasihku tercinta.

11. Teman-teman seluruh angkatan Teknik Mesin FST-USD.

Penulis menyadari bahwa penelitian ini masih banyak kekurangan dan

masih jauh dari sempurna. Kritik dan saran yang membangun bagi penulis akan

penulis terima dengan senang hati. Penulis berharap semoga penelitian ini dapat

bermanfaat bagi pembaca.

Penulis

xii

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ………………………...……………..……………. i

TITLE PAGE............................................................................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING....................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN.................................................................... iv

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS................. v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................................... vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................ vii

INTISARI ................................................................................................... viii

ABSTRACT ................................................................................................. ix

KATA PENGANTAR …………………………………………………… x

DAFTAR ISI ……………………………………………………………... xii

DAFTAR GAMBAR................................................................................... xv

DAFTAR TABEL........................................................................................ xviii

DAFTAR LAMPIRAN …………………………….…………..………… xix

BAB I PENDAHULUAN ………………………………...…..…………. 1

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

1.2 Perumusan Masalah ……………….…………..………….. 2

1.3 Pembatasan Masalah ………………………….…..………. 2

1.4 Tujuan Penelitian ……………..……………..……………. 3

1.5 Manfaat Penelitian ……….…………………..…………… 3

xiii

1.6 Metode Penelitian................................................................ 4

1.7 Sistematika Penyajian ………………………..…………… 4

BAB II DASAR TEORI ………………........……………....………….. 6

2.1 Energi Angin ………………………………….......……… 6

2.2 Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit

Listrik Tenaga Angin ………………………………..…… 11

2.3 Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja

Kopling Sentrifugal............................................................. 12

2.3.1. Gerak Lingkar......................................................... 12

2.3.2. Gaya Sentripetal...................................................... 19

2.3.3. Gaya Fiktif Akibat Gerak Lingkar.......................... 21

2.3.4. Pegas Sekrup Silinder Dengan Penampang

Melintang Konstan.................................................. 23

BAB III PERANCANGAN MASSA BANDUL

KOPLING SENTRIFUGAL ………….……………………… 26

3.1 Daya Angin ………………………….....……….…...……. 26

3.2 Transmisi ………………………………….....…………… 27

3.3 Kopling Sentrifugal………………………….............……. 28

3.3.1. Massa Bandul Maksimum....................................... 32

3.3.2. Pemilihan Tipe Pegas.............................................. 33

3.3.3. Pemilihan Massa Bandul......................................... 37

BAB IV CARA PENELITIAN

4.1 Cara Pemasangan Beban Alternator..................................... 49

xiv

4.2 Mengetahui Putaran Kincir Tanpa Beban Alternator........... 51

4.3 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator

Pada Kecepatan Angin Konstan............................................ 51

4.4 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator

Pada Variasi Kecepatan Angin.............................................. 52

BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN............................ 53

5.1 Pembahasan Pengaruh Kecepatan Angin Pada

Putaran Kincir Tanpa Beban................................................ 53

5.2 Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 10 gr.......... 54



5.5 Pembahasan Perbandingan Putaran Slip Kopling Pada

Masing-Masing Massa Bandul............................................. 63

BAB VI PENUTUP ................................................................................... 66

6.1 Kesimpulan ........................................................................ 66

6.2 Saran................................................................................... 68

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 70

LAMPIRAN

xvi

Gambar 3.4. Dimensi-dimensi utama model kopling

sentrifugal yang digunakan................................................... 29

Gambar 3.5. Statika gaya-gaya yang bekerja pada sepatu kopling........... 30

Gambar 3.6. Dimensi bandul maksimum.................................................. 32

Gambar 3.7. Alat untuk mencari konstanta pegas..................................... 33

Gambar 3.8. Grafik perbandingan beban vs defleksi pegas...................... 37

Gambar 3.9. Pusat massa sepatu kopling.................................................. 38

Gambar 4.1. Rangkaian kelistrikan alternator hasil modifikasi................ 49

Gambar 4.2. Sistem kincir angin yang akan diuji..................................... 50

Gambar 4.3. Beban lampu yang digunakan saat pengujian...................... 50

Gambar 5.1. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran kincir...... 54

Gambar 5.2. Grafik perbandingan kecepatan angin vs

putaran transmisi dan alternator (m = 10 gr)........................ 55

Gambar 5.3. Grafik pembebanan alternator vs putaran

poros (m = 10 gr)................................................................... 57

Gambar 5.4. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi

dan alternator (m = 20 gr)..................................................... 58


poros (m = 20 gr)................................................................. 60


putaran transmisi dan alternator (m = 40 gr)........................ 61


poros (m = 40 gr)................................................................... 63

xvii


jumlah slip kopling................................................................ 65

xviii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Nilai k untuk penampang melintang lingkaran,

tergantung pada w = D/d............................................................. 24

Tabel 2. Data pembebanan pegas Tipe A

(x0 = 9 mm; ukuran jumlah lilitan*)............................................ 34

Tabel 3. Data pembebanan pegas Tipe B (Lp2 = 26 mm).......................... 35

Tabel 4. Data pembebanan pegas Tipe C (Lp3 = 22 mm).......................... 36

Tabel 5. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan beban

alternator = 0............................................................................... 53

Tabel 6. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator

dibebani (m = 10 gr).................................................................... 55

Tabel 7. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 10 gr)..................... 56


dibebani (m = 20 gr).................................................................... 58

Tabel 9. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 20 gr)...................... 59


dibebani (m = 40 gr).................................................................... 61

Tabel 11. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 40 gr)..................... 62

Tabel 12. Pengaruh kecepatan angin terhadap variasi

massa bandul dan jumlah putaran slip kopling........................... 64

xix

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran I. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 10 gr..........................L1

Lampiran II. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 20 gr..........................L4

Lampiran III. Pengambilan Data Untuk Massa Bandul 40 gr..........................L7

Lampiran IV. Data Konstruksi Kopling dan Pegas..........................................L10

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Penelitian

Pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit energi listrik di Indonesia

belum terlalu dikenal masyarakat. Mayoritas masyarakat pada umumnya masih

bergantung pada Perusahaan Listrik Negara (PLN) untuk memenuhi kebutuhan

energi listrik yang kebanyakan bersumber pada energi berbahan bakar fosil.

Padahal energi angin yang tersedia di wilayah Indonesia cukup melimpah (sebagai

contoh di wilayah Timur Indonesia) untuk dikembangkan lebih lanjut sehingga

masyarakat tidak terlalu tergantung lagi pada PLN. Oleh karena itu, sudah saatnya

kincir angin digunakan sebagai pembangkit listrik alternatif di Indonesia.

Teknologi pembuatan kincir angin di Indonesia saat ini sedang dalam tahap

pengembangan. Beberapa pihak sedang gencar melakukan penelitian untuk

meningkatkan kinerja kincir angin. Permasalahan yang kerap kali timbul terjadi,

akibat kecepatan angin yang selalu berubah, yang mengakibatkan putaran kincir

angin kontras dengan putaran kerja generator. Pada saat kecepatan angin rendah,

putaran yang dihasilkan kincir tidak dapat mencapai putaran kerja generator.

Padahal generator (alternator mobil) yang tersedia di pasaran dengan harga relatif

murah kebanyakan memiliki putaran kerja yang cukup tinggi, sekitar 700 rpm

untuk menghasilkan listrik (http://www.galerimotor.com/home.htm).

Untuk mengatasi kelemahan pada putaran beban kincir angin tersebut di atas,

peneliti bermaksud untuk mencoba menerapkan suatu rekayasa pada pemindah

2

daya dan putaran kincir angin agar generator dapat bekerja secara optimal. Hasil

dari penelitian ini diwujudkan dalam penelitian dan pembuatan model kopling

sentrifugal yang nantinya diharap dapat memberikan kontribusi data-data hasil

penelitian untuk dimanfaatkan sebagai penerus putaran kincir angin pembangkit

listrik.

1.2. Perumusan Masalah

Permasalahan yang terjadi dalam penggunaan kincir angin saat ini

berhubungan dengan putaran kincir angin pada kecepatan angin rendah yang

kontras dengan putaran kerja generator. Permasalahan ini dapat dirumuskan

sebagai berikut; “Bagaimana cara merekayasa putaran kincir angin pada

kecepatan angin yang selalu berubah agar dapat menghasilkan putaran yang

optimal pada generator pembangkit listrik?”

1.3. Pembatasan Masalah

Penelitian kincir angin sebagai pembangkit listrik pada penelitian ini hanya

menyangkut permasalahan rekayasa putaran kincir angin pada beberapa variasi

kecepatan angin agar dapat menghasilkan putaran output yang optimal untuk

menggerakkan generator. Rekayasa dilakukan dengan menyelidiki pengaruh

penggunaan kopling sentrifugal sebagai penerus daya dan putaran ke generator

pembangkit listrik pada kincir angin.

3

1.4. Tujuan Penelitian

Adapun beberapa tujuan dari kegiatan penelitian yang dapat dikemukakan

antara lain adalah sebagai berikut:

Menentukan bandul pada kopling sentrifugal agar dapat bekerja dengan

putaran tanpa slip dengan ketentuan putaran masing-masing; 400 rpm, 500

rpm dan 600 rpm.

Mengetahui kecepatan angin pada saat terjadi slip maksimum terhadap

pengaruh variasi massa bandul kopling.

Mendapatkan grafik unjuk kerja kopling sentrifugal pada kincir angin

dengan beberapa variasi kecepatan angin dan pembebanan alternator.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini antara lain:

Aplikasi kopling sentrifugal pada kincir angin pembangkit listrik untuk

dapat memaksimalkan kerja generator.

Mendapatkan rancangan dan model kombinasi antara transmisi puli dan

sabuk, roda gigi dan kopling sentrifugal untuk meneruskan putaran kincir

angin sebagai pembangkit listrik.

Mengembangkan teknologi pemanfaatan energi angin di Indonesia.

4

1.6. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan baik secara empiris

dan teori. Sistematika rancangan pelaksanaan kegiatan dari penelitian ini dapat

dilihat pada diagram alir berikut ini:

1.7. Sistematika Penyajian

Bab I Pendahuluan, bab ini berisi latar belakang masalah, rumusan masalah,

tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penyajian.

Survey tersedianyabahan baku di pasaran

Pembuatan gambarmodel

Pemilihan bahan alternatif

Pembuatan danperakitan prototipe

Tersedia

Tidaktersedia

Perhitungan bentuk dimensi,pemilihan bahan serta variasimassa bandul sepatu kopling.

Pengujian variasi massa bandulterhadap putaran kerja kopling yang

direncanakan

Kesimpulanhasil penelitian

Penulisan laporan akhir danpublikasi hasil penelitian

5

Bab II Dasar Teori, bab ini berisi tinjauan pustaka, landasan teori yang berisi

teori struktural dan analisis struktural serta unsur teknis tentang cara kerja dan

gaya-gaya yang bekerja pada kopling sentrifugal.

