## RANCANG BANGUN KINCIR ANGIN UNTUK PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG BELAWAN
Arrahim 1 , Mulfi Hazwi 2 , Pramio G. Sembiring 3 , Mahadi 4 , Dian M. Nasution 5 , Marragi M. 6 1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: arrohim11@yahoo.com

## ABSTRAK
Berdasarkan  letaknya,  Indonesia  adalah  negara  yang berada  dikawasan  tropis.  Hal  ini menyebabkan karakterisktik angin Indonesia berbeda dengan kebanyakkan negara yang duluan memanfaatkan angin sebagai  sumber  energi.  Pengembangan  energi  angin  di  Indonesia  sendiri  perlu  menggunakan teknologi  yang  tidak  memiliki  penggaruh  dalam  perubahan  arah  angin  seperti  tipe  kincir  angin vertikal.  Perancangan  ini  menggunakan  tipe  kincir  angin  vertikal  Darrieus  tipe  H  rotor,  Sudunya sendiri  menggunakan NACA 4415,  panjang  cord  ©  0.4  m,  dan  jumlah  sudu  3  buah.  Dimensi  dari kincir angin  adalah  diameter  sapuan  1.5  m,  tinggi  sudu  1.5 m, lebar  kincir  angin  1.5 m, tinggi  total kincir  2.5  m  dan  berat  sudu  1.5  kg.  pada  perancangan  ini  menggunakan  aerator  tipe  paddle  wheel dengan berat 1.5 kg dan jumlah aerator 2 buah. Pengujian untuk rancangan ini menggunakan variasi kecepatan  dari  3 m/s, 3.5 m/s,  4  m/s,  4.5 m/s  dan 5 m/s.  Hal ini  untuk mengetahui  seberapa efisien rancangan yang telah dibuat. Sistem kerja kincir angin ini adalah sistem apung dengan menggunkan transmisi  untuk  meneruskan  putaran  dari  poros  kincir  ke  poros  aerator.  Perbandingan  roda  giginya adalah  1:2  (percepatan).  Hasil  rancangan  kincir  ini  didapat  efisiensi  putarannya  39-42%.  Putaran tertinggi poros kincir angin didapat sebesar 106 rpm pada kecepatan angin 5 m/s. Sedangkan putaran terendah didapat sebesar  65 rpm pada kecepatan angin 3 m/s. Putaran tertinggi poros aerator didapat sebesar  212  rpm  pada  kecepatan  5  m/s.  sedangkan  putaran  terendah  didapat  sebesar  130  rpm  pada kecepatan angin 3 m/s
Kata kunci : NACA , sudu, transmisi, kincir angin

