PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 1500 WATT DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN KEBUMEN

Transkripsi

1 PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 1500 WATT DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN KEBUMEN SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : IBNU KHAMDAN ALMASUUN NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i

2 PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 1500 WATT DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN KEBUMEN Ibnu Khamdan Almasuun Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia ABSTRAK Kebutuhan energi di Indonesia terus meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri. Menjadi sumber energi utama, bahan bakar fosil telah menyebabkan banyak masalah lingkungan. Untuk mengatasi masalah tersebut dibutuhkan pengembangan sumber energi terbarukan. Diantara jenis energi terbarukan energi angin memperlihatkan kemajuan yang pesat. Terletak pada wilayah dengan potensi energi angin yang baik, pantai suwuk kabupaten kebumen di pilih sebagai tempat perancangan turbin angin sumbu horizontal dengan kapasitas 1500 watt. Data kecepatan angin diperoleh dari PLTH Pandansimo, Bantul, Yogyakarta pada ketinggian 50 m selama dua tahun dari bulan juni 2013 sampai juni Data angin diolah dengan metode statistik distribusi weibull dan diperoleh kecepatan rata-rata Vm = 5.87 m/s, parameter k = 2.36, serta parameter kecepatan angin c = 6.63 m/s. Desain blade turbin angin di hitung munggunakan teori Blade Element Momentum (BEM) dengan air foil NACA 4412, NACA 23012, NREL S822, dan NREL S833 sebagai dasar pemilihan airfoil. Dari hasil perancangan deperoleh desain turbin angin dengan blade airfoil naca 4412, daya 1,55 kw, diameter rotor D = 3.2 m, luas sapuan rotor A= m 2 dan tinggi hub 15 m tehadap permukaan tanah. Kata kunci: perancangan, turbin, angin, sumbu horizontal, 1500 watt, pantai. ix

3 1500 WATT HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE DESIGN AT SUWUK BEACH KABUPATEN KEBUMEN Ibnu Khamdan Almasuun Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia Abstract Indonesia energy needs will continue to grow along the economic growth and energy consumption itself. As main energy source, the fossil fuel has been causing a lot of environmental problem. To solve the environmental problem requires the development of renewable energy. Among the several renewable energy, the wind power generation has shown the greatest progress. Suwuk beach is located in wind energy potential site and chosen as design site of 1500 watt horizontal axis wind turbine. The wind speed data was obtained from the PLTH Bantul-Yogyakarta. It was recorded by anemometer at height of 50 m above ground over 2 year s periods from June 2013-June The wind speed data was calculated by Weibull statistical method. The results shows that the mean wind speed Vm= 5.87 m/s, parameter k= 2.36, and wind speed parameter c= 6.63 m/s. The airfoil NACA 4412, NACA 23012, NREL S822, and NREL S833 was calculated by Blade Element Momentum Theory (BEM). The final result of wind turbine design uses NACA 4412 airfoil as blade, output power 1,55 kw, diameter of rotor D= 3,2 m, swept area of rotor A= m 2, and 15 m hub height. Key words: design, turbine, wind, horizontal axis, 1500 watt, beach. x

4 HALAMAN PERSEMBAHAN Segala puji hanya untuk Allah, Rabb Semesta Alam. Rabb yang telah mempermudah segalaurusaan dan persoalan. Sebagai rasa syukur kehadirat Allah SWT, karya ini saya persembahkan bagi... Ayah dan ibu tercinta yang disetiap sujudnya selalu terselip doa bagi penulis serta adik yang selalu memberikan dukungannya. Dosen-dosen Teknik Mesin UNS yang telah bersedia membagi ilmunya. Sabahat dan teman-teman MechEng 2011 semua yang berbagi Ilmu, memberi semangat, dan keceriaannya kepada penulis. Teman-temanku yang membantu meringankan penyusunan skripsi, dan seluruh keluarga besar Teknik Mesin FT UNS. vi

5 HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal-hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia derajat kesarjanaan saya dicabut. Surakarta, 18 Januari 2016 Ibnu Khamdan Almasuun iv

6 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta hidayah-nya sehingga penulis mampu melaksanakan dan menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul Perancangan Turbin Angin Sumbu Horizontal 1500 Watt Di Pantai Wisata Suwuk Kabupaten Kebumen dengan baik. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Selama mengerjakan Tugas Akhir ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada semua pihak atas segala bentuk bantuan dan perhatian selama penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Ayah, Ibu dan adikku atas do a restu, nasihat, motivasi, dukungan material dan spiritual dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Eko Prasetya B, ST., M.T., selaku Dosen Pembimbing II yang turut serta memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT dan Bapak DR Eng Syamsul Hadi ST.,MT selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 5. Bapak Tri Istanto ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. vii