Bab III Perancangan Massa Bandul Kopling Sentrifugal, bab ini berisi hasil

perancangan dan perhitungan teoritis untuk menentukan massa bandul kopling

untuk menentukan dimensi-dimensi kopling dan jenis pegas yang digunakan

dalam penelitian dengan pendekatan rumus-rumus tentang Fisika Dasar, Elemen

Mesin, Dinamika Teknik dan Statika Gaya.

Bab IV Cara Pengujian, bab ini berisi cara-cara pengambilan data yang

dilakukan selama masa pengujian, yang meliputi metode pengukuran beban

alternator dan cara memvariasikan kecepatan angin.

Bab V Hasil Pengujian Dan Pembahasan, bab ini berisi data-data, pembahasan

dan perhitungan aktual yang didapatkan dari hasil pengujian unjuk kerja kopling

sebagai penerus daya dan putaran kincir angin yang ditinjau dari kecepatan angin

dan reaksi kopling terhadap pembebanan alternator.

Bab VI Penutup, bab ini berisi kesimpulan dan saran penggunaan kopling

sentrifugal sebagai penerus daya dan putaran kincir angin pembangkit tenaga

listrik.

6

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Energi Angin

Semua energi terbarukan (kecuali energi gelombang laut dan panas bumi), dan

bahkan energi yang berasal dari bahan bakar fosil, bersumber dari energi

matahari. Matahari memancarkan energi radiasi 174.423.000.000.000 kWH yang

dipancarkan ke bumi tiap jamnya, atau dengan kata lain, bumi menerima daya

sebesar 1,74 x 1017 Watt (http:// id.wikipedia.org)

Diperkirakan 1% – 2% energi yang bersumber dari matahari dikonversikan

menjadi energi angin. Jumlah tersebut kira-kira 50 – 100 kali lebih besar dari

energi yang dikonversikan menjadi biomassa oleh semua tumbuh-tumbuhan yang

ada di bumi.

Gambar 2.1. Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra merahsatelit (Sumber: satelit NASA, NOAA-7, Juli 1984)

Daerah sekitar Khatulistiwa, pada 0° garis lintang menerima pemanasan yang

berlebih dari matahari jika dibandingkan dengan bagian bumi yang lainnya.

7

Seperti terlihat pada Gambar 2.1, daerah-daerah yang menerima panas berlebih

diindikasikan dengan warna merah, jingga dan kuning.

Udara panas lebih ringan daripada udara dingin sehingga udara panas tersebut

naik menjauhi permukaan bumi sejauh kurang lebih 10 km (6 mil) dan akan

menyebar ke Utara dan Selatan. Jika bumi tidak berputar, udara akan dengan

mudah mencapai Kutub Utara dan Kutub Selatan, mengendap ke bawah, dan

kembali ke garis Khatulistiwa.

Hukum I Termodinamika

Energi yang terdapat dari pergerakan angin dapat dianalisa menggunakan

hukum pertama termodinamika dengan sistem terbuka (open system). Pergerakan

arah angin diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2, dimana diasumsikan kincir

angin berada di tempat terbuka dengan udara yang mengalir. Volume kontrol

digambarkan berbentuk seperti botol yang melingkupi luas imajiner arah

pergerakan angin yang melewati sudu-sudu kincir.

Gambar 2.2. Proyeksi arah pergerakan angin yang melewati sudu kincir angin(Sumber: Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007)

8

Analisa energi angin yang ada di alam menggunakan hukum pertama

termodinamika tentang sistem terbuka mensyaratkan ketentuan-ketentuan dasar

termodinamika yang berlaku, seperti:

Massa (membawa energi) melewati boundary.

Terdapat fluida (angin) yang mengalir.

Diperlukan energi untuk mengalirkan massa.

Tidak ada perpindahan panas pada CV. Suhu udara saat masuk sama dengan

suhu udara saat keluar.

Penerapan hukum I termodinamika tentang sistem terbuka pada analisis kincir

angin diformulasikan sebagai berikut: [Yunus A Cengel, 2002: hal 182]

waktusatuan

permassadengan

CVdalamkemasuk

yangenergitotal

waktusatuanper

massadengan

CVdarikeluar

yangenergitotal

Wworkdan

Qheatberupa

boundarymelewati

yangenergitotal

)(

)(

WQ =

iiee mm

=

ii

iiee

ee zgV

hmzgV

hm22

22

=

)(2 12

22

12 zzgVV

hhm ie

WQ = pekehm

(kW)............................................(2.1)

dengan: i = saluran masuk pada CV (Control Volume)

e = saluran keluar pada CV

θ = total energi = wflow + e

9

= pv + u + ke + pe (kJ/kg)

atau: θ = flow energy + internal energy + kinetic energy + potential energy

Kerja (W) dihasilkan karena adanya perubahan energi kinetik udara yang

bergerak (∆ke) pada sudu-sudu kincir dimana: [Yunus A Cengel, 2002: hal 183]

WQ0

=

0

12

22

0

12 )(2

)( zzgVV

hhm ie

W0 =

02

022

gVV

m ie

W = 22

2

1ei VVm

.......................................................... (2.2)

Gambar 2.3. Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin(Sumber: Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007)

Udara yang bergerak mengandung energi yang disebut dengan energi kinetik,

yang secara skematik ditunjukkan pada Gambar 2.3. Energi kinetik tersebut

dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti massa jenis udara (ρ), luas permukaan

10

sudu kincir yang ditinjau dari arah tegak lurus datangnya angin (A), kecepatan

angin (V) serta waktu (t). Dari faktor-faktor tersebut maka didapatkan:

m = DA → D = kecepatan angin x waktu

maka:

m = tVA

atau:

m = VA .............................................................................. (2.3)

Seandainya semua energi kinetik dapat diubah menjadi kerja (Ve = 0), maka

energi angin yang tersedia di alam dapat diformulasikan secara teoritis sebagai

berikut:

W =

0

22

2

1ei VVm = 2

2

1iVm

W = 2

2

1VVA = 3

2

1VA

jika: = massa jenis udara (standar = 1,225 kg/m3 )

W = 3225,12

1VA

maka:

W = 361225,0 VA .................................................................. (2.4)

Dalam kenyataannya, tidak semua energi kinetik dari angin dapat diubah menjadi

kerja. Tidak mungkin angin yang keluar dari CV setelah melewati kincir angin

11

memiliki kecepatan Ve = 0. Energi maksimum tersedia yang dapat dikonversi dari

energi kinetik angin tersebut sekitar 59 % (angka ini dikenal dengan Betz Limit).

2.2. Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga

Angin

Pada prinsipnya, pengaturan putaran beban kincir ini dikendalikan secara

mekanik dengan menggunakan sensor kecepatan putaran poros output gear box

yang diterima oleh kopling sentrifugal untuk meneruskan atau melepaskan poros

pemutar generator sesuai dengan torsi dan putaran input. Secara sederhana, cara

kerja pembangkit listrik ini adalah sebagai berikut:

Kecepatan angin yang ada di alam dikonversi oleh sudu kincir menjadi gaya

tangensial.

Gaya tangensial yang menyebabkan gerakan rotasi dari kincir tersebut

kemudian diteruskan dengan perantaraan transmisi puli dan sabuk ke bagian

gear box.

Input gear box yang berputar akibat kecepatan sudut 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.

12

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.

2.3. Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal

2.3.1. Gerak Lingkar

Suatu partikel yang bergerak pada suatu lingkaran dengan laju tetap

mempunyai kecepatan. Seperti pada Gambar 2.4, meskipun laju, yaitu besar

vektor kecepatan sesaatrelatif konstan, akan tetapi vektor kecepatan berubah arah

terus menerus sehingga gerak lingkar beraturan, yaitu dengan laju tetap, adalah

suatu gerak dipercepat. Laju gerak partikel adalah v dan kemudian akan

ditentukan berapa percepatan a untuk gerak lingkar beraturan ini.

Gambar 2.4. Gerak lingkar beraturan.(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 20)

Sebuah partikel melakukan gerak lingkar. Pada saat t partikel berada pada titik

P dan vektor kecepatan dinyatakan oleh

v . Beberapa saat kemudian, pada saat t +

∆t partikel sudah berada pada titik P`, dimana vektor kecepatan dinyatakan oleh

13

v `. Arah vektor kecepatan pada setiap saat adalah sepanjang garis singgung

lingkaran pada arah gerak partikel. Karena laju adalah tetap (gerak lingkar

beraturan), maka panjang anak panah yang menyatakan vektor kecepatan juga

tidak berubah.

Perubahan vektor kecepatan dinyatakan oleh ∆

v =

v ` +

v , sehingga

percepatan rata-rata dalam selang waktu ∆t diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal

20]

t

va

dan arah percepatan rata-rata adalah sama dengan arah ∆

v , karena pembaginya,

yaitu ∆t, adalah suatu skalar.

Gambar 2.5. Jika ∆θ kecil maka ∆

v kecil, akan tetapi

a konstan.(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 21)

Untuk menghitung percepatan sesaat, selang waktu ∆t dibuat sangat kecil,

yaitu ∆t → 0; artinya titik P` pada Gambar 3.4 dibuat mendekati titik P (Gambar

2.5.a). Pada Gambar 2.5.b ditunjukkan apa yang terjadi jika P` dibuat mendekati

14

P, artinya ∆t diperkecil. Tampak bahwa ∆

v juga mejadi kecil, akan tetapi

a tetap

besar, dan arahnya adalah sama dengan arah ∆

v . Besar vektor ∆

v , yaitu |∆

v |,

dapat dihitung dari segitiga PAB, [Sutrisno, 1997: hal 21]:

|∆

v | =2

sin2

v ...........................................................................(2.5)

Jika ∆t dibuat kecil sekali, maka sudut ∆θ juga menjadi sangat kecil, sehingga

dapat digunakan hubungan:

22sin

dan persamaan (2.5) dapat ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 21]

|∆

v | =2

2

v = v . ∆θ .............................................................. (2.6)

Di sini sudut ∆θ adalah dalam satuan radial. Busur PP` mempunyai panjang ∆S

dengan ∆s = r . ∆ . θ, atau: [Sutrisno, 1997: hal 21]

∆θ =r

S......................................................................................... (2.7)

Untuk ∆t yang sangat kecil selalu dapat dituliskan: [Sutrisno, 1997: hal 21]

∆S = v . ∆t....................................................................................... (2.8)

Dari persamaan (2.6), (2.7) dan (2.8), untuk ∆t → 0 diperoleh: [Sutrisno, 1997:

hal 21]

|∆

v | =r

Sv =

r

tvv =

t

rv

2

............................................ (2.9)

Akibat besar percepatan sesaat

a , yang dituliskan sebagai a, diberikan oleh:

[Sutrisno, 1997: hal 21]

15

a =t

vt

||lim

0 =

t

t

r

vt

2

0lim =

r

v 2

..................................................(2.10)

Arah vektor percepatan sesaat diberikan oleh arah ∆

v . Jika ∆t dibuat sangat kecil

maka arah ∆

v akan tegak lurus arah garis singgung lingkaran pada titik P. Jadi

arah percepatan adalah menuju pusat atau arah sentripetal, sehingga percepatan

pada gerak lingkar beraturan disebut percepatan sentripetal. Dengan begitu, untuk

gerak lingkar beraturan dengan laju v, vektor percepatan sesaat diberikan oleh:


ca = rar

v

2

................................................................................ (2.11)

dengan ra

adalah vektor satuan pada arah radial keluar atau menjauhi pusat.