## 1. PENDAHULUAN
Pada zaman sekarang kebutuhan akan energi menjadi hal yang sangat penting. Namun dalam pemenuhan kebutuhan akan energi terutama di Indonesia masih menggunakan bahan yang tidak dapat diperbarui seperti batubara, minyak bumi dan gas alam. Sehingga ketersediaan bahan bakunya sangat terbatas.  Hal  ini  telah memacu   manusia  untuk  mulai  memanfaatkan  sumber  energi  yang lain  untuk memenuhi  kebutuhan  akan  energi.  Dalam  hal  ini  bisa  diambil  contoh  krisis  energi  listrik  Sumatera Utara.
Sering terjadinya  pemadaman  listrik dan  semakin  mahal  harga  BBM  sangat merugikan  para pengusaha  terutama  pegusaha  atau  petani  tambak  udang.  Karena  dalam  pembudidayaannya  udang harus menerima oksigen yang cukup agar bisa bertahan hidup. Biasanya petani udang menggunakan aerator  untuk menghasilkan  oksigen.  Aerator ini  biasanya  digerakkan  oleh  energi  listrik  namun  jika terjadi  pemadaman  listrik  biasanya  menggunakan  genset  untuk  menghidupkan  aerator.  Sehingga dengan  polemik  yang  terjadi  direncanakan  pembuatan  kincir  angin  untuk  menggerakkan  aerator sebagai alternatif energi konvensional.
Tujuan perancangan kincir angin ini sebagai berikut:
• Merancang kincir angin untuk menggerakkan aerator
• Mengoptimalisasi penggunaan bahan dan desain kincir angin
• Mengetahui berapa efisien putaran rancangan kincir angin disbanding teoritisnya.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Energi angin merupakan salah satu bentuk energi yang dapat diperbaharui. Angin merupakan gejala alam yang diakibatkan adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. [1]
Turbin angin merupakan pesawat dengan sudu berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin  menjadi  energi  mekanik.  Jika  energi  mekanik  digunakan  langsung  secara  permesinan  seperti pompa atau grinding stones , maka mesin disebut kincir ( windmill) . [1]
Jika  energi  mekanik  dikonversikan  menjadi  energi  listrik,  maka  mesin  disebut  turbin  atau wind  energy  converter (WEC).  Pemanfaatan  turbin  angin pada  dasarnya memanfatkan putaran  yang terjadi  pada  poros  yang  dihasilkan  oleh  sudu  yang  berputar  kemudian  disesuaikan  berdasarkan kebutuhan  yang  ingin  didapatkan  seperti  memutar  poros  generator  untuk  menghasilkan  listrik  atau memanfatkan putaran poros untuk pengilingan.
Turbin angin berdasarkan letak sumbunya, terbagi atas dua, yaitu : 1. Turbin angin sumbu vertikal .
2. Turbin angin sumbu horizontal
Teori ini  menjelaskan bahwa dengan menerapkan hukum fisika dasar, energi mekanik yang dapat  diekstrak  dari  aliran  udara  yang  melewati  suatu  penampang  dibatasi  oleh  energi  yang terkandung  pada  aliran  udara.  Penelitian  lebih  lanjut,  menjelaskan  ekstraksi  daya  yang  optimal didapatkan  dengan  rasio tertentu  antara  kecepatan aliran  udara  yang  berada  didepan  mesin  konversi energi dan kecepatan aliran di belakang mesin tersebut (turbin).