7 6. Bapak DR Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret. 7. Bapak DR Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir. 8. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1. 9. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal administrasi. 10. Rekan-rekan seperjuangan di Mecheng 11, kakak tingkat dan adik tingkat di Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!! 11. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan pembelajaran berharga yang akan selalu saya ingat. 12. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang tidak bias penulis sebutkan satu-persatu. Pada akhirnya penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak supaya menjadi masukan yang berguna bagi penulis untuk memperbaiki dan menyempurnakan penulisan lain yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap semoga laporan Tugas Akhir ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, 18 Januari 2016 Penulis viii

8 HALAMAN MOTTO Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. (QS Al Insyiroh : 5 6) Sesungguhnya Alloh tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri (Q.S. Ar Ra ad : 11) Tujuan dari ilmu adalah mengamalkannya. Ilmu yang HAKIKI adalah merefleksikannya dalam kehidupan, bukan yang bertengger di kepala (Imam asy-syafi i) Kita adalah umat yang dihitung dengan waktu. Umat yang satu menit saja, akan dievaluasi. Umat yang melihat bahwa siang dan malam akan memangkas Umurnya. (Dr. A idh Al-Qarni, M.A.) Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan hal yang harus dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah mereka menyukainya atau tidak. (Aldus Huxley) V

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR...ii HALAMAN PENGESAHAN...iii HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN...iv HALAMAN MOTTO...v HALAMAN PERSEMBAHAN...vi KATA PENGANTAR...vii ABSTRAK...ix DAFTAR ISI...xi DAFTAR GAMBAR...xiv DAFTAR TABEL...xvi DAFTAR LAMPIRAN...xviii DAFTAR SIMBOL...xix DAFTAR AKRONIM...xxi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian SistematikaPenulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengertian Angin Potensi Energi Angin Daya Angin Ekstrapolasi Kecepatan Angin Beda Ketinggian Distribusi Frekuensi dan Parameter Kecepatan Angin Turbin Angin Klasifikasi Turbin Angin Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) xi

10 Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) Prinsip Aerodinamika Efisiensi Turbin Angin Desain Blade Menentukan panjang chord dan Blade twist Pemilihan airfoil Blade Element Momentum (BEM) Theory BAB III METODOLOGI PERANCANGAN Tempat Penelitian Alat dan Bahan Prosedur Perancangan Studi Literatur Pengumpulan Data Kecepatan Angin Pengolahan Data Kecepatan Angin Desain Turbin Angin Sumbu Horizontal Menggambar Desain Turbin Angin BAB IV ANALISA DAN PERANCANGAN Analisa Potensi Angin Lokasi Pengambilan Data Lokasi Perancangan Turbin Angin Perhitungan Kecepatan Angin Menentukan Nilai Distribusi Frekuensi Kecepatan Angin 2 tahun Perhitungan fungsi probabilitas dan kumulatif distribusi Weibull Perhitungan Energi Angin Perancangan Turbin Angin Perhitungan Dimensi Rotor Perhitungan Jari-Jari Rotor Karakteristik Airfoil Karakteristik Turbin Angin Geometri Blade xii

11 Analisis BEM Perhitungan gaya aksial dan power pada blade turbin angin Desain Komponen Turbin Angin Perhitungan Disc Hub turbin angin Ukuran Baut (Hub dengan blade) Diameter Poros Ukuran Pasak Flange Hub rotor turbin angin Perhitungan Bantalan Pemilihan Generator Perancangan Sistem Pemindah Tenaga Turbin Ekor Tower Gambar 3D Desain Turbin Angin Sumbu Horizontal Spesifikasi Desain Performa Turbin Angin BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1 Proyeksi Kebutuhan Listrik di Jawa per Sektor Tahun 2003 s.d Gambar 2.1 Sirkulasi udara Atmosfer... 5 Gambar 2.2 Sirkulasi udara di pantai... 6 Gambar 2.3 Aliran angin melalui silinder dengan luas A... 8 Gambar 2.4 Pengaruh nilai k dan c terhadap karakteristik distribusi Weibull Gambar 2.5 Instalasi Turbin Angin Gambar 2.6 Instalasi HAWT Gambar 2.7 Rotor Darrieus VAWT (a), Rotor Savonius VAWT (b) Gambar 2.8 Sudut serang dan garis chord Airfoil Gambar 2.9 Transformasi gaya lift dan drag ke dalam torsi dan gaya thrust Gambar 2.10 Perbandingan Cp dengan tip speed ratio airfoil NACA dengan airfoil Nrel Gambar 2.11 Diagram kecepatan dan tekanan angin sebelum, selama, dan setelah melewati turbin angin Gambar 2.12 Sudut kecepatan angin Gambar 2.13 Diagram alir kerugian tip Gambar 2.14 Windmill Brake State Performance Gambar 2.15 Diagram alir perhitungan analisis BEM Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1 Pantai Pandansimo Yogyakarta Gambar 4.2 Pantai Wisata Suwuk Kebumen Gambar 4.3 Grafik fungsi distribusi Weibull Gambar 4.4 Grafik fungsi distribusi kumulatif Weibull Gambar 4.5 Grafik potensi energi angin Gambar 4.6 Grafik perandingan Cp airfoil NACA 23012, NACA 4412, NREL S822, NREL S xiv