Tanda negatif pada persamaan (2.11) menunjukkan bahwa percepatan sentripetal

ca mempunyai arah menuju pusat lingkaran.

Dalam gerak lingkar, jarak partikel pada suatu saat terhadap pusat lingkaran

adalah tetap dan sama dengan jari-jari lingkaran. Akibatnya posisi benda terhadap

titik pusat lingkaran cukup dinyatakan oleh sudut θ, seperti pada Gambar 2.6.

Panjang busur dS dapat dinyatakan sebagai dS = r . d . θ sehingga: [Sutrisno,

1997: hal 22]

v =dt

dS =

dt

dr

............................................................................. (2.12)

16

Gambar 2.6. Pada gerak lingkar posisi partikel dapat dinyatakan dengan sudut θ.(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 22)

Pada persamaan (2.12), dθ/dt adalah kecepatan sudut yang dinyatakan dengan ω.

Satuan dari kecepatan sudut adalah radial/detik. Jadi persamaan (2.12) dapat

dituliskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22]

v = r . ω .......................................................................................... (2.13)

Waktu yang diperlukan dalam gerak lingkar untuk menempuh satu putaran

disebut perioda putaran, dan dinyatakan dengan T.

Besaran lain yang sering dipergunakan dalam gerak lingkar beraturan adalah

berapa kali partikel mengelilingi lingkaran dalam satuan waktu, atau berapa kali

revolusi yang dilakukan partikel per satuan waktu. Besaran ini disebut dengan

frekuensi, dan dinyatakan dengan f. Satuan frekuensi adalah cycle/second atau

cps; satuan cps umumnya disebut sebagai Hertz (Hz). Seringkali frekuensi

dinyatakan dalam rpm, yaitu revolution/minute (putaran/menit).

Jelas bahwa frekuensi f dapat diperoleh dari perioda putaran T, yaitu dari f =

1/T. Jika misalnya terdapat 5 putaran dalam satu detik, maka waktu untuk satu

putaran adalah 1/5 detik. Jadi T = 1/5 = 1/f.

17

Hubungan lain antara ω dan T, dalam waktu satu perioda, partikel melakukan

satu putaran berarti menempuh sudut 360° = 2π rad. Karena percepatan sudut ω

adalah tetap, maka ω = 2π/T atau ω = 2π f. Akhirnya didapatkan percepatan

sentripetal sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22]

rrc arar

va

22

...............................................................(2.14)

Percepatan Tangensial Dalam Gerak Lingkar

Gerak ini dilukiskan pada Gambar 2.7. Misalkan partikel berada pada titik P

pada saat t, dan berada di titik P` pada saat t` = t + ∆t. Dalam waktu ∆t, vektor

kecepatan berubah sebesar ∆

v = `

v -

v .

Gambar 2.7. Sebuah partikel bergerak lingkar dipercepat.(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 23)

Pada Gambar 2.7, ditunjukkan bahwa jika ∆t dibuat sangat kecil, sehingga

sudut ∆θ menjadi sangat kecil pula, perubahan kecepatan ∆v dapat diuraikan

menjadi: [Sutrisno, 1997: hal 23]

18

∆

v = ∆

Tv + ∆

Rv ............................................................................ (2.15)

Vektor ∆

Rv dianggap P`A = P`B, sehingga ∆

Rv menyatakan perubahan vektor

kecepatan pada laju tetap. Jadi ∆

Rv adalah percepatan karena perubahan arah

vektor kecepatan.

Jika ∆t dibuat mendekati nol, maka ∆

Rv juga akan mendekati nol, akan tetapi,

t

vR

t

0lim

adalah sama dengan percepatan radial, yang tidak lain adalah percepatan

sentripetal ca

. Jadi: [Sutrisno, 1997: hal 23]

ca

=t

vR

t

0lim =

r

var

2

ˆ

................................................................ (2.16)

menuju pusat atau arah sentripetal. Jika ∆t = 0, yaitu bila P` mendekati P, vektor

komponen ∆ Tv

akan mempunyai arah tangensial atau arah singgung. Akibatnya

percepatan singgung diberikan oleh:

Ta

=t

vT

t

0lim =

dt

vd T

Karena Tv

mempunyai arah singgung lingkaran, maka:

dt

vd T

=dt

dvaTˆ

dengan Ta adalah vektor satuan pada arah singgung atau arah tangensial.

Percepatan tangensialdapat dirumuskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

dt

dvaT ........................................................................................... (2.17)

Dari persamaan (2.13) didapatkan: [Sutrisno, 1997: hal 24]

19

dt

drr

dt

dvaT

....................................................................... (2.18)

Pada persamaan (2.18), dω/dt menyatakan perubahan kecepatan sudut per satuan

waktu, jadi dω/dt tidak lain adalah percepatan sudut, dan persamaan (2.18) dapat

ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

rdt

draT .............................................................................(2.19)

Percepatan resultan adalah: [Sutrisno, 1997: hal 24]

a

= TR aa

................................................................................... (2.20)

dan besar percepatan resultan diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 24]

a = 22RT aa ............................................................................... (2.21)

2.3.2. Gaya Sentripetal

Sebuah benda yang bergerak melingkar dengan laju konstan mempunyai

percepatan ke arah pusat lingkaran, atau pada arah sentripetal. Percepatan ini

menyatakan perubahan arah vektor percepatan, meskipun laju benda (yaitu besar

vektor kecepatan) tidak berubah. Jika benda bergerak pada lingkaran berjari-jari r

dengan laju v, dari gerak lingkarnya diperoleh persamaan: [Sutrisno, 1997: hal

55]

a

= rr

v ˆ2

..................................................................................... (2.22)

20

dimana r menyatakan vektor satuan pada arah radial keluar. Tanda negatif pada

persamaan (2.22) menyatakan bahwa arah percepatan sentripetal ini adalah

menuju pusat lingkaran.

Jika benda tersebut di atas mempunyai massa m, maka menurut Hukum II

Newton agar benda memiliki percepatan tersebut, pada benda harus bekerja gaya

sebesar: [Sutrisno, 1997: hal 55]

F

= am = rr

vm ˆ2

................................................................... (2.23)

(a) (b) (c)

Gambar 2.8. Arah vektor gaya dari suatu partikel yang bergerak melingkar(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 55)

(a) Sebuah benda benda dengan laju konstan pada lingkaran dalam bidanghorizontal. Satu-satunya gaya yang bekerja dalam bidang horizontal adalahT.

(b) Sebuah massa m tergantung dengan seutas tali dengan panjang L berayunmembentuk lingkaran.

(c) Diagram gaya benda bebas.

Gaya ini disebut gaya sentripetal, dan bekerja pada benda untuk membuat benda

berbelok, atau berubah arah geraknya. Karena gaya sentripetal ini selalu tegak

lurus pada vektor kecepatan benda, maka benda terus berbelok dan bergerak pada

21

lingkaran, sedang besar vektor kecepatan (laju) tidak terpengaruh. Secara

skematik, gaya sentripetal ini dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.8.

2.3.3. Gaya Fiktif Akibat Gerak Lingkar

Gaya fiktif yang bekerja pada benda berarah radial keluar disebut sebagai

gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal mengimbangi gaya sentripetal, sehingga jika

dipandang secara kasat mata dari sumbu lingkaran yang sedang berputar, benda

berada dalam keadaan diam; gaya resultan pada benda sama dengan nol. Gaya

sentrifugal ini diformulasikan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 63]

cfF

= rR

vm ˆ2

atau

cfF

= 2 Rm .............................................................................. (2.24)

dengan : m = massa bandul

R = jari-jari bandul dari pusat lintasan

ω = kecepatan sudut bandul terhadap pusat lintasan

Gaya sentrifugal hanya terjadi dalam suatu sistem yang sedang berputar bersama

benda.

Gaya fiktif kedua adalah gaya coriolis. Gaya ini bekerja jika suatu benda

bergerak atau memiliki kecepatan relatif terhadap kerangka acuan yang berputar.

Untuk suatu benda yang berputar mengelilingi lingkaran dimana vektor kecepatan

22

benda adalah tegak lurus terhadap sumbu putar, gaya coriolis dinyatakan sebagai:


crF

= cvm ˆ2 =R

cvvm T ˆ2 ............................................. (2.25)

dan dengan vT adalah komponen tangensial v

, vektor c adalah vektor satuan arah

tegak lurus lintasan pada titik dimana benda berada, mengarah ke dalam.

Gambar 2.9. Pada saat benda berada di D, gaya sentrifugal dinyatakan oleh Fcf

ke arah radial dan gaya coriolis dinyatakan oleh Fcr ke arah tegaklurus lintasan. AB adalah lengkungan involusi (Sumber: FisikaDasar – Mekanika, 1997: hal 63)

Karena pengaruh kedua gaya fiktif ini, yaitu gaya sentrifugal dan gaya

coriolis, suatu benda yang berputar mengelilingi lingkaran membuat lintasan

berupa lengkungan involusi. Pada Gambar 2.9, dilukiskan gaya-gaya sentrifugal

dan coriolis yang bekerja pada sebuah benda bermassa pada saat membuat

lintasan involusi.

23

2.3.4. Pegas Sekrup Silinder Dengan Penampang Melintang Konstan

Di dalam konstruksi mesin, pegas sekrup silinder ini merupakan jenis pegas

yang paling banyak digunakan dan menempatinya dalam suatu garis sekrup pegas

batang tarik yang digulung, yang dibebani dengan gaya tekan atau tarik F dalam

poros pegas.

Menurut Gambar 2.10, pegas jenis ini umum digunakan untuk gaya sentris.