Sehingga  bedasarkan  teori  betz  ini  dapat  dicari  daya  angin  yang  tersedia  di  alam  dan  daya turbin sebagai berikut:
𝑃 = 1 2 𝜌. 𝑣 3 . 𝐴          (𝑊)
(1)
P T = 1 2 C p. A 1 . 𝜌 . V 1 3 (W) (2)
Turbin  angin  ini  menggunakan airfoil  NACA 4415.  Gaya-gaya  terjadi  pada  sudu  turbin sebagai berikut:
Gaya hambat ( drag force ) Fd = ½ ρ. Vr 2 . Ap. C d (3)
Gaya angkat (lift force) F L = ½ ρ. Vr 2 . Ap. C L (4) Gaya torsi Ft = F L sin Ø - F D cos Ø (5)
Gaya aksial F A = F L cos Ø + F D sin Ø (6) Koefisien daya (C p ) memiliki nilai maksimum sebesar 0,593 seperti tabel dibawah ini:
Gambar 1 Hubungan antara koefisien daya terhadap rasio kecepatan angin [2]
Sedangkan  tips  speed  ratio  adalah  perbandingan  kecepatan  keliling  kincir  angin  c  dengan kecepatan awal (v 1 ).
Gambar 2 Hubungan antara koefisien daya dengan desain tip speed ratio [3]
Sistem transmisi merupakan sistem yang sangat penting dalam pemindahan daya dan putaran suatu mesin, khususnya di kincir angin untuk aerator ini. Mengingat sumber energi angin yang ada di Indonesia tergolong kecil, maka pemilihan jenis transmisi yang paling sesuai sangat dibutuhkan agar kincir angin ini dapat bekerja sesuai yang diinginkan.
Sistem transmisi yang umumnya saat ini, yaitu transmisi manual dan transmisi otomatis. Juga terdapat  sistem-sistem  transmisi  yang  merupakan  gabungan  antara  kedua  sistem  tersebut.  Beberapa transmisi yang penting dalam perancangan kincir angin diantaranya:
• Poros
Komponen  ini  merupakan  yang  terpenting  dari  beberapa  elemen  mesin  yang  biasa dihubungkan dengan putaran dan daya. Poros merupakan komponen stasioner yang berputar, biasanya berpenampang bulat dan akan mengalami beban puntir serta lentur atau gabungannya.
Kadang  poros  dapat  mengalami  tegangan  tarik,  kelelahan,  tumbukan  atau  pengaruh konsentrasi tegangan yang akan terjadi pada diameter poros terkecil atau pada poros yang terpasang alur pasak. Hal ini biasanya dilakukan pada penyambungan atau penghubungan antar komponen agar tidak terjadi pergeseran.
Menurut  arah  memanjangnya  ( longitudinal )  maka  dibedakan  poros  yang  bengkok  (poros engkol) terhadap poros lurus biasa, sebagai poros pejal atau poros berlubang, keseluruhannya rata atau dibuat mengecil. Menurut penampang melintangnya disebutkan sebagai poros bulat dan poros profil (contohnya dengan profil alur banyak dan profil K). di samping itu dikenal juga poros engsel, poros teleskop, poros lentur dan lain – lain.
Pada  kontruksi  kincir  angin,  poros  biasanya  ditemukan  pada gearbox ataupun  dalam menghubungkan elemen mesin yang lain sesuai denan kebutuhan alat. Material yang digunakan pada poros tergantung pada pemakiannya. Pada kondisi yang berat biasanya digunakan baja karbon.
Apabila dilihat dari pembebanan terhadap poros, maka dapt dibedakan atas tiga jenis poros, yaitu:

