PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER 3,5 METER DENGAN MODIFIKASI PEMOTONGAN DAN PENGATURAN SUDUT PITCH

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER 3,5 METER DENGAN MODIFIKASI PEMOTONGAN DAN PENGATURAN SUDUT PITCH TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh Fransiscus Lungan PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Tugas Sarjana Judul Perancangan dan Pembuatan Turbin Fransiscus Lungan Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch Program Studi Teknik Mesin Fakultas Tenik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Ringkasan Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber daya energi fosil serta efek negatif yang ditimbulkan dari penggunaan sumber daya energi fosil terhadap lingkungan mengakibatkan perlunya dikembangkan teknologi pemanfaatan sumber energi terbarukan. Angin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan. Energi angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin. Jenis turbin angin yang dibuat dalam tugas sarjana ini adalah turbin angin sumbu horizontal tiga sudu berdiameter 3,5 meter upwind dengan pengarah ekor disertai modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch. Perancangan turbin angin dilakukan dengan penekanan kepada keterbuatan dan kemampuan turbin angin untuk mengekstraksi energi angin secara optimal. Metode penelitian yang digunakan adalah kombinasi antara penelitian kualitatif dan kuantitatif, dalam hal ini berkaitan dengan perancangan dan pengujian. Pengujian kinerja turbin angin dilakukan untuk mendapatkan karakteristik daya turbin angin terhadap kecepatan angin dan memperoleh nilai cut in speed turbin angin kemudian membandingkan hasil pengujiannya dengan turbin angin tanpa modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch.

3 Final Project Title Horizontal Axis Wind Turbine Designing Fransiscus Lungan and Manufacturing With Three Bladed Rotor in 3,5 metres on Diameter With Cutting Modification and Pitch Angle Adjusting Major Mechanical Engineering Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung Abstract The increasing demand of energy, limitation of fossil energy resources, and environmental negative effects of using fossil energy resources deem to be necessary to use the renewable energy resources. Wind energy is one of many kind renewable energy resources. Wind energy can be extracted by using of wind turbines. The type of wind turbine in this final project is 3,5 meters of diameter with three bladed horizontal axis wind turbine rotor using upwind with tailing, includes cutting modification and pitch angle adjusting. The design process considers manufacturability aspect and wind turbine performance to extract wind power. The research method was combination of qualitative and quantitative research, in this case related with design and testing. Wind turbine performance testing is performed to get the power output versus wind speed characteristic curve of wind turbine and to get cut in speed value and then comparing it with the performance of wind turbine without cutting and pitch angle adjusting

4 Lembaran Pengesahan Tugas Sarjana Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch Oleh Fransiscus Lungan Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: 26 Juni 2008 Pembimbing Utama Ir. Kemas Rifian, M.Sc. NIP

5 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, Yesus Kristus, dan Bunda Maria, atas segala limpahan rahmat, berkat, kasih, dan lindungan-nya selama proses pengerjaan tugas sarjana ini, sehingga dapat selesai pada waktunya. Terima kasih kepada ayahanda dan ibunda atas doa, kasih sayang, pengertian, dan dukungannya selama ini kepada penulis yang tiada henti semenjak penulis mulai hadir ke dunia ini hingga saat pengerjaan tugas sarjana ini selesai. Walaupun kalian berada jauh, tetapi tetap ada di hatiku. Bagaikan air tiada henti hentinya, memberi hidup di sekitarnya. Tugas sarjana ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada program studi Teknik Mesin ITB. Banyak hal yang telah penulis dapatkan selama proses pengerjaan tugas sarjana ini. Semoga dapat bermanfaat kelak di kemudian hari. Tak lupa dengan kerendahan hati penulis ingin menyampaikan penghargaan dan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Kemas Rifian, M.Sc yang telah membimbing penulis dengan sabar dan rela meluangkan waktunya dari awal pengerjaan hingga tugas sarjana ini dapat selesai pada waktunya. 2. My lovely brother, dr. Laurensius Ary Lungan atas dukungan dan motivasinya. I m waiting for my first nephew bro! 3. My lovely sister, Glory Natalia Lungan. 4. Alm. Nenek Rini terkasih, semoga kegigihan dan ketegaran hati beliau dapat menjadi cambuk bagi penulis untuk tetap berkarya, amin. 5. Staf pengajar beserta staf tata usaha prodi Teknik Mesin ITB atas ilmu dan bantuan administratif selama penulis masih menyandang status sebagai mahasiswa. i