Ujung pegas terletak berurutan 180° (jumlah gulungan total dengan ½ ujung-

ujungnya). Pegas bekerja jika dikenakan suatu gaya F. Jika gaya F dan lengan tuas

pegas D/2, dihasilkan suatu penampang melintang kawat yang terletak tegak lurus

terhadap garis sekrup (sudut kenaikan α). Dari keadaan tersebut diperoleh:

Momen putar =2

cosDF

Gaya melintang = cosF

Momen tekuk =2

sinDF

Gaya tarik/tekan = sinF

a) untuk pembebanan tekanb) untuk pembebanan tekan dan tarikc) untuk pembebanan tarik. Gaya penegangan mula F0 = Fv.

Gambar 2.10. Pegas sekrup (Sumber: Elemen Mesin – Disain dan Kalkulasi DariSambungan, Bantalan dan Poros, 1992: hal 221)

24

Kebalikan dari tegangan putar pegas yang diakibatkan oleh momen putar, jika

pada α dan D/d kecil, maka tegangan sisa kembali. Perhitungannya hanya sesuai

dengan momen putar F D/2, bahwa cos α ≈ 1, dan dianggap untuk dapat dibebani

dinamis suatu tegangan geser yang ditinggikan dari sisi dalam gulungan melalui

kumparan kawat karena suatu nilai k yang tergantung pada perbandingan

kumparan, seperti pada Tabel 1. Pemindahan pegas f tidak begitu terpengaruh

oleh penegangan tambahan, sepanjang gulungan pegas tidak disentuh.

Tabel 1. Nilai k untuk penampang melintang lingkaran, tergantung pada w = D/d(Sumber: Elemen Mesin – Disain dan Kalkulasi Dari Sambungan,Bantalan dan Poros, 1992: hal 222)

D/d 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15k 2,05 1,55 1,38 1,29 1,23 1,20 1,17 1,15 1,13 1,11 1,09

Perhitungan Umum [Nieman, 1975: hal 221]

Perhitungan kemampuan pegas (statis):

F =D

Wt 2.......................................................................................(2.26)

Perhitungan kemampuan pegas (dinamis):

F =Dk

Wt

2

.......................................................................................(2.27)

Pemindahan pegas:

f =t

f

JG

FDi

4

3.............................................................................(2.28)

Angka pegas:

c =f

F

=3

4

Di

JG

f

t

.......................................................................(2.29)

25

Pegas Dengan Penampang Melintang Dari Kawat [Nieman, 1975: hal 221]

F =D

d

8

3(statis)...................................................................... (2.30)

maka diameter kawat d dengan perbandingan kumparan ω = D/d;

d = 38

DF

=

F8

........................................................... (2.31)

F =Dk

d

8

3(dinamis)................................................................. (2.32)

dan kemudian diameter kawat menjadi:

d = 38

kDF

= kF

8..................................................... (2.33)

f =4

38

dG

FiD f

.......................................................................... (2.34)

c =3

4

8 Di

dG

f

=38

fi

dG........................................................... (2.35)

Jumlah dari gulungan yang memegas:

if = kD

dGf

2

(statis, k = 1)...................................................... (2.36)

26

BAB III

PERANCANGAN MASSA BANDUL KOPLING SENTRIFUGAL

3.1. Daya Angin

Dengan menggunakan persamaan (2.4) dari Bab II, dapat langsung diketahui

daya yang tersedia, dimana pada keadaan pengujian variabel-variabel yang

diketahui adalah antara lain :

Dkincir = 1005.59 mm

Akincir = 24 kincirD

= 259.10054

mm

= 794523,1253 mm2

= 0.8 m2

Vangin = 7,5 m/s ; pada putaran kincir = 136 rpm

W = 32 5.78.061225,0 m

= 27.4 N.m/s (Watt)

Untuk melaksanakan pengujian, diperlukan suatu alat pengkondisi kecepatan

aliran udara berupa terowongan angin yang dapat dilihat seperti pada Gambar 3.1.

Terowongan angin tersebut mampu menghasilkan kecepatan angin sampai dengan

8 m/s, dengan dimensi terowongan 1200 mm x 1200 mm x 2400 mm.

27

Gambar 3.1. Terowongan angin milik Jurusan Teknik Mesin UniversitasSanata Dharma Yogyakarta

3.2. Transmisi

Karena kopling sentrifugal merupakan suatu kopling dengan karakteristik

putaran tinggi untuk dapat bekerja, maka dibutuhkan suatu mekanisme transmisi

untuk mempercepat putaran output. Dipilih penggunaan kombinasi antara puli dan

sabuk serta perbandingan roda gigi, untuk mendapatkan dimensi yang kompak

dari keseluruhan sistem kincir.

Gambar 3.2. Sistem transmisi pada kincir angin

Sistem transmisi sabuk-puli danroda gigi

Koplingsentrifugal

Altenator

28

Perbandingan total untuk sistem transmisi adalah sebesar 9,586 dengan

perbandingan sabuk-puli dan roda gigi masing-masing adalah sebesar 3,92 dan

2,45 ratio percepatan. Gambar skematik dari sistem transmisi ini dapat dilihat

seperti Gambar 3.2.

3.3. Kopling Sentrifugal

Secara skematik, kopling sentrifugal hasil perancangan dapat dilihat pada

Gambar 3.3. Kopling ini bekerja berdasarkan jumlah putaran penggerak kopling

dan meneruskan putaran tersebut melalui komponen tergerak kopling.

Keterangan Gambar : a. Komponen tergerak koplingb. Lubang pengaitc. Sepatu koplingd. Komponen penggerak koplinge. Pegas koplingf. Bandul/massa sepatu kopling

Gambar 3.3. Sketsa kopling hasil perancangan

Untuk perhitungan awal, perlu ditentukan dimensi kopling. Dimensi kopling

perlu dibuat sedemikian rupa agar rancangan tetap kompak, namun dari segi

pembuatan dengan peralatan perkakas terbatas masih dimungkinkan. Dimensi-

c

d

e

f

a

b

29

dimensi utama kopling yang berhasil dibuat adalah seperti terlihat pada Gambar

3.4.

(a)

(b)

Gambar 3.4. Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang digunakan

Selain dimensi kopling, juga perlu ditentukan putaran kopling saat mulai

bekerja. Disini digunakan asumsi putaran kopling mulai bekerja pada 400 rpm,

500 rpm, dan 600 rpm.

Menurut persamaan (2.24), variabel-variabel yang menentukan kerja kopling

sentrifugal adalah massa bandul (m), jari-jari bandul terhadap pusat lintasan (R)

dan kecepatan sudut bandul terhadap pusat lintasan (ω).

30

Gambar 3.5. Statika gaya-gaya yang bekerja pada sepatu kopling

Analisis gaya-gaya yang bekerja pada kopling secara skematik dapat dilihat

pada Gambar 3.5. Sepatu kopling dianggap sebagai suatu mekanisme batang

dengan sambungan sendi. Beberapa gaya yang harus bekerja pada sepatu kopling

antara lain gaya pegas (Fp), gaya sentrifugal akibat pusat massa sepatu kopling

(Fc2) dan gaya sentrifugal akibat massa bandul (Fc1).

Gaya pegas merupakan gaya yang bekerja untuk melawan gaya sentrifugal

massa bandul dan pusat massa sepatu kopling. Jumlah momen yang bekerja pada

poros sepatu kopling (titik A) pada saat kopling mulai bekerja akibat pengaruh

putaran poros inputnya harus sama dengan nol, atau dapat dituliskan sebagai

berikut :

03,12,21 LFLFLFM ycycpA ...............................(3.1)

dengan : Fp = gaya pegas

Fc1,y = gaya vektor tegak lurus sepatu kopling akibat gaya

sentrifugal massa bandul

31

Fc2,y = gaya vektor tegak lurus sepatu kopling akibat gaya

sentrifugal pusat massa sepatu kopling.

Sedangkan ;

cos1,1 cyc FF ................................................................................. (3.2)

cos2,2 cyc FF ................................................................................. (3.3)

Sudut α dan β ditentukan oleh sudut γ, δ dan ε, dimana masing-masing sudut

penentu tersebut dipengaruhi oleh posisi sepatu kopling terhadap sumbu poros

kopling penggerak. Sudut α dan β dapat diperoleh dari persamaan :

90 ................................................................................. (3.4)

90 .................................................................................(3.5)

Untuk menentukan besarnya gaya sentrifugal akibat dari massa bandul (Fc1)

dan gaya sentrifugal akibat pusat massa sepatu kopling (Fc2) dapat diperoleh

dengan penyesuaian dari persamaan (2.24), yaitu :

21 mc RmF ..................................................................................(3.6)

22 cgskc RmF .............................................................................. (3.7)

dengan : m = massa bandul

msk = massa sepatu kopling

ω = kecepatan sudut yang direncanakan

Rm = jarak bandul terhadap sumbu kopling

Rcg = jarak pusat massa sepatu kopling terhadap sumbu

kopling

32

3.3.1. Massa Bandul Maksimum

Karena terbatasnya ruang di bagian dalam kopling, massa bandul yang

digunakan pada penelitian ini memiliki massa maksimum yang sangat tergantung

dari dimensi ruang bagian dalam kopling. Dimensi maksimum dari bandul

digambarkan seperti pada Gambar 3.6, dimana massa bandul pada dimensi

tersebut adalah seberat 20 gram. Bandul yang digunakan untuk setiap sepatu

kopling berjumlah dua buah, sehingga massa total bandul untuk masing-masing

sepatu kopling adalah sebesar 40 gram.

Gambar 3.6. Dimensi bandul maksimum

Bandul yang digunakan terbuat dari bahan poros pejal baja lunak yang

dibubut. Penggunaan bahan dari baja lunak mempertimbangkan massa jenis

terbesar dan kemungkinan proses produksi pembentukan bahan tersebut lebih

mudah jika dibandingkan dengan besi tuang.

33

3.3.2. Pemilihan Tipe Pegas

Pegas yang digunakan harus disesuaikan dengan massa bandul maksimum dan

putaran terkopel yang direncanakan. Pada awal perancangan, dipilih tiga tipe

pegas, yaitu :

Tipe A (Hard)

Tipe B (Medium)

Tipe C (Soft)

Ketiga pegas tersebut masing-masing kemudian dicari harga defleksi pegas

pada pembebanan tertentu. Metode yang digunakan untuk mencari harga defleksi

masing-masing pegas adalah dengan pembebanan konstan bertahap dan

pengukuran defleksi pegas yang dilakukan pada masing-masing beban seperti

terlihat pada Gambar 3.7. Hasil pengukuran tiap-tiap pegas dapat dilihat pada

Tabel 2 untuk pegas Tipe A, Tabel 3 untuk pegas Tipe B, Tabel 4 untuk pegas

Tipe C, serta Gambar 3.8. sebagai grafik pembanding beban vs defleksi pegas.