## a. Poros Transmisi
Poros ini mengalami beban puntir murni dan lenturan dan daya yang ditransmisikan ke poros ini adalah melalui kopling, roda gigi, pulley dan sebagainya.

## b. Spindel
Poros ini sering disebut dengan poros transmisi yang bentuknya relatif pendek dan biasanya beban  yang  terjadi  adalah  beban  puntir.  Syarat  yang  perlu  untuk  poros  ini  dalah  harus  memiliki deformasi yang kecil dan juga ketelitian ukuran dan bentuknya.

## c. Gandar
• Analisa poros yang digunakan pada kincir angin.
Poros pada umumnya meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi dan rantai. Dengan demikian poros  tersebut  mendapat  beban  puntir  dan  lentur  sehingga  pada  permukaan  poros  akan  terjadi tegangan geser τ(=T/Z p ) karena momen puntir T dan tegangan σ(=M/Z) karena momen lentur.
Untuk  mengetahui  kekuatan  tegangan  geser  maksimum  pada  poros  dalam  mengunakan persamaan dibawah ini:
𝜏 𝑎 = 𝑇 𝜋.𝑑 𝑠 3 /16 = 5,1 𝑇 𝑑 𝑠 3 (7)
Dimana : 𝜏 𝑎 = Tegangan geser maksimum berdasarkan bahan poros , kg/mm 2
T
=  Torsi akibat putaran rotor , kg.mm d s = diameter poros , mm
Beban  yang  bekerja  pada  poros  pada  umumnya  adalah  beban  berulang.  Pada  poros  yang terpasang roda gigi untuk meneruskan daya besar maka kejutan berat akan terjadi pada saat mulai atau sedang berputar. Dalam analisa poros ini perlu dipahami faktor koreksi (K t ) yang berlaku pada poros yang terjadi momen puntir seperti tabel dibawah ini:
Untuk mengetahui momen punter dapat dicari dengan menggunakan persamaan , 𝑇 = 9,74𝑥10 5 𝑝 𝑡 𝑛 1 (8)
Selanjutnya untuk mendapatkan besar diameter poros harus dicari terlebih dahulu tenggangan tegangan geser ijin untuk bahan ini dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
2 1 Sf Sf B a   = (9)
Dimana:
a  = tegangan geser ijin bahan (kg/mm 2 ) σ B = kekuatan tarik bahan (kg/mm 2 ) Sf 1 = faktor keamanan untuk batas kelelahan puntir yang harganya 5,6 untuk bahan S-F dan 6,0 untuk bahan S-C Sf 2 =  faktor  keamanan  akibat  pengaruh  konsentrasi  tegangan  seperti  adanya  alur  pasak  pada  poros, harganya 1,3÷3,0
Hal yang lain perlu diperhatikan dalam penganalisaan poros pada kincir angin ini juga faktor koreksi  (K m )  pada  momen  lentur.  Ketentuan  yang  berlaku  pada  ASME,  pada  poros  yang  berputar dengan  pembebanan  momen  lentur  yang  tetap,  besar  faktor    K m adalah  1,5.  Unutk  beban  dengan tumbukan ringan K m terletak pada 1,5-2,0, dan untuk beban dengan tumbukan berat K m terletak antara 2,0-3,0. Besar τ max yang dihasilkan harus lebih kecil dari tegangan geser yang diizinkan τ a. Sehingga dapat dicari diameter poros d s (mm) dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
𝑑 𝑠 = [ 5,1 a  𝐾 𝑡 . 𝐶 𝑏 . 𝑇] 1/3
(10)
• Roda Gigi
Secara  umum  roda  gigi  digunkan  untuk  memindahkan  atau  meneruskan  daya  dan  putaran poros.  Dengan  adanya  roda  gigi  dapat  dinaikkan  atau  diturunkan  jumlah  putaran  poros  pada  poros keluaran dengan  jalan mengatur  rasio roda gigi.  Dalam  kontruksi  kincir angin, pemakaian  roda  gigi sangat penting. Bahan yang umum digunakan pada roda gigi untuk kincir angin adalah baja.
Gambar 3 Roda gigi yang umum dipakai pada kincir angin. [4]
Jika  diameter  lingkaran  jarak  bagi  dinyatakan  dengan  d  (mm),  dan  jumlah  gigi  dengan  z, maka jarak bagi lingkar t (mm) dapat ditulis sebagai
z d t  =
(11)
Sedangkan untuk modul merupakan hasil bagi diameter dengan jumlah gigi
z d m = (12)
Maka hubungan modul dan jarak bagi lingkar adalah: t = π x m (13)
Jika putaran roda gigi yang berpasangan dinyatakan dengan n 1 (rpm) pada poros pengerak dan n 2 (rpm) pada poros yang digerakkan, diameter lingkaran jarak bagi d 1 dan d 2 (mm), dan jumlah gigi z 1 dan z 2 , maka perbandingan putaran u didapat dengan menggunakan persamaan dibawah ini:
𝑢 = 𝑛 2 𝑛 1 = 𝑑 1 𝑑 2 = 𝑚.𝑧 1 𝑚.𝑧 2 = 𝑧 1 𝑧 2 = 1 𝑖 (14)
i adalah perbandingan roda gigi atau perbandingan transmisi. Untuk mencari diameter perbandingan bisa digunakan persamaan:
d b = 2𝑎 𝑙+𝑖 1 dan 𝑢 = 𝑑 𝑏 . 𝑖 1
(15)
• Bantalan
Bantalan  adalah  elemen  mesin  yang  menumpu  poros  sehingga  putaran  dan  gerak  bolak  – baliknya berlangsung dengan halus, aman dan tahan lama. Bantalan banyak digunakan pada aplikasi kincir angin. Biasanya ditemukan pada roda gigi dan blade pitch system . Bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Atas Dasar Gerakan Bantalan Terhadap Poros
a. Bantalan  Luncur. Pada  bantalan  ini  terjadi  gesekan  luncur  antara  poros  dan  bantalan  karena permukaan poros ditempu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumanas.
b. Bantalan Gelinding. Pada bantalan ini terjadi gesek gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol atau rol jarum dan rol bulat.
2. Atas Dasar Arah Beban Terhadap Poros
a. Bantalan Radial. Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros.
b. Bantalan aksial. Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros.
c. Bantalan  gelinding  khusus.  Bantalan  ini  dapat  menumpu  beban  yang  arahnya  sejajar  dan  tegak lurus sumbu poros.
Pada bantalan analisa beban yang digunakan dengan menggunakan persamaan:
W = w x l (16)
Keterangan: W adalah beban bantalan (kg) w adalah beban persatuan panjang (kg/mm) l adalah panjang bantalan (mm)
𝑊 ≥ 1000 𝑥 60 𝜋 . (𝑝𝑣) 𝑎 𝑥 𝑙 𝑁 (17)