6 6. Staf Laboratorium Gambar Teknik Mesin ITB yaitu pak Usep, pak Dede, serta pak Ade. 7. LS Clan baik yang masih ada di kampus maupun yang sudah meninggalkan kampus yaitu Robert Afgan Tambunan, Gindo Saor, Barus, Benara, Sahala, Ganda, Ferry Bokep, Delo, Robert PHP, Raynold, Arwin, Endot, Kadek, dan Ketut Juli. 8. UKSS ers-itb, baik anggota maupun alumni, terima kasih atas pengalaman dan waktu indah bersama selama kita menghuni unit kita tercinta. 9. Pren-pren Mesin 01 atas solidaritasnya selama ini. Buat yang masih berjuang di kampus, jangan patah semangat pren. Terus berjuang! 10. Pren-pren HMM ITB dan rekan-rekan lab. gambar yang turut membantu penulis dalam pengerjaan tugas sarjana selama ini, yaitu Adi Andriyanto, Sucipto, Bambang, Adi Rahadian, dan Rukmin 11. DotA-ers ITB, di antaranya yaitu Dj-oko, Tomatcupz, Jambak, Dody, Gusto, Brur, dan rekan-rekan yang lain yang tidak dapat disebutkan satu persatu. 12. Seseorang yang tetap mengisi dan menjaga hatiku. Keadaan yang memaksa kita harus begini, maafkanlah. Penulis menyadari adanya kesalahan dalam penulisan tugas sarjana ini, oleh karenanya, penulis memohon maaf atas segala ketidaksempurnaan dan kekurangan penulis, karena kesempurnaan hanya milik Dia semata. Saran dan kritik membangun sangat diharapkan agar kekurangan yang ada bisa diperbaiki. Akhirnya penulis berharap semoga laporan tugas sarjana ini dapat memberikan manfaat dan arti kepada banyak pihak. Terima kasih. Bandung, Juni 2008 Fransiscus Lungan ii

7 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR i DAFTAR ISI iii DAFTAR SIMBOL vi DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR TABEL ix Bab I Pendahuluan Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Manfaat Batasan Masalah Sistematika Penulisan 4 Bab II Dasar Teori Prinsip Konversi Energi Angin Teori Momentum Elementer Betz Koefisien Daya Gaya Aerodinamik pada Rotor Jenis-Jenis Turbin Angin Turbin Angin Sumbu Vertikal Turbin Angin Aksial Merancang Rotor Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu Tip Speed Ratio Profil Airfoil Geometri Sudu Fenomena Stall Pemilihan Sistem Transmisi Daya Perancangan Kontruksi Turbin Angin Sudu 24 iii

8 Batang Sudu Hub Generator Rangka/Base Ekor Menara Yaw Mechanisme Hidung Sistem Kelistrikan Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan tanpa Baterai Sistem Kelistrikan tanpa Baterai 30 Bab III Perancangan dan Pembuatan Perhitungan Daya Pada Berbagai Kecepatan Angin Menentukan Kecepatan Angin Nominal Perhitungan Daya Maksimum Rotor Perancangan Rotor Diameter Rotor Tip Speed Ratio Pemilihan Bahan untuk Komponen-komponen Rotor Batasan Profil Air Foil Berdasarkan Keterbuatan Pemilihan Bentuk Sudu Perancangan Geometri Sudu Nilai Sudut Pitch Optimum Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin Rotor Permanet Magnet Generator (PMG) Base dan Yaw Mechanisme Side Furling Ekor 44 iv