Keterangan gambar :

a. Mekanisme penarik

b. Tuas pengatur

c. Indikator jumlah beban

d. Pegas uji

e. Landasan pegas

Gambar 3.7. Alat untuk mencari konstanta pegas

a

b

c

d

e

34

Tabel 2. Data pembebanan pegas Tipe A (Lp1 = 27 mm)

No pengujian Beban (kg) xi (mm) Δx (mm)5 11.00 2.006 11.15 2.157 11.45 2.458 11.75 2.759 12.00 3.00

1

10 12.25 3.255 11.00 2.006 11.15 2.157 11.50 2.508 11.80 2.809 12.00 3.00

2

10 12.20 3.205 11.00 2.006 11.25 2.257 11.50 2.508 11.70 2.709 12.00 3.00

3

10 12.20 3.205 11.00 2.006 11.25 2.257 11.55 2.558 11.70 2.709 12.00 3.00

4

10 12.45 3.45

Beban(kg)

Rata-rataxi (mm)

Rata-rataΔx (mm)

5 11.00 2.00

6 11.20 2.20

7 11.50 2.50

8 11.74 2.74

9 12.00 3.00

10 12.28 3.28

11 12.44 3.44

12 12.76 3.76

13 13.00 4.00

14 13.25 4.25

15 13.48 4.48

Dari data–data pada Tabel 2 diperoleh, harga K untuk pegas tipe A sebesar29677.26 N/m.

35

Tabel 3. Data pembebanan pegas Tipe B (Lp2 = 26 mm)

No pengujian Beban (kg) xi (mm) Δx (mm)1 26.75 0.752 27.30 1.303 28.00 2.004 28.70 2.705 29.20 3.206 30.00 4.00

1

7 30.75 4.751 26.75 0.752 27.20 1.203 28.00 2.004 28.75 2.755 29.50 3.506 30.00 4.00

2

7 30.60 4.601 26.55 0.552 27.00 1.003 27.50 1.504 28.00 2.005 28.75 2.756 29.25 3.25

3

7 29.85 3.851 26.75 0.752 27.00 1.003 27.75 1.754 28.00 2.005 28.75 2.756 29.30 3.30

4

7 29.85 3.85

Beban(kg)

Rata-rataxi (mm)

Rata-rataΔx (mm)

1 26.7 0.7

2 27.13 1.13

3 27.81 1.81

4 28.36 2.36

5 29.05 3.05

6 29.64 3.64

7 30.26 4.26

Dari data-data pada Tabel 3 diperoleh harga K untuk pegas tipe B sebesar16090.85 N/m.

36

Tabel 4. Data pembebanan pegas Tipe C (Lp3 = 22 mm)

Nopengujian

Beban (kg) xi (mm) Δx (mm)

0.5 27.6 5.6

0.75 29.6 7.6

1 31.6 9.6

1.25 32.95 10.95

1

1.5 34.3 12.3

0.5 27.55 5.55

0.75 29.03 7.03

1 30.5 8.5

1.25 31.75 9.75

2

1.5 33 11

0.5 27.4 5.4

0.75 29.38 7.38

1 31.35 9.35

1.25 32.83 10.83

3

1.5 34.3 12.3

0.5 27.85 5.85

0.75 28.93 6.93

1 30 8

1.25 31.5 9.5

4

1.5 33 11

Beban(kg) Rata-rata xi (mm) Rata-rata Δx (mm)

0.5 27.6 5.60.75 29.23 7.23

1 30.86 8.861.25 32.26 10.261.5 33.65 11.65

Dari data-data pada Tabel 3 diperoleh harga K untuk pegas tipe B sebesar1091.803 N/m

37

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12 14

Be ba n (kg)

Def

leks

i (m

m)

Tipe ATipe BTipe C

Gambar 3.8. Grafik perbandingan beban vs defleksi pegas.

3.3.3. Pemilihan Massa Bandul

Setelah data dari masing-masing pegas diketahui, selanjutnya dilakukan

perhitungan untuk menentukan massa bandul, dilihat dari perhitungan gaya

sentrifugal yang bekerja pada sepatu kopling.

Dari gambar 3.5, jika diketahui masing-masing dimensi kopling sebagai

berikut :

γ = 64° δ = 25,51°

ε = 64,51° Rm = 47,3 mm

Rcg = 37 mm L1 = 16,59 mm

L2 = 17,66 mm L3 = 47,1 mm

L4 = 27 mm g = 9810 mm/s2

msk = 60 gram dsk = 15 mm

= 588600 mm.gr/s2

38

Dimana dsk merupakan jarak defleksi ujung sepatu kopling (titik D) pada saat

kontak dengan komponen tergerak kopling. Sedangkan msk adalah massa sepatu

kopling yang bekerja pada pusat massa (cg) sepatu kopling tersebut.

Dari Persamaan (3.4) dan (3.5) diperoleh :

9051,6464

51,38

dan

9051,6451,25 02,0

Mass properties of cg sepatu kopling_reff 0-0 ( Part Configuration -Default )Output coordinate System: -- default --Density = 0.01 grams per cubic millimeter

Mass = 57.50 gramsVolume = 7187.29 cubic millimetersSurface area = 3723.20 square millimetersCenter of mass: ( millimeters )X = 38.23Y = 5.16Z = 4.00

Gambar 3.9. Pusat massa sepatu kopling.

Pusat massa sepatu kopling diperoleh dengan metode grafis, dimana model

dari sepatu kopling digambar menggunakan software SolidWork 2005 untuk

mengetahui titik pusat massanya. Pusat massa sepatu kopling hasil pengolahan

gambar software ini dapat dilihat pada Gambar 3.9.

Sebelum dilakukan perhitungan, perlu diketahui terlebih dahulu defleksi yang

terjadi pada pegas (dp0) jika dipengaruhi oleh defleksi sepatu kopling (dsk).

Defleksi pegas diberikan oleh :

39

13

0 LL

dd sk

p

mmmm

mmd p 59,16

1,47

150 = 5,284 mm

Perhitungan untuk pegas Tipe A

Dari Tabel 2 diketahui panjang pegas = 27 mm dan defleksi total pegas

adalah :

014 ppp dLLd

mmmmmmd p 284,52727 = 5,284 mm = 0.005284 m

Dengan menggunakan interpolasi data rata-rata dari Tabel 2, untuk dp = 5,284

mm,

kgkgkgmmmm

mmmmm p 141415

25,448,4

25,4284,5

kgm p 495,18

dan

2/98102,18495 smmgrFp 181438065,5 gr.mm/s2

Pegas Tipe A Pada Putaran 400 rpm

Kecepatan sudut diperoleh dari :

N60

2

rpm40060

2

= 41,905 rad/s

40

Dengan menggunakan persamaan (3.7) diperoleh :

22 cg

RmF skc

22 /905,413760 sradmmgrFc

= 3899421,2 mm.gr/s2

Dari Persamaan (3.3) :

02,0cos/.2,3899421 2,2 sgrmmF yc

2,2 /.3899421 sgrmmF yc

Dari Persamaan (3.1) diketahui :

03,12,21 LFLFLFM ycycpA

Maka

3

2,21,1 L

LFLFF ycp

yc

mm

mmsgrmmmmsmmgrF yc 1,47

66,17/.389942159,16/.5,181438065 22

,1

= 62451164,9 gr.mm/s2

Dari Persamaan (3.2) diperoleh :

cos,1

1yc

c

FF

22

1 /.8,7980984651,38cos

/.9,62451164smmgr

smmgrFc

Kemudian dari Persamaan (3.6) diperoleh massa bandul sebesar :

21

m

c

R

Fm

41

22

/905,413,47

/.8,79809846

sradmm

smmgrm

= 961 gram

Dari hasil perhitungan dapat ditarik kesimpulan bahwa pegas Tipe A tidak

memenuhi syarat massa bandul kurang dari atau sama dengan 40 gram

Perhitungan untuk pegas Tipe B

Dari Tabel 3 diketahui panjang pegas = 26 mm dan defleksi total pegas adalah :

024 ppp dLLd

mmmmmmd p 284,52627 = 6,284 mm


mm,

kgkgkgmmmm

mmmmm p 667

64,326,4

64,3284,6

kgm p 264,10

dan

2/981035,10264 smmgrFp 100693314.6 gr.mm/s2

Pegas Tipe B Pada Putaran 400 rpm


N60

2

42

rpm40060

2

= 41,905 rad/s


22 cg

RmF skc


= 3899421,2 mm.gr/s2


02,0cos/.2,3899421 2,2 sgrmmF yc

2,2 /.3899421 sgrmmF yc



Maka

3

2,21,1 L

LFLFF ycp

yc

mm


66,17/.389942159,16/.6,100693314 22

,1

= 34008021.1 gr.mm/s2


cos,1

1yc

c

FF

22

1 /.8,4346075751,38cos

/.1,34008021smmgr

smmgrFc


43

21

m

c

R

Fm

22

/905,413,47

/.8,43460757

sradmm

smmgrm

= 523.25 gram

Dari hasil perhitungan dapat ditarik kesimpulan bahwa pegas Tipe B tidak

memenuhi syarat massa bandul kurang dari atau sama dengan 40 gram

Perhitungan untuk pegas Tipe C

Dari Tabel 4 diketahui panjang pegas = 22 mm dan defleksi total pegas

adalah,

034 ppp dLLd

mmmmmmd p 284,52227 = 10,284 mm


mm :

kgkgkgmmmm

mmmmm p 25.125.15.1

26.1065.11

26.10284,10

kgm p 254,1

dan

2/98103,1254 smmgrFp 12304668.18 gr.mm/s2

44

Pegas Tipe C Pada Putaran 400 rpm


N60

2

rpm40060

2

= 41,905 rad/s


22 cg

RmF skc


= 3899421,2 mm.gr/s2


02,0cos/.2,3899421 2,2 sgrmmF yc

2,2 /.3899421 sgrmmF yc



Maka

3

2,21,1 L

LFLFF ycp

yc

mm


66,17/.389942159,16/.18,12304668 22

,1

= 2872238.86 gr.mm/s2


cos,1

1yc

c

FF

45

22

1 /.3670595.1651,38cos

/.2872238.86smmgr

smmgrFc


21

m

c

R

Fm

22

/905,413,47

/.3670595.16

sradmm

smmgrm

= 44.19 gram



N60

2

rpm50060

2

= 52,4 rad/s


22 cg

RmF skc


= 6092845.68 mm.gr/s2


02,0cos/.6092845.68 2,2 sgrmmF yc

2,2 /.6092845.31 sgrmmF yc



46

Maka:

3

2,21,1 L

LFLFF ycp

yc

mm


66,17/.31,609284559,16/.18,12304668 22

,1

= 2049749.55 gr.mm/s2


cos,1

1yc

c

FF

22

1 /.93,619489251,38cos

/.55,2049749smmgr

smmgrFc


21

m

c

R

Fm

22

/52,43,47

/.2619489.93

sradmm

smmgrm

= 20.18 gram



N60

2

rpm60060

2

= 62,86 rad/s


22 cg

RmF skc

47


= 8773697.78 mm.gr/s2


02,0cos/.78,7736978 2,2 sgrmmF yc

2,2 /.25,7736978 sgrmmF yc



Maka

3

2,21,1 L

LFLFF ycp

yc

mm


66,17/.8773697.2559,16/.812304668.1 22

,1

= 1044484.83 gr.mm/s2


cos,1

1yc

c

FF

22

1 /.1334805.7551,38cos

/.1044484.83smmgr

smmgrFc


21

m

c

R

Fm

22

/52,43,47

/.75,1334805

sradmm

smmgrm

= 7.14 gram

48

Dari hasil perhitungan, pegas Tipe C memenuhi syarat massa bandul kurang

dari atau sama dengan 40 gram

Hasil dari perhitungan di atas menunjukkan pegas yang sesuai untuk massa

bandul maksimum kurang dari atau sama dengan 40 gram adalah pegas Tipe C

dengan karakteristik soft, dengan data-data pengujian pembebanan konstan seperti

terlihat pada Tabel 4.