## Gambar 4. Bantalan [4]
Tekanan (p) yang terjadi pada bantalan ini dapat di analisa dengan menggunakan  persamaan:
𝑝 = 𝑊 𝑙 𝑥 𝑑
(18)
Pada  perancangan  kincir  angin  ini  menggunkann  sistem  terapung.  Sehingga  kincir  bisa dipindahkan dari satu tempat ke tempat yang lain.

## 3. METODE PENELITIAN
Kincir  angin  digunakan  untuk  untuk  menggerakkan  aerator  dibuat  sendiri  dengan memanfaatkan bahan-bahan yang ada disekitar kita. Bahan dan alat yang digunakan untuk membuat sebuah kincir angin ditampilkan sebagai berikut:
Tabel 1 Bahan yang Digunakan
NO. NAMA BAHAN DIMENSI (mm) UNIT 1 Plat seng 1000x2000x0.5 10 2 Besi siku 20 x 20 8 3 Besi siku 40x 40 2 4 Besi beton Ǿ  = 10 5 5 Baut M8 100 6 Baut M10 20 7 Busur las Ǿ  = 3 1 8 Besi As (ST 37) Ǿ  = 25, l = 1300 1 9 Plat hub 250 x 80 1 10 Plat aluminium 2000 x 1000 x 0.8 1 11 Plat hub fan 150 x 40 1 12 Kabel l = 1500 13 Plat aluminium 2000 x 1000 x 2 1 14 Pulley 1 15 Poros Pemutar 1
Alat yang digunakan dalam perakitan kincir angin ini ditampilkan pada tabel 2 berikut ini:
Tabel 2 Alat-alat yang digunakan dalam pengerjaan kincir angin
NO NAMA ALAT UNIT 1 Mesin bor 1 2 Gergaji 1 3 Tang potong 1 4 Gunting 1 5 Kikir 1 6 Amplas 1 7 Ballpoin 1 8 Penggaris 1 9 Jangka sorong 1 10 Obeng 1 11 Mesin las 1 12 Mesin bubut 1 13 Mesin gerinda 1
Alat  yang  telah  selesai  di  pabrikasi ditunjukkan sebagai berikut:
Gambar 5 Kincir angin yang telah difabrikasi. Kincir  angin  ini  menngunakan  sistem  apung.  Sudunya  sendiri  menggunakan airfoil  NACA tipe 4415 dengan panjang sudu 1.5 m, diameter sapuan 1.5 m dan tinggi kincir angin adalah 2.5 m.
Pengujian untuk rancangan ini menggunakan variasi kecepatan 3 m/s, 3.5 m/s, 4 m/s, 4.5 m/s dan 5 m/s.
Transmisi  menggunakan  roda  gigi  kerucut,  bantalan  luncur  dan  poros  pejal  berbahan  baja. Sudunya sendiri menggunakan bahan alumunium. Rangka bawahnya menggunakan besi siku dengan pengapungnya menggunakan diregen sebanyak 4 buah.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berikut  ini  adalah  hubungan  kecapatan  angin  terhada  daya  angin  tersedia  di  alam  dan  daya yang bisa di konversi oleh kincir angin
Gambar 6 Grafik perbandingan daya dengan kecepatan angin
Dari gambar 6 dapat dilihat bahwa semakin besar angin yang ada di alam semakin besar pula daya yang dihasilkan kincir angin.
Putaran  poros  kincir  didapat  dengan  asumsi  bahwa  tip  speed  ratio  rancangan  sebesar  4. Sehingga didapat bedasarkan hasil perhitungan putaran poros kincir sebagai berikut
Tabel 3 perhitungan putaran poros terhadap kecepatan angin
Gambar 7 Grafik Putaran poros vs kecepatan angin Pada gambar 7 diatas terlihat putaran poros yang dihasilkan semakin besar apabila kecepatan angin semakin bertambah besar.
Sehingga  dari  hasil  perhitungan  daya  dan  putaran  poros  maka  dapat  rancangan  poros  yang sesuai untuk kincir angin ini. Dari hasil perhitungan didapat hasil sebagai berikut:
Tabel 4 perhitungan poros kincir angin
Gambar 8 grafik hubungan antara putaran terhadap diameter poros
Berdasarkan  tabel  4  dan  gambar  8  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  putaran  kincir  maka poros yang dirancang harus besar juga. Hal ini karena dipengaruhi faktor sefty poros baik itu momen puntir maupun momen lentur poros.
Hasil  percobaan  yang  dilakukan  di  alboratorium  setelah  benda  jadi  didapat  data  sebagai berikut:

