PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN AKSIAL SUMBU HORIZONTAL DUA SUDU DENGAN DIAMETER 3,5 METER TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh SUCIPTO 13102025 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Lembar Pengesahan Tugas Sarjana PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN AKSIAL SUMBU HORIZONTAL DUA SUDU DENGAN DIAMETER 3,5 METER Oleh Sucipto 13102025 Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: 18 Februari 2008 Pembimbing, Ir. Kemas Rifian, M.Sc. NIP. 131 661 114
DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG JALAN GANESHA 10 TELP (022) 2504243 Fax (022) 2504243 BANDUNG 40132 T U G A S S A R J A N A Diberikan kepada Dosen Pembimbing Jangka waktu penyelesaian Judul : Sucipto : Ir. Kemas Rifian, MSc. : 11 (sebelas) bulan : Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Aksial Sumbu Horizontal Dua Sudu dengan Diameter 3,5 meter. Isi Tugas : Mempelajari literatur tentang turbin angin Merancang dan Membuat prototipe turbin angin aksial sumbu horizontal dua sudu dengan diameter 3,5 meter Melakukan pengujian turbin angin aksial sumbu horizontal dua sudu dengan diameter 3,5 meter Menghitung daya yang dihasilkan dari turbin angin yang sudah dirancang dan dibuat Bandung, 18 Februari 2007 Ir. Kemas Rifian, MSc. NIP. 131 661 114
Catatan : 1. Pembimbing Tugas Sarjana 2. Mahasiswa ybs. 3. Berkas Program Studi
Tugas Sarjana Judul Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Aksial Sucipto Sumbu Horizontal Dua Sudu dengan Diameter 3,5 meter Program studi Teknik Mesin 13102025 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Turbin angin adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi angin menjadi energi gerak putar generator untuk menghasilkan listrik. Energi ini berupa energi kinetik yang terkandung pada aliran udara yang menyentuh dan menyebabkan sudu rotor berputar secara radial. Poros yang terdapat pada sudu rotor terhubung dengan poros generator, sehingga jika sudu rotor berputar, maka poros generator akan berputar dan dihasilkan energi listrik. Menurut arah sumbu aliran udara, turbin angin terbagi menjadi dua: turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu vertikal memanfaatkan efek magnus, yaitu selisih antara gaya drag pada kedua sisi sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Sedangkan turbin angin sumbu horizontal memanfaatkan gaya lift untuk memutar sudunya. Oleh karenanya, putaran dan energi yang dihasilkan turbin angin sumbu horizotal lebih besar dari pada turbin angin sumbu vertikal. Besarnya energi yang dihasilkan oleh turbin angin bergantung pada jumlah dan desain sudu yang dibuat. Sudu dengan jumlah 3 buah memiliki nilai koefisien daya lebih besar dari pada sudu dengan jumlah 2 buah untuk besaran tip speed ratio 7. Selain itu, desain sudu harus memperhatikan lebar dan ketebalan sudu untuk mendapatkan putaran sudu dan daya yang optimal. Oleh karenanya, desain sudu mempunyai peranan yang signifikan dalam perancangan turbin angin. Pada penelitian ini, dilakukan perancangan dan pembuatan prototipe turbin angin yang dilanjutkan dengan melakukan pengujian. Data yang dihasilkan dapat dijadikan gambaran untuk mengetahui karakteristik turbin angin yang sudah dirancang dan dibuat.