13 Gambar 4.7 Penampang hub Gambar 4.8 Diagram benda bebas penampang hub akibat gaya berat.. 51 Gambar 4.9 Diagram benda bebas penampang hub akibat gaya sentrifugal Gambar 4.10 Diagram benda bebas poros Gambar 4.11 Pasak Gambar 4.12 Flange hub rotor Gambar 4.13 Generator Gambar 4.14 Grafik Power Generator Gambar 4.15 Flexible coupling Gambar 4.16 Gaya tahan pada karet bushes Gambar 4.17 Momen bantalan potongan x-x Gambar 4.18 Diagram Benda Bebas Tower Gambar 4.19 Tower Hidrolik Gambar 4.20 Desain 3D Rotor Turbin Angin Gambar 4.21 Desain 3D Rotor Turbin Angin tampak samping Gambar 4.22 Desain 3D Rotor Turbin Angin total Gambar 4.23 Kurva daya xv

14 DAFTAR SIMBOL a - Faktor gangguan aksial a - Faktor gangguan tangensial A m^2 Luas, daerah sapuan blade turbin angin B - Jumlah blades CD - Koefisien Drag CL - Koefisien Lift CP - Koefisien Daya Cy - Koefisien gaya aksial Cx - Koefisien gaya tangensial C m Panjang Chord C m/s Parameter kecepatan angin f(v) - Probabilitas kecepatan angin F(V) - Distribusi kumulatif kecepatan angin Fa N Gaya aksial pada rotor FL N Gaya Lift FD N Gaya Drag Ft N Gaya tangensial pada rotor k - Parameter keadaan angin Pblade W Daya yang dihasilkan rotor r m Jari-jari terhadap potongan blade R m Jari-jari rotor T Nm Torsi Th N Thrust u m/s Tangential Wind Speed in Rotor Plane V m/s Kecepatan angin pada bidang Rotor V1 m/s Kecepatan angin Upstream Rotor V3 m/s Kecepatan angin Downstream Rotor w m/s Kecepatan angin Relative X - Tip Speed Ratio xix

15 α deg Angle of Attack β deg Pitch Angle dari Blade terhadap bidang Rotor φ deg Angle of Relative Wind terhadap bidang Rotor ω s-1 Kecepatan Angular Rotor ρ kg/m 3 Kerapatan Udara λ - tip speed ratio xx

16 DAFTAR AKRONIM BEM HAWT NACA NREL VAWT Blade Element Momentum Horizontal Axis Wind Turbine National Advisory Committee for Aeronautics National Renewable Energy Laboratory Vertical Axis Wind Turbine xxi

17 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 Pengelompokkan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi Potensial... 1 Tabel 2.1 Daya per satuan luas tersedia dari angin kondisi steady... 5 Tabel 4.1 Frekuensi kecepatan angin selama 2 tahun Tabel 4.2 Nilai karakteristik distribusi weibull Tabel 4.3 Nilai dan Tabel 4.4 Potensi Energi angin 2 tahun Tabel 4.5 Karakteristik Airfoil Tabel 4.6 Geometri Blade Tabel 4.7 Spesifikasi Generator Tabel 4.8 Power keluaran Generator Tabel 4.9 Luas sapuan ekor xvi

18 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Perhitungan Blade Element Momentum airfoil NACA 4412 Lampiran 2 Perhitungan Kecepatan Angin (1 Januari 2014) Lampiran 3 Tabel standar ukuran pasak Lampiran 4 Tabel standar ukuran safety factor Lampiran 5 Tabel harga nilai X dan Y untuk bearing beban dinamik Lampiran 6 Tabel kekuatan material Lampiran 7 Tabel standar ukuran pipa Lampiran 8 Tabel Material baut Lampiran 9 Bearing Lampiran 10 Generator xviii