## Tabel 5 Hasil percobaan kincir angin
Sehingga hasil perbandingan perhitungan dengan percobaan dapat dilihat pada grafik dibawah ini:
Gambar 9 garfik perbandingan putaran kincir secara teori dengan aktualnya.
Sehingga jika dilihat dari grafik dapat dilihat bahwa rancangan ini belum maksimal. Dari data percobaan didapat hasil efisiensi rancangan putaran kincir sebagai berikut:

## Tabel 6 hasil perhitungan efisiensi rancangan
Sehingga bedasarkan garfik dan perhitungan didapt hasil efisinesi diantara 39-42 %. Rendah hasil  efisiensi  ini  juga  dipengaruhi  karena  pengujian  yang  dilakukan  dilaboratorium  hanya menggunakan satu kipas sehingga angin tidak mengenai seluruh area bidang sudu.

## 5. KESIMPULAN
Dari hasil perancangan, dan perhitungan yang didapatkan sebagai berikut:
1. Spesifikasi kincir angin
a. Tipe kincir adalah sumbu vertikal darius H rotor
b. Tinggi 2,5 m
c. Panjang rangka 1,5 meter
d. Profil sudu airfoil NACA 4415
e. Panjang sudu 1,5 m dengan bahan almunium
2. Tramisi kincir angin
a. Menggunakan bantalan luncur
b. Roda gigi tipe kerucut dengan perbandingan 1:2      (percepatan)
c. Poros menggunakan poros pejal berbahan baja dengan diameter 17 mm
3. Efisiensi  putaran  rancangan  berkisar  39-42  %.  Pada  percobaan  didapat  hasil  putaran  sebagai berikut:.
a. Pada poros Kincir putran tertinggi sebesar 106 rpm pada kecepatan angin 5 m/s. Sedangkan putaran terendah didapat sebesar  65 rpm pada kecepatan angin 3 m/s.
b. Pada  poros  aerator  didapat  putaran  tertinggi  sebesar  212  rpm  pada  kecepatan  5  m/s. sedangkan putaran terendah didapat sebesar 130 rpm pada kecepatan angin 3 m/s

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Astu dan Djati Nursuhud, 2006, Mesin Konversi Mesin , Pernerbit: Andi Offset, Yogyakarta
[2] Eric  Hau,  2006. Wind  turbine  ;fundamentals,  technologies,  application,  economics .  Springer. Germany.
[3] Manwell,J.F.  2009. Wind  Energy  explained;  theory,  design,  and  Application;second  edition. Jhon Wiley and sons,Ltd, Publications.
[4] Sularso.  Kiyokatsu  Suga,  1978, Dasar  Perencanaan  Dan  Pemilihan  Elemen  Mesin ,  Pradyna Paramita, Jakarta.