9 3.3.6 Sistem Pengereman Data Komponen Perakitan Turbin Angin 46 Bab IV Pengujian dan Analisis Metode Pengujian Turbin Angin Perlengkapan Pengujian Prosedur Pengujian Data Hasil Pengujian Analisis Hasil Pengujian 56 Bab V Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Saran 59 DAFTAR PUSTAKA 61 LAMPIRAN-LAMPIRAN 63 v

10 DAFTAR SIMBOL D Diameter rotor (m) R Jari-jari rotor (m) A Luas area sapuan rotor (m2) ρ Massa jenis udara (kg/m3) m Massa (kg) m& Laju aliran massa (kg/s) v Kecepatan angin (m/s) V & Laju volume udara (m 3 /s) n Kecepatan putaran rotor (rpm) ω Kecepatan sudut (rad/s) α Sudut serang ( ) β Sudut pitch ( ) ф Sudut apparent wind ( ) λ Tip speed ratio C Panjang chord sudu rotor (m) L Gaya lift (N) D Gaya drag (N) T Thrust (N) Q Momen torsi (Nm) P Daya (W) Cp Koefisien daya rotor C L C D Koefisien lift Koefisien drag vi

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas 8 Gambar 2.2 Koefesien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara 10 Gambar 2.3 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara 11 Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal 13 Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind 14 Gambar 2.6 Nilai koefesien daya dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin 17 Gambar 2.7 Berbagai bentuk airfoil yang berkembang saat ini 18 Gambar 2.8 Geometri sudu bentuk tirus 18 Gambar 2.9 Elemen kecepatan yang terjadi pada sudu 19 Gambar 2.10 Gaya-gaya yang terjadi pada sudu 20 Gambar 2.11 Kondisi kecepatan dan gaya yang terjadi pada sudu 21 Gambar 2.12 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi udara 23 Gambar 2.13 Sistem kelistrikan lepas jaringan 29 Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai 29 Gambar 2.15 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai 30 Gambar 2.16 Sistem kelistrikan tanpa baterai 30 Gambar 3.1 Profil airfoil untuk penampang sudu 33 Gambar 3.2 Penampang badan sudu 35 Gambar 3.3 Sudu yang telah dipotong 37 Gambar 3.4 Tahapan pemesinan pada pembuatan sudu dan hasilnya 38 Gambar 3.5 Hub, hidung, dan pengatur sudut pitch 40 Gambar 3.6 Karakteristik PMG Ginlong 500W 41 Gambar 3.7 Yaw mechanism antara poros tiang dan base 42 Gambar 3.8 Ekor pada turbin angin 44 Gambar 3.9 Mekanisme pengereman dengan mengubah posisi ekor 45 vii

12 Gambar 3.10 Diagram alir proses perakitan turbin angin 47 Gambar 4.1 Sistem instalasi pengujian turbin angin dengan hybrid system 48 Gambar 4.2 Skema pengujian turbin angin dengan beban langsung terpasang 49 Gambar 4.3 Grafik tegangan listrik terhadap kecepatan angin pada kondisi tidak terbebani 52 Gambar 4.4 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan pembebanan 16,2 watt 54 Gambar 4.5 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan pembebanan 20 watt 55 Gambar 4.6 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi tanpa beban 56 Gambar 4.7 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi pembebanan 57 Gambar A.1-A.2 turbin angin yang sudah terpasang beserta anemometer 63 Gambar A.3 Peralatan pengujian dengan beban 16,2 watt 65 Gambar A.4 Peralatan pengujian dengan beban 20 watt 65 Gambar B Gambar teknik turbin angin 66 viii

13 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Daya rotor untuk diameter 3,5 meter pada berbagai kecepatan angin 31 Tabel 3.2 Distribusi lebar chord 34 Tabel 3.3 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun 36 Tabel 3.4 Spesifikasi PMG Ginlong 500 watt 40 Tabel 3.5 Daftar komponen turbin angin 46 Tabel 4.1 Perlengkapan pengujian 50 Tabel 4.2 Hasil pengujian pada kondisi tidak terbebani 52 Tabel 4.3 Hasil pengujian dengan pembebanan 16,2 watt 53 Tabel 4.4 Hasil pengujian dengan pembebanan 20 watt 54 ix