49

BAB IV

CARA PENELITIAN

4.1. Cara Pemasangan Beban Alternator

Rangkaian kelistrikan alternator yang digunakan pada penelitian ini dapat

dilihat pada Gambar 4.1. Alternator yang digunakan langsung dialiri arus listrik

pada bagian rotornya untuk menciptakan medan elektromagnetik. Dengan begitu,

alternator seolah-olah memiliki magnet permanen pada rotornya, dan kemudian

rotor akan memberikan fluks magnet pada bagian stator untuk menghasilkan

listrik output alternator. Disini, alternator tidak dianggap sebagai penghasil listrik,

namun lebih sebagai beban untuk mengetahui kerja dari model kopling sentrifugal

yang telah dibuat.

a. Kumparan statorb. Kumparan rotorc. Ampere meter input (baterai)d. Ampere meter output (beban)e. Beban lampuf. Volt meter inputg. Sikat arang statorh. Volt meter inputi. Baterai 12 V (sumber daya)

Gambar 4.1. Rangkaian kelistrikan alternator hasil modifikasi

a b c d e f

g h i

50

(a) (b) (c)

a. Kincir angin yang telah terpasang di terowongan angin dan siap untuk diujib. Bagian belakang kincir anginc. Sistem transmisi, kopling sentrifugal dan alternator yang akan

diuji

Gambar 4.2. Sistem kincir angin yang akan diuji

Keterangan gambar : a. Beban LED (1); 12 Vb. Saklar Beban LED (1)c. Beban Lampu (1); 12 Vd. Beban Lampu (2); 12 Ve. Saklar Beban Lampu (1)f. Saklar Beban Lampu (2)g. Saklar Beban LED (2)h. Beban LED (2); 12 V

Gambar 4.3. Beban lampu yang digunakan saat pengujian

b

c d e f g

a

h

51

Secara aktual, bentuk dari keseluruhan model dari sistem “Kopling Sentrifugal

Sebagai Penerus Daya Kincir Angin” ini dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Sedangkan untuk beban output (keterangan e pada Gambar 4.1), peneliti

menggunakan suatu rangkaian lampu 12 Watt dan beberapa buah LED yang

disusun seri. Secara aktual, beban lampu ini dapat dilihat pada Gambar 4.3.

4.2. Mengetahui Putaran Kincir Tanpa Beban Alternator

Tujuan dalam pengambilan data ini adalah untuk mengetahui putaran output

kincir angin yang berputar tanpa beban pada kecepatan angin tertentu. Kecepatan

angin dalam terowongan angin divariasikan pada kondisi tertentu, yaitu pada 4

m/s sampai dengan 8 m/s, dengan rentang kecepatan tiap 0,5 m/s. Kemudian

dilakukan pencatatan data untuk tiap-tiap kondisi kecepatan angin tersebut.

4.3. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada

Kecepatan Angin Konstan

Pengambilan data putaran kincir yang terbebani alternator pada kecepatan

angin konstan ini bertujuan untuk mengetahui turunnya putaran kincir angin jika

alternator diberikan beban tertentu pada kecepatan angin konstan. Pengujian

dilakukan pada tiap-tiap variasi massa bandul kopling. Penurunan putaran kincir

nantinya akan berdampak pada terjadinya putaran slip pada kopling.

Pada awalnya, alternator beserta baterai dan alat ukur dirangkai sesuai dengan

sirkuit rangkaian seperti pada Gambar 4.1. Beban lampu yang digunakan seperti

terlihat pada Gambar 4.3. Kecepatan angin dipertahankan konstan, dengan artian

52

posisi terowongan angin tidak berubah, kemudian beban ditambah secara bertahap

dengan cara menyalakan saklar-saklar pada rangkaian beban satu persatu sampai

didapatkan keadaan dimana kopling berputar tanpa slip dan kopling berputar slip.

Variabel-variabel yang dibutuhkan pada saat pengambilan data ini diilustrasikan

seperti terlihat pada bagian lampiran LI, LII dan LIII.

4.4. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Variasi

Kecepatan Angin

Pengambilan data yang terakhir bertujuan untuk mengetahui putaran slip

kopling pada variasi kecepatan angin dengan beban konstan. Rangkaian sirkuit

pembebanan yang digunakan seperti terlihat pada Gambar 4.1, namun tanpa

menggunakan beban lampu. Keadaan ini dimaksudkan untuk mengurangi daya

yang harus ditransmisikan kopling agar putaran slip dan putaran tanpa slip yang

terjadi masih dapat diketahui pada kecepatan angin maksimum. Pengujian

dilakukan pada tiap-tiap massa bandul kopling. Pengkondisian kecepatan angin

pada terowongan angin dilakukan dengan cara memajukan dan memundurkan

terowongan angin. Format pengambilan data pada pengujian ini dapat dilihat pada

bagian lampiran LI, LII dan LIII.

53

BAB V

HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Pembahasan Pengaruh Kecepatan Angin Pada Putaran Kincir Tanpa

Beban

Pada bagian ini, pengambilan data-data difokuskan pada pengaruh variasi

kecepatan angin terhadap putaran kincir angin yang tidak dibebani oleh

pembebanan alternator. Putaran kincir hanya dibebani untuk menggerakkan sistem

transmisi dan kopling. Untuk putaran kincir yang dibebani oleh daya pembebanan

alternator akan disajikan pada sub bab setelah ini. Penyajian data-data hasil

pengujian disajikan seperti pada Tabel 5.

Tabel 5. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan beban alternator = 0

Putaran (rpm)No.

Kec.Angin(m/s) Kincir Poros

TransmisiAlternator

1 4.50 0.00 0.00 0.002 5.00 19.60 187.89 187.893 5.50 49.50 474.51 474.514 6.00 70.20 672.94 672.945 6.50 82.40 789.89 789.896 7.00 102.00 977.77 977.777 7.50 123.00 1179.08 1179.088 8.00 133.10 1275.90 1275.90

Pada Tabel 5. terlihat bahwa pengaruh kecepatan angin adalah berbanding

lurus dengan putaran kincir angin. Kecepatan angin yang dibutuhkan untuk mulai

menggerakkan kincir angin adalah sebesar 5 m/s. Selanjutnya, putaran kincir akan

54

bertambah seiring dengan bertambahnya kecepatan angin. Gambar 5.1

memperlihatkan grafik dari hasil pengolahan data pada Tabel 5.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

4.00 5.00 6.00 7.00 8.00

Kecepatan angin (m/s)

Puta

ran

kinc

ir (r

pm)

Gambar 5.1. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran kincir

4.2. Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 10 gr

Untuk massa bandul kopling seberat 10 gram, pengambilan data yang pertama

adalah variasi kecepatan angin pada putaran kincir dengan pembebanan daya

pembebanan alternator konstan. Pada Tabel 6 dapat dilihat bahwa terjadi sedikit

perubahan pada daya inputan dari baterai. Hal ini disebabkan berkurangnya daya

baterai akibat dikonsumsi oleh kumparan stator pada alternator untuk menciptakan

gaya elektromagnetik dan dapat dianggap sebagai harga konstan.

55

Tabel 6. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dengan pembebanan alternator

Putaran (rpm) Tegangan (V) Arus (I)

No.Kec.

Angin(m/s) Kincir

PorosTransmisi Alternator

Input(Volt)

Output(Volt)

Input(Ampere)

Output(Ampere)

1 4.50 0.00 0.00 0.00 32.00 0.00 3.36 0.002 5.00 0.00 0.00 0.00 32.00 0.00 3.36 0.003 5.50 0.00 0.00 0.00 32.00 0.00 3.36 0.004 6.00 26.08 250.00 85.00 32.00 0.00 3.36 0.005 6.50 35.52 340.50 127.80 32.00 0.00 3.30 0.006 7.00 51.12 490.00 300.00 32.00 0.00 3.30 0.007 7.50 70.94 680.00 470.00 32.00 0.00 3.26 0.008 8.00 73.44 704.00 605.00 32.00 0.00 3.24 0.00

0100200300400500600700

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8


Puta

ran

poro

s (r

pm)

Putaran (rpm) Poros Transmisi Putaran (rpm) Altenator

Gambar 5.2. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi danalternator (m = 10 gr)

Pada Gambar 5.2. tampak bahwa garis pada grafik untuk putaran poros

transmisi dengan rotor alternator terpisah yang berarti bahwa terjadi putaran slip

pada kopling, dimana kopling tidak mampu meneruskan torsi penuh dari transmisi

akibat beban pembebanan alternator, walaupun pada kecepatan angin maksimum

56

sebesar 8 m/s. Dengan kata lain, kopling membutuhkan kecepatan angin yang

lebih dari 8 m/s untuk mempercepat putaran poros transmisi agar tidak terjadi slip.

Selanjutnya untuk mengetahui pengaruh kecepatan angin konstan pada kincir

dapat dilihat pada Tabel 7. Beban alternator ditingkatkan secara bertahap dari

tanpa beban, putaran dengan beban tanpa slip dan putaran dengan beban slip.

Tabel 7. Pembebanan bertahap pada alternator

Putaran (rpm) Tegangan(V)

Arus(Ampere)

No.

