UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH PROFIL DAN JUMLAH SUDU PADA VARIASI KECEPATAN ANGIN TERHADAP DAYA DAN PUTARAN TURBIN ANGIN SAVONIUS MENGGUNAKAN SUDU PENGARAH DENGAN LUAS SAPUAN ROTOR 0,90 M 2 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik SUGIARTO MARPAUNG NIM. 060401039 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ABSTRAK Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin savonius merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan drag force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin besar drag force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar. Objek penelitian ini adalah turbin angin savonius dengan variasi jumlah dan profil sudu dan menggunakan sudu pengarah. Adapun profil sudu yaitu sudu lurus dan lengkung dengan variasi jumlah sudu 3, 4 dan 6. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1m dan 0,9 m serta dimeter dan tinggi sudu pengarah 2 m dan 1m. Sudu pengarah memiliki empat sudu dengan dimensi pada lampiran L5. Pada pengujian ini, variasi kecepatan angin adalah 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0 m/s. Hasil pengujian dengan menggunakan sudu pengarah, profil sudu lurus lebih efektif mengekstrak energi angin dibanding sudu lengkung untuk tiap variasi jumlah sudu dilihat dari daya poros rotor turbin. Sudu lurus, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu C = 0,07, λ = 0,21; C = 0,105, λ = 0,23; dan C = 0,16, λ = 0,26. Sudu lengkung, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu C = 0,028, λ = 0,25; C = 0,038, λ = 0,27; dan C = 0,055, λ = 0,25. Daya dan putaran poros turbin untuk masing masing jumlah dan profil sudu telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio. Keywords: turbin savonius, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio, koefisien daya
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melakukan aktivitas terutama kegiatan penelitian dan menyusun tugas akhir sebagai pertanggungjawaban atas hasil penelitian yang telah dilakukan. Tugas akhir ini memuat Rancang Bangun dan Uji Eksperimental Pengaruh Profil Dan Jumlah Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin Terhadap Daya Dan Putaran Turbin Angin Savonius Menggunakan Sudu Pengarah Dengan Luas Sapuan Rotor 0,9 m 2. Efektifitas sudu turbin dalam meng-ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari variasi kecepatan angin, profil dan jumlah sudu turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip speed ratio poros turbin angin. Proses pembuatan objek dan kegiatan penelitian yang dilakukan penulis terlaksana dan terwujud berkat doa dan dukungan semua pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen pembimbing yang memberikan bimbingan dan arahan sehingga penelitian ini berjalan dengan baik dan benar. 3. Kedua orang tua penulis, Sudir Marpaung dan Mintauli Tambunan yang memberikan dukungan moril, material dan saudara saudara saya selama penulis menjalani proses perkuliahan hingga penelitian untuk memenuhi syarat memperoleh gelar sarjana.
4. Seluruh Dosen Departemen teknik Mesin yang memberikan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis selama proses perkuliahan, khususnya Bapak Dr- Eng. Ir. Himsar Ambarita, MT yang memberikan motivasi pada penulis selama kegiatan penelitian berlangsung. 5. Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian. 6. Bapak/Ibu Pegawai tata usaha Departemen Teknik Mesin yang membantu penulis menyelesaikan proses administrasi selama menjalani perkuliahan hingga tugas akhir. 7. Seluruh rekan rekan (Senior 2005, Se-angkatan 2006, Junior 2007, 2008) yang memberikan bantuan dan dukungan pada penulis selama proses penelitian berlangsung. Penyusun menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik dari segi teknis dan materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan laporan ini, kritik dan saran pembaca sangat penulis harapkan, sehingga laporan akhir ini lebih sempurna. Medan, 20 Juni 2011 Penyusun