Bachelor Degree Title Horizontal Axis Wind Turbine Designing and Sucipto Manufacturing with Double Blade in 3,5 Meters of Diameter Major Mechanical Engineering 13102025 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institut Teknologi Bandung Abstract Wind turbine was tool which made for convert some energy from wind become generator mechanical rotation energy that can made some electricity. This energy has been formed some kinetic energies which contained in air current. This air current come into contact with rotor blade and made it rotate radially. The shaft in rotor blade was connected with generator shaft which made generator shaft rotate and for the result was producing electricity when rotor blade rotation. According to the direction of air current axis, wind turbine is devided become two kind: vertical axis wind turbine and horizontal axis wind turbine. Vertikal axis wind turbine use magnus effect that coming from difference of drag force at both side of blades, that in result produce torque to rotor axis. Besides that, horizontal axis wind turbine use lift force to rotate the blade. Rotation and energy which result by horizontal axis wind turbine was bigger than vertical axis wind turbine. Commonly the intensity of energy which made by wind turbine was depending by the number and design of blade which made. Wind turbine with triple blade have power coeffisient value that bigger than wind turbine with double blade which obtain for value of tip speed ratio 7. Besides that, the blade design should be consider some chord and thickness of blade to have optimal blade rotation and power. Blade design has significant function in wind turbine designing. Designing, manufacturing, and testing of wind turbine was done in this research. The result of data in this research was used to representate wind turbine characterization that was designed.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan banyak kenikmatan kepada umat manusia sehingga manusia dapat melaksanakan segala aktivitas. Berkat rahmat dan inayah-nya, penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Solawat serta salam penulis limpahkan kepada junjungan alam, Nabi Muhammad saw yang telah memandu umatnya menuju jalan yang diridhoi-nya. Banyak pelajaran dan pengalaman yang didapatkan penulis selama pengerjaan tugas sarjana ini sehingga bisa menjadi bekal bagi penulis untuk menghadapi kehidupan masa yang akan datang. Berbagai kesulitan yang telah dialami oleh penulis dapat diatasi dengan motivasi diri dan dukungan serta bimbingan dari berbagai pihak. Penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada kedua orang tua beserta keluarga yang telah memberikan motivasi, do a dan dukungan kepada penulis. Begitu pula penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada Bapak Ir. Kemas Rifian, M.Sc selaku pembimbing yang memberikan banyak motivasi, dukungan, saran, pengalaman, diskusi, dan pengarahannya terhadap penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana ini dapat diselesaikan berkat do a, motivasi, dan dukungan dari semua pihak. Untuk itu, ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada: 1. Dosen-dosen pengajar di Program Studi Teknik Mesin ITB yang telah memberikan pelajaran berharga kepada penulis sebagai bekal setelah lulus nanti. 2. Ibu Sri Indah beserta keluarga di Cirebon, Ibu Lilis beserta keluarga di Jakarta dan Ibu Yuli di Teknik Fisika ITB yang telah membantu penulis selama kuliah di ITB. 3. Staf Laboratorium Gambar Teknik Mesin yaitu Pak Usep, Pak Dede, dan Pak Ade yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Staf Tata Usaha Program Studi Teknik Mesin yaitu Pak Suryana, Pak Yadi, dan Bu Ria yang telah membantu penulis selama menjalani perkuliahan. 5. Teman-teman di Laboratorium Gambar: Adi Andriyanto, Adi Rahadian, Alex, Rukmin, Bambang, Lungan dan Robert. 6. Teman-teman Mesin 2002 yang telah menjadi penyemangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 7. Teman-teman asrama RH Sangkuriang yang telah memberikan dorongan dan bantuan moril serta menjadi tempat belajar bermasyarakat dan bergaul bagi penulis. 8. Teman-teman pengajar Madrasah Diniyah Masjid Jami Ar-Rohim cisitu lama yang memberikan dorongan dan motivasi spiritual selama penulis kuliah di ITB. 9. Teman baik saya: Utami Dewi Pramesti, Khusnul Khotimah, Fitriyah dan Dida Jubaedah yang telah memberikan nasehat dan motivasi untuk menyelesaikan tugas sarjana ini. 10. Teman-teman seperjuangan di pesantren dan daerah yang selalu baik terhadap penulis. 11. Semua Pihak yang telah memberikan banyak bantuan dan dukungan kepada penulis. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata, penulis berharap semoga tugas sarjana yang jauh dari sempurna ini dapat bermanfaat bagi peninggkatan dan pemanfatan energi terbarukan pada khususnya dan bagi duna pendidikan pada umumnya. Bandung, Februari 2008 Sucipto