Kec.Angin(m/s) Kincir

PorosTransmis

i

Alternator In Out In Out

DayaTotal(W)

1 6.87 120.35 1153.68 1153.68 0.00 0.00 0.00 0.00 0.002 7.11 129.73 1243.55 1243.55 0.00 0.00 0.00 0.00 0.003 7.28 136.38 1307.30 1307.30 0.00 0.00 0.00 0.00 0.004 7.38 140.65 1348.28 1348.28 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00Pu

tara

nTa

npa

Beb

an

5 7.54 144.80 1388.06 1388.06 0.00 0.00 0.00 0.00 0.006 6.87 60.83 583.07 583.07 4.58 0.01 0.82 0.01 3.757 7.11 65.40 626.93 626.93 4.60 0.02 0.82 0.01 3.788 7.28 66.00 632.68 632.68 4.60 0.02 0.84 0.01 3.849 7.38 67.43 646.34 646.34 4.60 0.02 0.84 0.01 3.86Pu

tara

nta

npa

slip

10 7.54 69.10 662.40 662.40 4.60 0.03 0.86 0.01 3.9611 6.87 54.43 521.73 133.00 25.00 0.18 2.60 0.08 64.8912 7.11 55.70 533.93 143.28 25.00 0.18 2.60 0.08 65.0113 7.28 56.86 545.05 149.38 25.00 0.18 2.61 0.08 65.1414 7.38 58.18 557.75 160.35 25.00 0.18 2.61 0.09 65.33

Puta

ran

Slip

15 7.54 65.29 625.85 174.73 26.25 0.18 2.65 0.10 69.51Nilai Rata-Rata

PutaranTanpaBeban

7.23 134.38 1288.17 1288.17 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

PutaranTanpa

Slip7.23 65.75 630.28 630.28 4.60 0.02 0.84 0.01 3.84

PutaranSlip 7.23 58.09 556.86 152.15 25.25 0.18 2.61 0.08 65.98

57

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

0 10 20 30 40 50 60 70

Daya pembebanan altenator (W)

Puta

ran

Poro

s (rp

m)

transmisialtenator

Gambar 5.3. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 10 gr).

Untuk melihat pengaruh pembebanan alternator pada putaran transmisi dan

reaksi kopling secara lebih jelas dapat dilihat seperti pada grafik Gambar 5.3.

Pada Gambar 5.3, tampak bahwa terjadi slip kopling pada pembebanan alternator

dengan daya kurang dari 5 Watt pada putaran transmisi 630 rpm, ditunjukkan

pada terpisahnya garis grafik antara putaran poros transmisi dengan putaran poros

alternator pada titik tersebut.


Untuk massa bandul kopling seberat 20 gram, pengambilan data variasi

kecepatan angin pada putaran kincir dengan pembebanan daya pembebanan

alternator konstan ditunjukkan pada Tabel 8.

58

Tabel 8. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator dibebani


No.Kec.

Angin(m/s) Kincir


Input(Volt)

Output(Volt)

Input(Ampere)

Output(Ampere)

1 4.50 0.00 0.00 0.00 33.00 0.00 3.26 0.002 5.00 25.56 245.00 0.00 33.00 0.00 3.26 0.003 5.50 20.34 195.00 62.90 33.00 0.00 3.26 0.004 6.00 30.98 297.00 113.50 33.00 0.00 3.21 0.005 6.50 41.94 402.00 250.00 33.00 0.00 3.21 0.006 7.00 54.77 525.00 471.00 33.00 0.00 3.20 0.007 7.50 65.72 630.00 575.00 33.00 0.00 3.20 0.008 8.00 73.54 705.00 705.00 33.00 0.00 3.20 0.00

050

100150200250300350400450500550600650700750

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8


Puta

ran

poro

s (r

pm)



Berbeda dengan grafik pada Gambar 5.3, pada grafik Gambar 5.4. terjadi slip

kopling pada kecepatan angin rendah. Namun pada kecepatan angin = 8 m/s,

kopling mulai berputar tanpa slip dan daya pembebanan alternator dapat diatasi.

59

Keadaan ini ditunjukkan dari menyatunya garis putaran poros transmisi dan

putaran poros alternator pada kecepatan angin 8 m/s. Namun pada kecepatan

angin 5 m/s, putaran transmisi memiliki range yang jauh dibandingkan dengan

putaran alternator akibat kopling mengalami slip penuh (output kopling sama

sekali tidak berputar).



Arus(Ampere)

No.Kec.

Angin(m/s) Kincir Poros

Transmisi Alternator In Out In Out

DayaTotal(W)

1 7.33 86.63 830.39 830.39 0.00 0.00 0.00 0.00 0.002 7.43 89.83 861.07 861.07 0.00 0.00 0.00 0.00 0.003 7.58 93.18 893.18 893.18 0.00 0.00 0.00 0.00 0.004 7.75 96.58 925.77 925.77 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00Pu

tara

nTa

npa

Beb

an

5 7.94 98.73 946.38 946.38 0.00 0.00 0.00 0.00 0.006 7.46 62.05 594.81 594.81 20.00 0.24 0.82 0.02 16.407 7.68 63.78 611.35 611.35 20.00 0.25 0.82 0.02 16.468 7.70 65.98 632.44 632.44 20.00 0.26 0.84 0.02 16.719 7.77 69.15 662.88 662.88 20.00 0.28 0.84 0.02 16.81Pu

tara

nta

npa

slip

10 7.87 71.85 688.76 688.76 20.00 0.31 0.86 0.02 17.2111 7.16 53.35 452.10 371.75 25.00 0.18 2.60 0.02 64.8812 7.38 57.20 478.18 400.60 25.00 0.18 2.60 0.02 65.0013 7.47 58.78 492.18 413.15 25.00 0.18 2.61 0.02 65.1314 7.51 60.63 500.80 426.25 25.00 0.18 2.61 0.02 65.32

Puta

ran

Slip

15 7.64 63.45 533.15 449.35 26.25 0.18 2.65 0.02 69.50Nilai Rata-Rata

PutaranTanpaBeban

7.60 92.99 891.36 891.36 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

PutaranTanpa

Slip7.70 66.56 638.05 638.05 20.00 0.27 0.84 0.02 16.72

PutaranSlip 7.43 58.68 491.28 412.22 25.25 0.18 2.61 0.02 65.97

Selanjutnya untuk mengetahui pengaruh variasi beban pada kincir untuk

massa bandul 20 gram dapat dilihat pada Tabel 9. Beban alternator ditingkatkan

60

secara bertahap dari tanpa beban, putaran dengan beban tanpa slip dan putaran

dengan beban slip.

Untuk mengetahui pengaruh pembebanan alternator pada putaran transmisi

dan reaksi kopling secara lebih jelas dapat dilihat seperti pada grafik Gambar 5.5.

Jika dibandingkan dengan grafik pada Gambar 5.3, untuk massa bandul

kopling 20 gram terjadi peningkatan putaran kerja kopling tanpa slip. Kopling

masih mampu berputar tanpa slip pada beban alternator sebesar 16.72 W.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70


Puta

ran

Poro

s (rp

m)

transmisialtenator

Gambar 5.5. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 20 gr)


Untuk massa bandul kopling seberat 40 gram, pengambilan data variasi

kecepatan angin pada putaran kincir dengan pembebanan daya yang dikonsumsi

alternator konstan, ditunjukkan pada Tabel 10.

61

Tabel 10. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator dibebani


No.Kec.

Angin(m/s) Kincir


Input(Volt)

Output(Volt)

Input(Ampere)

Output(Ampere)

1 4.50 0.00 0.00 0.00 33.00 0.00 3.23 0.002 5.00 0.00 0.00 0.00 33.00 0.00 3.23 0.003 5.50 13.56 130.00 64.00 33.00 0.00 3.23 0.004 6.00 25.04 240.00 140.00 33.00 0.00 3.19 0.005 6.50 37.55 360.00 300.00 33.00 0.00 3.17 0.006 7.00 47.99 460.00 460.00 33.00 0.00 3.17 0.007 7.50 58.42 560.00 560.00 33.00 0.00 3.16 0.008 8.00 73.54 705.00 705.00 33.00 0.00 3.16 0.00

0

100

200

300

400

500

600

700

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8


Puta

ran

poro

s (rp

m)



Pada grafik Gambar 5.6, dengan kecepatan angin = 7 m/s, kopling mulai

berputar tanpa slip dan daya pembebanan alternator dapat diatasi. Berbeda dengan

penunjukkan pada grafik untuk massa bandul 10 gram dan 20 gram. Kecepatan

62

angin yang dibutuhkan untuk meneruskan daya dan putaran dari kincir angin lebih

kecil dengan daya pembebanan alternator yang sama.

Selanjutnya untuk mengetahui pengaruh variasi beban pada kincir untuk

massa bandul 40 gram dapat dilihat pada Tabel 11. Beban alternator ditingkatkan

secara bertahap dari tanpa beban, putaran dengan beban tanpa slip dan putaran

dengan beban slip.



Arus(Ampere)

No.Kec.

Angin(m/s) Kincir Poros

Transmisi Alternator In Out In Out

DayaTotal(W)

1 7.03 127.13 1218.63 1218.63 0.00 0.00 0.00 0.00 0.002 7.23 129.30 1239.48 1239.48 0.00 0.00 0.00 0.00 0.003 7.34 132.38 1268.95 1268.95 0.00 0.00 0.00 0.00 0.004 7.48 134.30 1287.41 1287.41 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00Pu

tara

nTa

npa

Beb

an

5 7.67 136.03 1303.94 1303.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.006 7.16 49.93 478.58 478.58 20.00 0.20 1.85 0.02 37.007 7.31 52.10 499.43 499.43 20.00 0.20 1.87 0.03 37.418 7.45 53.40 511.90 511.90 20.00 0.21 1.89 0.03 37.769 7.51 54.40 521.48 521.48 20.00 0.21 1.89 0.03 37.86Pu

tara

nta

npa

slip

10 7.58 56.98 546.17 546.17 20.00 0.21 1.93 0.04 38.5611 7.09 44.35 425.15 198.48 19.50 0.06 1.91 0.04 37.3012 7.23 47.61 456.30 223.65 23.50 0.06 2.29 0.06 53.7613 7.35 49.00 467.15 231.88 27.00 0.06 2.60 0.08 70.2714 7.44 50.12 474.58 319.23 27.00 0.07 2.61 0.08 70.48

Puta

ran

Slip

15 7.52 53.09 487.18 396.83 28.50 0.11 2.78 0.09 79.10Nilai Rata-Rata

PutaranTanpaBeban

7.35 131.83 1263.68 1263.68 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

PutaranTanpa

Slip7.40 53.36 511.51 511.51 20.00 0.21 1.89 0.03 37.72

PutaranSlip 7.33 48.84 462.07 274.01 25.10 0.07 2.44 0.07 62.18

63

Untuk melihat pengaruh pembebanan alternator pada putaran transmisi dan

reaksi kopling secara lebih jelas dapat dilihat seperti pada grafik Gambar 5.7.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30 40 50 60 70


Puta

ran

Poro

s (rp

m)

transmisialtenator

Gambar 5.7. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 40 gr)

Pada grafik Gambar 5.7, untuk massa bandul kopling 40 gram, daya yang

mampu ditransmisikan kopling adalah lebih dari 37.72 Watt (daya yang

dikonsumsi alternator). Ini berarti untuk massa bandul kopling seberat 40 gram,

dengan kopling sentrifugal yang sama dan kecepatan angin tertentu, kopling

mampu mentransmisikan daya yang lebih besar dibandingkan dengan

menggunakan massa bandul 10 gram dan 20 gram.