DAFTAR ISI ABSTRAK KATAPENGANTAR...i DAFTAR ISI... iii DAFTAR SIMBOL... vii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 2 1.3 Rumusan dan Batasan Masalah... 2 1.3.1 Rumusan Masalah... 2 1.3.2 Batasan Masalah... 4 1.4 Manfaat Penelitian... 5 1.5 Sistematika Penulisan... 5 1.6 Metode Pengumpulan Data... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 8 2.1 Sejarah Pemanfaatan Energi Angin... 8 2.2 Sirkulasi Global... 10 2.3 Potensi Angin... 11 2.4 Wind Shear... 13 2.5 Pengertian Turbin Angin... 14 2.6 Jenis Jenis Turbin Angin... 15
2.6.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)... 16 2.6.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)... 19 2.7 Sudu Pengarah... 22 2.8 Prinsip Konversi Energi Angin... 23 2.8.1 Teori Momentum Betz... 23 2.8.2 Tip Speed Ratio... 26 2.9 Landasan Teori Untuk Turbin Tipe Drag... 27 2.10 Sistem Transmisi... 28 2.11 Generator Listrik... 30 2.12 Sistem Kelistrikan... 31 2.13 Daya Listrik...34 BAB III PERANCANGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS... 35 3.1 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin... 35 3.1.1 Menentukan Kecepatan Angin untuk Pengujian... 35 3.1.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor... 35 3.1.3 Tip Speed Ratio... 36 3.2 Perancangan dan Pembuatan Elemen Turbin Angin Savonius... 36 3.2.1 Rotor... 36 3.2.2 Sudu... 37 3.2.3 Sudu Pengarah... 38 3.2.4 Sistem Transmisi... 39 BAB IV METODE PENELITIAN... 41 4.1 Tempat Penelitian... 43
4.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian... 43 4.3 Pelaksanaan Penelitian... 47 4.3.1 Tahap persiapan... 47 4.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data... 48 4.4 Diagram Alir Penelitian... 52 BAB V HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA... 53 5.1 Hasil Pengujian... 53 5.1.1 Pengujian Sudu Lurus Tanpa Beban... 53 5.1.2 Pengujian Sudu Lurus Dengan Beban... 54 5.1.3 Pengujian Sudu Lengkung Tanpa Beban... 55 5.1.4 Pengujian Sudu Lengkung Dengan Beban... 56 5.2 Analisis Data... 58 5.2.1 Perhitungan Daya Angin... 58 5.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio... 58 5.2.3 Perhitungan Koefisien Daya... 59 5.3 Validasi Data... 63 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 64 6.1 Kesimpulan... 64 6.2 Saran... 65 DAFTAR PUSTAKA... 66
LAMPIRAN L1. Data Kondisi Cuaca dan Kecepatan Angin Daerah Sumatera Utara Tahun 2008 dan 2009... 67 L2. Sifat sifat Udara pada Tekanan Atmosfer antara 250 hingga 1.000 K... 69 L3. Desain Rotor... 70 L4. Desain Sudu Lengkung dan Lurus... 72 L5. Desain Sudu Pengarah... 73 L6. Desain Transmisi Roda Gigi... 74 L7. Profil Aliran dan Potensi Kecepatan Angin Indonesia...75 L8. Kondisi Kecepatan Angin di... 78
DAFTAR SIMBOL a interference factor A luas penampang, m 2 A luas sapuan rotor, m 2 C C C F F E H I L m m koefisien drag koefisien daya koefisien daya maksimum gaya, N gaya maksimum, N energi kinetik angin, J ketinggian, m kuat arus, A panjang, m massa, kg aliran massa, kg/s n putaran, 1/s P P r t u v V V ( ) daya angin, J/s daya turbin, J/s radius, m waktu, s kecepatan angin, m/s kecepatan ujung rotor, m/s tegangan, V tegangan rata rata, V
V volume, m 3 ω kecepatan sudut rotor, rad/s ρ kerapatan angin, kg/m 3 α λ wind shear tip speed ratio
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Windmills kuno terletak di pulau Inggris... 9 Gambar 2.2 Thatched Dutch Windmill... 10 Gambar 2.3 Sirkulasi atmosfer secara umum, dan pada belahan bumi bagian utara... 11 Gambar 2.4 Angin laut (siang) dan angin darat (malam)... 11 Gambar 2.5 Aliran angin melalui silinder dengan luas A... 12 Gambar 2.6 Kiri : wind shear disebabkan perbedaan kecepatan angin terhadap ketinggian. Kanan : wind shear disebabkan arah angin... 13 Gambar 2.7 Wind shear, perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian. Dihitung untuk kecepatan angin 10 m/s pada ketinggian 10 m, α = 0,14... 14 Gambar 2.8 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara... 16 Gambar 2.9 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal... 17 Gambar 2.10 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu... 17 Gambar 2.11 Turbin angin jenis upwind dan downwind... 18 Gambar 2.12 Turbin angin Darrieus... 20 Gambar 2.13 Turbin angin Darrieus tipe-h... 20 Gambar 2.14 Prinsip rotor savonius... 21 Gambar 2.15 Sudu Pengarah dengan Rotor Turbin Angin Savonius... 22 Gambar 2.16 Pemodelan Betz untuk aliran angin... 24 Gambar 2.17 Koefisien daya C sebagai fungsi faktor a... 26 Gambar 2.18 Variasi tip speed ratio dan koefisien daya C pada berbagai jenis turbin angin... 27
Gambar 2.19 Mesin drag sedeharna dengan hinged flap pada sabuk berputar... 28 Gambar 2.20 Sistem kelistrikan lepas jaringan... 32 Gambar 2.21 Sistem kelistrikan terhubung dengan baterai... 32 Gambar 2.22 Sistem kelistrikan terhubung tanpa baterai... 33 Gambar 2.23 Sistem kelistrikan langsung tanpa baterai... 33 Gambar 3.1 Sudu Pengarah... 37 Gambar 4.1 Prototipe turbin angin savonius... 42 Gambar 4.2 Prototipe sudu Pengarah... 43 Gambar 4.3 Digital Multimeter... 44 Gambar 4.4 Digital Tachometer... 44 Gambar 4.5 Thermo-Anemometer... 45 Gambar 4.6 Motor listrik... 46 Gambar 4.7 Permanent Magnet Generator (PMG) DC... 46 Gambar 4.8 Prosedur pengujian... 50 Gambar 4.9 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan... 50 Gambar 4.10 Diagram alir penelitian... 51 Gambar 5.1 Grafik Kecepatan Angin-vs-Tegangan untuk sudu Lurus tanpa beban... 56 Gambar 5.2 Grafik Kecepatan Angin-vs-Tegangan untuk sudu Lengkung tanpa beban... 56 Gambar 5.3 Grafik Daya vs Kecepatan Angin dengan variasi Profil dan Jumlah sudu dengan menggunakan sudu pengarah... 62 Gambar 5.4 Grafik Koefisien Daya vs Tip Speed Ratio dengan variasi Profil dan Jumlah sudu dengan menggunakan sudu pengarah... 62 Gambar 5.5 Garfik C vs λ dengan variasi kecepatan (Patuh, 2008)... 63
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perkiraan daya angin persatuan luas... 13 Tabel 3.1 Daya rotor maksimum dengan diameter 1 m dengan variasi kecepatan angin... 35 Tabel 3.2 Spesifikasi rotor tubin angin... 36 Tabel 3.3 Spesifikasi sudu turbin angin... 36 Tabel 3.4 Spesifikasi sudu pengarah... 38 Tabel 3.5 Spesifikasi transmisi sabuk-puli... 39 Tabel 3.6 Spesifikasi transmisi roda gigi... 39 Tabel 5.1 Data pengujian Tiga sudu Lurus... 52 Tabel 5.2 Data pengujian Empat sudu Lurus... 52 Tabel 5.3 Data pengujian Enam sudu Lurus... 52 Tabel 5.4 Data pengujian Tiga sudu Lurus dengan variasi beban 5W dan 10W... 53 Tabel 5.5 Data pengujian Empat sudu Lurus dengan variasi beban 5W, 10W, dan 15 W... 53 Tabel 5.6 Data pengujian Enam sudu Lurus dengan variasi beban 5W, 10W, 15 W, dan 20 W... 54 Tabel 5.7 Data pengujian Tiga sudu Lengkung... 54 Tabel 5.8 Data pengujian Empat sudu Lengkung... 54 Tabel 5.9 Data pengujian Enam sudu Lengkung... 54 Tabel 5.10 Data pengujian Tiga sudu Lengkung dengan beban 5W... 55 Tabel 5.11 Data pengujian Empat sudu dengan beban 5W... 55 Tabel 5.12 Data pengujian Enam sudu dengan beban 5W... 55
Tabel 5.13 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Tiga Sudu Lurus... 60 Tabel 5.14 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Empat Sudu Lurus... 60 Tabel 5.15 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Enam Sudu Lurus... 60 Tabel 5.16 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Tiga Sudu Lengkung... 61 Tabel 5.17 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Empat Sudu Lengkung... 61 Tabel 5.18 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk Enam Sudu Lengkung... 61