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...ii DAFTAR ISI...iv DAFTAR GAMBAR...vi DAFTAR TABEL...viii BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang Masalah...1 1.2 Identifikasi Masalah...3 1.3 Batasan Masalah...3 1.4 Perumusan Masalah...4 1.5 Tujuan Penelitian...4 1.6 Kegunaan Penelitian...4 1.7 Metode Penelitian...5 1.8 Sistematika Penulisan...6 BAB II DASAR TEORI...8 2.1 Energi Angin...8 2.1.1 Asal Energi Angin...9 2.1.2 Kandungan Energi dalam Angin...9 2.1.3 Pengukuran Angin...9 2.2 Turbin Angin...11 2.2.1 Definisi dan Pengelompokan Turbin Angin...11 2.2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal...12 2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal...13 2.3 Gaya Aerodinamik...15 2.4 Power Coefficient dan Tip Speed Ratio...18 2.5 Karakteristik Daya Rotor...21 2.6 Generator...23
BAB III PERANCANGAN TURBIN ANGIN...25 3.1 Pendahuluan...25 3.2 Perancangan Sudu Rotor...27 3.3 Perancangan Yaw Mechanism...30 3.4 Perancangan Ekor...33 3.5 Perancangan Hub dan Hidung...34 3.6 Perancangan Tiang...35 3.7 Pemilihan Generator...37 3.8 Perakitan Turbin Angin...40 3.9 Penentuan Daya Angin...41 BAB IV PENGUJIAN, DATA DAN ANALISIS...44 4.1 Pengujian Turbin Angin.........44 4.1.1 Tahapan Pengujian......44 4.1.2 Perlengkapan Pengujian.....46 4.1.3 Prosedur Pengujian...48 4.2 Data dan Pengolahan data...51 4.2.1 Pengujian Tanpa Beban (Idle)...52 4.2.2 Pengujian Berbeban.....53 4.3 Analisis...58 4.3.1 Analisis Pengujian...58 4.3.2 Analisis Kesalahan Proses Pengujian...64 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN......71 5.1 Kesimpulan......71 5.2 Saran......71 DAFTAR PUSTAKA.......73 LAMPIRAN...75
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon... 10 Gambar 2.2 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal... 13 Gambar 2.3 Jenis turbin angin sumbu vertikal... 14 Gambar 2.4 Penampang sudu... 16 Gambar 2.5 Fenomena drag dan Lift... 17 Gambar 2.6 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin... 18 Gambar 2.7 Kecepatan udara masuk dan keluar turbin... 19 Gambar 2.8 Kurva hubungan Tip Speed Ratio terhadap Rotor Power Coeffient pada berbagai jumlah sudu... 20 Gambar 2.9 Kurva hubungan Tip Speed Ratio terhadap Rotor Power Coeffient pada berbagai jenis turbin angin... 22 Gambar 2.10 Kurva hubungan koefisien momen terhadap tip speed ratio pada berbagai jumlah sudu... 23 Gambar 3.1 Bagan alir tahapan perancangan dan pembuatan turbin angin... 26 Gambar 3.2 Penampang sudu setiap layer... 29 Gambar 3.3 Tahapan pembuatan sudu dari kayu... 30 Gambar 3.4 Desain Yaw Mechanism... 32 Gambar 3.5 Mekanisme yaw... 33 Gambar 3.6 Ekor turbin angin... 34 Gambar 3.7 Hidung turbin angin... 35 Gambar 3.8 Tiang turbin angin... 37 Gambar 3.9 Generator yang digunakan pada penelitian turbin angin... 38 Gambar 3.10 Kurva hubungan daya (W) dan putaran (rpm) yang terdapat pada Generator GL-PMG 500A (500 watt)... 40 Gambar 3.11 Konstruksi turbin angin... 41 Gambar 4.1 Bagan Alir Tahapan Pengujian... 46
Gambar 4.2 Komponen beban dan multimeter pengujian... 47 Gambar 4.3 Instalasi turbin angin dua sudu yang diujikan... 48 Gambar 4.4 Penyearah... 51 Gambar 4.5 Rangkaian lampu untuk beban 1... 54 Gambar 4.6 Rangkaian Beban 2... 56 Gambar 4.7 Kurva hubungan tegangan listrik (V) terhadap kecepatan angin (v) pada kondisi tanpa beban (idle)... 59 Gambar 4.8 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada kondisi tanpa beban (idle)... 60 Gambar 4.9 Kurva hubungan daya (P) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 1 (27 watt)... 61 Gambar 4.10 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 1 (27 watt)... 62 Gambar 4.11 Kurva hubungan daya (P) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 2 (47 watt)... 63 Gambar 4.12 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 2 (47 watt)... 64
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Ketebalan dan lebar penampang sudu setiap stasiun... 28 Tabel 3.2 Spesifikasi Generator 500 watt... 39 Tabel 3.3 Fitur-fitur yang diklaim sebagai kelebihan GL_PMG 500 A (500 W)... 39 Tabel 3.4 Hubungan kecepatan aliran udara terhadap nilai daya angin... 42 Tabel 4.1 Peralatan yang digunakan untuk penelitian. 47 Tabel 4.2 Nilai beda tegangan terhadap berbagai kecepatan angin pada kondisi tanpa beban... 52 Tabel 4.3 Nilai putaran (rpm) untuk kondisi tanpa beban... 53 Tabel 4.4 Daya terukur yang dihasilkan turbin angin pada berbagai kecepatan angin untuk beban 1... 55 Tabel 4.5 Nilai putaran (rpm) untuk beban 1... 55 Tabel 4.6 Daya terukur yang dihasilkan turbin angin pada berbagai kecepatan angin untuk beban 2... 57 Tabel 4.7 Nilai putaran (rpm) untuk beban 2... 58