4.5. Pembahasan Perbandingan Putaran Slip Kopling Pada Masing-Masing

Massa Bandul

Untuk mempermudah perbandingan putaran kerja kopling dari variasi ketiga

jenis massa bandul, pada Gambar 5.8. ditunjukkan grafik selisih putaran slip vs

64

kecepatan angin yang data-datanya diperoleh dari Tabel 5, Tabel 6, Tabel 8 dan

Tabel 10 yang kemudian ditampilkan kembali pada Tabel 12.

Tabel 12. Pengaruh kecepatan angin terhadap variasi massa bandul dan jumlahputaran slip kopling

Putaran (rpm)No.

Kec.Angin(m/s) Kincir Poros

Transmisi Alternator Jumlah putaranslip

1 4.50 0.00 0.00 0.00 0.002 5.00 19.60 187.89 187.89 0.003 5.50 49.50 474.51 474.51 0.004 6.00 70.20 672.94 672.94 0.005 6.50 82.40 789.89 789.89 0.006 7.00 102.00 977.77 977.77 0.007 7.50 123.00 1179.08 1179.08 0.00PU

TAR

AN

KIN

CIR

VAR

IASI

Van

gin,

BEB

AN

= 0

8 8.00 133.10 1275.90 1275.90 0.001 4.50 0.00 0.00 0.00 0.002 5.00 0.00 0.00 0.00 0.003 5.50 0.00 0.00 0.00 0.004 6.00 26.08 250.00 85.00 165.005 6.50 35.52 340.50 127.80 212.706 7.00 51.12 490.00 300.00 190.007 7.50 70.94 680.00 470.00 210.00PU

TAR

AN

KIN

CIR

VAR

IASI

Van

gin,

Mas

sa b

andu

l 10

gr

8 8.00 73.44 704.00 605.00 99.001 4.50 0.00 0.00 0.00 0.002 5.00 0.00 245.00 0.00 245.003 5.50 0.00 195.00 62.90 132.104 6.00 30.98 297.00 113.50 183.505 6.50 41.94 402.00 250.00 152.006 7.00 54.77 525.00 471.00 54.007 7.50 65.72 630.00 575.00 55.00PU

TAR

AN

KIN

CIR

VAR

IASI

Van

gin,

Mas

sa b

andu

l 20

gr

8 8.00 73.54 705.00 705.00 0.001 4.50 0.00 0.00 0.00 0.002 5.00 0.00 0.00 0.00 0.003 5.50 13.56 130.00 64.00 66.004 6.00 25.04 240.00 140.00 100.005 6.50 37.55 360.00 300.00 60.006 7.00 47.99 460.00 460.00 0.007 7.50 58.42 560.00 560.00 0.00PU

TAR

AN

KIN

CIR

VAR

IASI

Van

gin,

Mas

sa b

andu

l 40

gr

8 8.00 73.54 705.00 705.00 0.00

65

0

50

100

150

200

250

4 5 6 7 8


N tran

smis

i -

N alt (r

pm)

Tanpa beban m = 10 gr m = 20 gr m = 40 gr

Gambar 5.8. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran slip kopling

Dari grafik pada Gambar 5.8 maka dapat diketahui bahwa, untuk beban

alternator konstan pada masing-masing variasi massa bandul terdapat perbedaan

jumlah slip kopling, dimana untuk masing-masing massa bandul tersebut:

Bandul 10 gr : Jumlah putaran slip maksimum terjadi pada kecepatan

angin 6,5 m/s pada selisih putaran 212,7 rpm.


angin 5 m/s pada selisih putaran 245 rpm.


angin 6 m/s pada selisih putaran 100 rpm.

66

BAB VI

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan pembahasan maka dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut:

Untuk hasil pengujian putaran kerja kopling tanpa terjadinya slip, dari

variasi massa bandul kopling diperoleh:

Massa Bandul kopling 40 gram dengan:

Putaran kerja = 460 rpm

Kecepatan angin = 7 m/s


Putaran kerja = 705 rpm

Kecepatan angin = 8 m/s


Putaran kerja = tidak diketahui

Kecepatan angin = tidak diketahui

Terdapat perbedaan putaran slip pada variasi massa bandul kopling,

dimana untuk masing-masing massa bandul tersebut:

Bandul 10 gr : Slip terbesar terjadi pada kecepatan angin 6 m/s

dengan selisih putaran 212,7 rpm.

Bandul 20 gr : Slip terbesar terjadi pada kecepatan angin 6.5 m/s

dengan selisih putaran 245 rpm.

67

Bandul 40 gr : Slip terbesar terjadi pada kecepatan angin 6 m/s

dengan selisih putaran 100 rpm.

Dari grafik kerja kopling sentrifugal, untuk masing-masing variasi

massa bandul, diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran kincir tanpa beban

alternator.

Dengan menggunakan kincir angin jenis “American Windmill”

dengan diameter sudu 1005.59 mm diperoleh putaran output kincir

maksimum 1276 rpm pada kecepatan angin 8 m/s, dan putaran

output minimum 188 rpm pada kecepatan angin 5 m/s.

Grafik putaran poros vs pembebanan alternator pada variasi beban

alternator.

Pada kecepatan angin konstan, semakin besar massa bandul

kopling, semakin besar pula daya yang dapat dihantarkan kopling

tanpa terjadinya putaran slip.

Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran slip kopling pada

variasi kecepatan angin.

Untuk beban konstan, semakin besar massa bandul kopling,

semakin rendah kecepatan angin yang dibutuhkan agar kopling

dapat berputar tanpa slip.

68

5.2. Saran

Peneliti menyadari masih banyak sekali kekurangan dalam penelitian

penggunaan kopling sentrifugal pada kincir angin ini. Peneliti berharap penelitian

ini dapat terus disempurnakan sehingga hasilnya akan jauh lebih baik lagi.

Adapun beberapa saran yang ingin peneliti sampaikan adalah sebagai berikut:

Penelitian penggunaan kopling sentrifugal pada kincir angin dapat juga

dikembangkan dengan memvariasikan jumlah sepatu kopling dan

metode pengait sepatu kopling pada output kopling.

Untuk mengetahui daya yang dapat ditransmisikan kopling sentrifugal,

dapat juga dilakukan dengan menggunakan pembebanan rem torsi pada

output kopling, agar pengaruh putaran dan torsi yang mampu

ditransmisikan kopling dapat lebih mudah terbaca.

Rumus-rumus yang digunakan dalam perhitungan dirasakan peneliti

cukup sederhana. Namun yang menjadi masalah adalah, dibutuhkan

tingkat kepresisian yang tinggi untuk membuat model kopling

sentrifugal.

Pengetahuan tentang kelistrikan generator pembangkit listrik harus lebih

diperdalam oleh mahasiswa Teknik Mesin ataupun orang-orang yang

terlibat di dalamnya.

Asal usul dan segala detil dari generator (alternator) yang digunakan

dalam penelitian sebaiknya diketahui selengkap mungkin sebelum

dilakukannya penelitian. Hal ini nantinya akan memudahkan dalam

mengetahui jumlah daya yang harus disediakan oleh kincir angin.

69

Kincir angin akan mengalami penurunan putaran pada saat generator

dibebani. Untuk harga aman dalam perhitungan, minimal harus tersedia

putaran kincir tanpa beban dua kali lipat dari putaran dengan beban

generator yang direncanakan.

Indikator-indikator alat ukur pada saat dilakukan pengujian sebaiknya

berada di luar dari terowongan angin agar mudah membacanya,

70

DAFTAR PUSTAKA

Beer, F.P., dan, Johnston, E.R.Jr., 1987, Mekanika Untuk Insinyur: STATIKA,edisi keempat, Jakarta: Erlangga.

Cengel, Y.A., and, Boles, M.A., 2002, THERMODYNAMICS – An EngineeringAproach, 4th ed., New York: McGraw-Hill.

Holowenko, A.R., 1980, DINAMIKA PERMESINAN, Jakarta: ErlanggaLukiyanto, Y.B., 2007, Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin, Yogyakarta: FT-

USD.Niemann, G., 1992, Elemen Mesin – Disain dan Kalkulasi dari Sambungan,

Bantalan, dan Poros, Jilid I, halaman 220-222, Jakarta: Erlangga.Sularso, Suga, K., 1983, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin,

halaman 57, Jakarta: Pradnya Paramita.Sutrisno, 1997, Fisika Dasar - Mekanika, Edisi II, halaman 54-55 dan 60-63,

Bandung: ITB.http://www.backwoodshome.com, last update on March 15, 2007.http://www.bmg.go.id/, last update on March 13, 2007.http://www.e-smartschool.com/, last update on September 26, 2006.http://www.galerimotor.com, last update on November 25, 2007.http://www.honda.co.id/, last update on March 15, 2007.http://www.sfmuseum.org/, last update on March 15, 2007.http://www.wikipedia.org/, last update on March 13, 2007.http://www.windmillworld.com/, last update on March 15, 2007.http://www.windpower.org, last update on March 3, 2007.

L1

LAMPIRAN IPengambilan Data Untuk Massa Bandul 10 gr

L2

L3

L4

LAMPIRAN IIPengambilan Data Untuk Massa Bandul 20 gr

L5

L6

L7

LAMPIRAN IIIPengambilan Data Untuk Massa Bandul 40

g

L8

L9

L10

LAMPIRAN IVDATA KONSTRUKSI KOPLING DAN PEGAS

Tabel. Pengujian defleksi pegas Tipe C (soft)

No pengujian Beban (kg) xi (mm) Δx (mm)0.5 27.60 5.60

0.75 29.60 7.601 31.60 9.60

1.25 32.95 10.951

1.5 34.30 12.300.5 27.55 5.55

0.75 29.03 7.031 30.50 8.50

1.25 31.75 9.752

1.5 33.00 11.000.5 27.40 5.40

0.75 29.38 7.381 31.35 9.35

1.25 32.83 10.833

1.5 34.30 12.300.5 27.85 5.85

0.75 28.93 6.931 30.00 8.00

1.25 31.50 9.504

1.5 33.00 11.00

Beban (kg) Rata-rata xi (mm) Rata-rata Δx (mm)0.5 27.60 5.60

0.75 29.23 7.231 30.86 8.86

1.25 32.26 10.261.5 33.65 11.65

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Beban (kg)

Def

leks

i peg

as (m

m)

Documents

KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUS DAYA KINCIR ANGIN1].pdf · KOPLING SENTRIFUGAL SEBAGAI PENERUS DAYA KINCIR ANGIN NASKAH TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai