DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45 KAPASITAS 100 WATT UNTUK SALA VIEW HOTEL SKRIPSI

Transkripsi

1 DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45 KAPASITAS 100 WATT UNTUK SALA VIEW HOTEL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: RIFQI MUHTAR ATSNAWI NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET 2016 i

2 MOTTO Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada Tuhanmu. (Q.S Al Insyirah : 6-8) Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri (Q.S. ArRa ad : 11) Kamu adalah apa yang kamu yakini (Rica Rachmania) iv

3 PERSEMBAHAN Dengan segala puja dan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa dan atas dukungan dan do a dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada: Tuhan YME, karena hanya atas izin dan karunianyalah maka skripsi ini dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do a. Bapak dan Ibu saya, yang telah memberikan dukungan moril maupun materi serta do a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah lantunan do a dan tiada do a yang paling khusuk selain do a yang terucap dari orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk kalian bapak ibuku. Bapak dan Ibu Dosen pembimbing, penguji dan pengajar, yang selama ini telah tulus dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan saya, memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya, agar saya menjadi lebih baik. Terimakasih banyak Bapak dan Ibu dosen, jasa kalian akan selalu terpatri di hati. Saudara saya (Kakak dan Adik), yang senantiasa memberikan dukungan, semangat, senyum dan do anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk kalian. Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa, tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan manis yang telah mengukir selama ini v

4 Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua. Akhir kata saya persembahkan skripsi ini untuk kalian semua, orang-orang yang saya sayangi. Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk kemajuan ilmu pengetahuan di masa yang akan datang, Aamiin vi

5 KATA PENGANTAR Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Panyayang, dengan ini kami panjatkan puji syukur atas kehadirat-nya, yang telah melimpahkan rahmat-nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45 Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel. Adapun skripsi Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45 Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel ini telah kami usahakan semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan dari banyak pihak, sehingga dapat memperlancar proses pembuatan makalah ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT, selaku Dosen Pembimbing II yang turut serta memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST.,MT., Bapak Eko Prasetya B, ST.,M.T., dan Ibu Indri Yaningsih, ST.,MT. selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 4. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret. 6. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir. 7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1. vii

6 8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal administrasi. 9. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku atas do a restu, nasihat, motivasi, dukungan material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi. 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. Akhirnya penyusun mengharapkan semoga dari skripsi Desain Turbin Angin Tipe Savonius dengan Twist 45 Kapasitas 100 Watt untuk Sala View Hotel ini dapat diambil manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap pembaca. Selain itu, kritik dan saran dari Anda kami tunggu untuk perbaikan makalah ini nantinya. Surakarta, 8 Maret 2016 Penulis viii

7 DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45 KAPASITAS 100 WATT UNTUK SALA VIEW HOTEL Rifqi Muhtar Atsnawi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia muhtaratsnawi@gmail.com Abstrak Kebutuhan akan energi saat ini sangatlah tinggi. Hal ini dikarenakan banyak pertumbuhan industri, gedung, dan perumahan. Hal tersebut apabila dibiarkan akan menyebabkan kelangkaan energi. Salah satu upaya untuk menanggulanginya adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan, seperti pemanfaatan turbin angin. Tugas akhir ini akan membahas mengenai perancangan turbin angin tipe Savonius kapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk produksi energi. Berdasarkan analisa hasil perhitungan yang telah dilakukan didapat kecepatan angin pada Sala View Hotel sebesar 7,06 m/det. Nilai koefisien daya (Cp) sebesar 0,18 dan tip speed ratio (λ) yang digunakan adalah 1. Nilai aspect ratio (α) dan overlap ratio (β) sebesar 1,5 dan 0,2, maka didapatkan dimensi untuk luas sapuan turbin sebesar 2,74 m 2 dengan menggunakan sudu berbentuk twist 45 sebanyak dua sudu dengan diameter sudu sebesar 0,75 m. Sehingga dimensi untuk tinggi (H) dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,03 m dan 1,35 m. Kata kunci: Kebutuhan energi, energi terbarukan, perancangan, turbin angin, Savonius. ix

8 DESIGN OF 45 0 TWISTED SAVONIUS WIND TURBINE WITH 100 WATT CAPACITY AT SALA VIEW HOTEL Rifqi Muhtar Atsnawi Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta Indonesia muhtaratsnawi@gmail.com Abstract Nowadays the need of energy is very high because there are so many industries, buildings, and housing need major energy source. If that problem is ignored it will cause crisis energy. An effort to resolve it, is to utilize renewable energy such as the wind turbines. This paper will discuss the design of the type Savonius wind turbines with a capacity of 100 Watts that can be used for energy production. Based on the analysis results have been carried out wind speed obtained at Sala View Hotel is 7.06 m / s. The value of the power coefficient (Cp) of 0.18 and tip speed ratio (λ) used is 1. The value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β) of 1.5 and 0.2, then obtained for the sweep area of the turbine dimensions of 2.74 m 2 with using 45 blade twist and a blade diameter of 0.75 m. So the dimensions for height (H) and a rotor diameter (D) turbine is 2.03 m and 1.35 m. Keywords: needs of energy, renewable energy, design, wind turbines, Savonius. x

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i SURAT TUGAS... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN MOTTO... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v KATA PENGANTAR... vii ABSTRAK... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR TABEL... xv DAFTAR NOTASI... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xix BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian SistematikaPenulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Potensi Energi Terbarukan di Indonesia Definisi Energi Angin Kondisi Arah Aliran Angin di Wilayah Perkotaan Distribusi Weibull untuk Kecepatan Angin Estimasi Energi Angin yang Tersedia Pengertian Turbin Angin Jenis Turbin Angin Turbin Angin Sumbu Horizontal (HAWT) Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT) Turbin Angin commit Darrieus to user xi

10 Turbin Angin Savonius Desain Turbin Savonius Beberapa Hal yang dapat Menambah Performa Turbin Savonius Jumlah Sudu Bentuk Bucket Aspect Ratio Overlap Ratio Endplate Parameter yang Bersangkutan dalam Pendesainan Turbin Savonius Daya Turbin Nilai putaran rotor (ω), Tip speed ratio (TSR) dan Power Coefficient (Cp) Torsi Poros Pasak Bantalan Atau Bearing Sistem Transmisi Daya BAB III METODOLOGI PERANCANGAN Prosedur Penelitian Studi Literatur Pemilihan Lokasi Mengumpulkan Data Kecepatan Angin Pengolahan Data Kecepatan Angin Perancangan Desain Turbin Angin Penetapan Parameter Turbin Angin Savonius yang Akan didesain Membuat Rancangan Turbin Angin BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Potensi Kecepatan Angin Perhitungan Data Kecepatan Angin Perhitungan Kecepatan commit Angin to user di Sala View Hotel xii

11 4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin Rata-Rata, Deviasi Standar dan Nilai Parameter Bentuk (k) dan Parameter Skala(c) Fungsi Probabilitas dan Kumulatif Distribusi Weibull Potensi Energi Angin Grafik Windrose Data Kecepatan Angin Desain Turbin Angin Savonius dengan Twist Perhitungan Rotor Turbin Angin Savonius dengan Twist Perhitungan Luas Area Sapuan Perhitungan Dimensi Sudu Perhitungan Diameter Endplate Perhitungan Diameter Sudu pada Rotor Perhitungan Torsi dan Kecepatan Sudut Perhitungan Diameter Poros Perhitungan Dimensi Pasak Pemilihan Bearing Perancangan Transmisi Turbin Pemilihan Generator Prediksi Performa Turbin Perhitungan Saat Kondisi Start Perhitungan Saat Kondisi Charging Rangka BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Profil kecepatan angin di perkotaan...6 Gambar 2.2 Beberapa contoh turbin angin...9 Gambar 2.3 Contoh turbin angin tipe horizontal...10 Gambar 2.4 Contoh turbin angin tipe vertikal...11 Gambar 2.5 Contoh turbin angin tipe vertikal jenis Savonius...12 Gambar 2.6 Grafik pengaruh jumlah sudu...13 Gambar 2.7 Savonius dengan profil semi circular...14 Gambar 2.8 Savonius dengan profil twist...14 Gambar 2.9 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Cp...15 Gambar 2.10 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Ct...15 Gambar 2.11 Tampak atas dan samping dari turbin dengan twist (a) 0 (b) 45 (c) 90 (d) Gambar 2.12 Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin...17 Gambar 2.13 Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio...19 Gambar 2.14 Pasak...22 Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian...25 Gambar 4.1 Grafik fungsi probability density...30 Gambar 4.2 Grafik fungsi distribusi cumulative...31 Gambar 4.3 Grafik Windrose...32 Gambar 4.4 Desain Turbin Angin Savoius dengan Twist Gambar 4.5 End-plate...35 Gambar 4.6 Sudu Savonius dengan Twist Gambar 4.7 Skema turbin angin Savonius...39 Gambar 4.8 Ilustrasi aliran udara di perkotaan...40 Gambar 4.9 Pasak...42 Gambar 4.10 Bantalan bolt flange mounted bearing...48 Gambar 4.11 Generator NE 100S...50 Gambar 4.12 Performa Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal...53 Gambar 4.13 Rangka...53 Gambar 4.14 Turbin angin Savonius commit dengan to user twist xiv

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pengelompokan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi potensial... 5 Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasaran dan nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas berdasarkan lokasi yang berbeda... 7 Tabel 2.3 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros Tabel 4.1 Contoh data kecepatan angin pada bulan Januari Tabel 4.2 Contoh data kecepatan angin bulan Januari 2013 pada ketinggian 45 m Tabel 4.3 Arah angin selama dua tahun Tabel 4.4 Parameter-parameter dalam menentukan dimensi turbin Tabel 4.5 Daftar Nilai Safety Factor Tabel 4.6 Nilai koefisien drag Tabel 4.7 Dimensi bantalan xv

14 DAFTAR NOTASI A luas area (m 2 ) AR aspect ratio A s luas sapuan untuk rotor turbin Savonius (m 2 ) A t luas sapuan rotor turbin (m 2 ) C c C 0 kapasitas beban dinamik parameter skala distribusi Weibull kapasitas beban statik C d C p D D f d p D s e E E d E t F(V) f(v) F d H koefisien Drag koefisien daya turbin diameter turbin angin (m) diameter endplate (m) diameter poros (m) diameter rotor turbin angin (m) jarak antara dua sudu turbin (m) energi kinetik (Nm) energi per satuan waktu energi selama satu satuan waktu fungsi cumulative distribusi Weibull fungsi probability density distribusi Weibull gaya drag (N) tinggi turbin angin (m) H 1 ketinggian pengukuran angin oleh badan meteorologi (10 m) H 2 H s k Km K s Kt l ketinggian tempat yang ingin dilakukan observasi (m) tinggi rotor turbin angin Savonius (m) parameter bentuk distribusi Weibull faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan bending faktor keamanan untuk bearing faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan torsi panjang pasak (m) xvi

15 Lh umur bantalan/bearing M momen (N.m) M massa udara yang bergerak (kg) m b M e N N P Pt R r massa sudu (kg) momen bending (N.m) kecepatan putar (rpm) safety factor daya (Watt) daya yang dihasilkan turbin (Watt) jari jari turbin angin (m) jari jari rotor turbin Savonius (m) Sy tegangan yield material (N/m 2 ) t tebal pasak (m) T torsi yang dihasilkan oleh turbin angin (N.m) T e momen puntir (N.m) V kecepatan angin (m/s 2 ) V 1 V 2 V E V f Vm W w W A W R X Y Z 1 Z 2 α 1 α 2 δ kecepatan angin yang diukur Badan Meteorologi (m/s) kecepatan angin yang diukur pada ketinggian Z 2 (m/s) besar kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimum (m/s) kecepatan angin yang sering muncul selama satu periode waktu (m/s) kecepatan rata rata (m/s) beban radial ekivalen dinamik lebar pasak (m) beban aksial (N) beban radial (N) faktor beban radial faktor rotasi nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi Badan Meteorologi nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi yang ingin diketahui kekasaran permukaan di lokasi Badan Meteorologi kekasaran permukaan di lokasi yang ingin diketahui overlap ratio xvii

16 λ tip speed ratio ρ massa jenis udara (kg/m 3 ), σ solidity σ standar deviasi σ d tegangan tarik ijin material untuk desain (N/m 2 ) τ d tegangan geser ijin material untuk desain (N/m 2 ) ω kecepatan sudut putar turbin angin (rad/s) xviii

17 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data Kecepatan Angin Lampiran 2. Hasil perhitungan V E max per bulan Lampiran 3. Hasil Pengolahan Data Kecepatan Angin perbulan Selama Dua Tahun Lampiran 4. Hasil Perhitungan Arah Angin Lampiran 5. Tabel Standar Ukuran Pasak Lampiran 6. Standar Ukuran Bantalan xix

18 vii