UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH POSISI DAN SUDUT SUDU PENGARAH ALIRAN (GUIDE VANE) TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN CROSS FLOW YANG TERINTEGRASI DENGAN MENARA PENDINGIN SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : DANANG KURNIAWAN NIM. I 0409012 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015
KATA PENGANTAR Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Uji Eksperimental Pengaruh Posisi dan Sudut Sudu Pengarah Aliran (Guide Vane) Terhadap Performa Turbin Angin Cross Flow Yang Terintegrasi dengan Menara Pendingin ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada : 1. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini 2. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT., selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak DR. Nurul Muhayati, ST, MT., selaku pembimbing akademik dan koordinator Tugas Akhir yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 4. Bapak Budi Kristiawan, ST. MT., Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST. MT., dan bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 5. Bapak Didik Djoko Susilo, ST, MT., selaku Kepala Laboratorium Getaran UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis. 6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 7. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
8. Teman-teman seperjuangan TM 09 beserta kakak dan adik angkatan di teknik mesin UNS. 9. Anak-anak WISMA KINAYAH PARADISE yang selalu menemani dalam suka maupun duka. 10. Dhika Asri Fitriani yang selalu memberi semangat dan motivasi kepada penulis selama penyelesaian Tugas Akhir. 11. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Februari 2016 Penulis
KATA PENGANTAR Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Uji Eksperimental Pengaruh Posisi dan Sudut Sudu Pengarah Aliran (Guide Vane) Terhadap Performa Turbin Angin Cross Flow Yang Terintegrasi dengan Menara Pendingin ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada : 12. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini 13. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT., selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 14. Bapak DR. Nurul Muhayati, ST, MT., selaku pembimbing akademik dan koordinator Tugas Akhir yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 15. Bapak Budi Kristiawan, ST. MT., Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST. MT., dan bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 16. Bapak Didik Djoko Susilo, ST, MT., selaku Kepala Laboratorium Getaran UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis. 17. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 18. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do a restu, motivasi, dan dukungan material commit to maupun user spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
19. Teman-teman seperjuangan TM 09 beserta kakak dan adik angkatan di teknik mesin UNS. 20. Anak-anak WISMA KINAYAH PARADISE yang selalu menemani dalam suka maupun duka. 21. Dhika Asri Fitriani yang selalu memberi semangat dan motivasi kepada penulis selama penyelesaian Tugas Akhir. 22. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Februari 2016 Penulis
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii MOTTO... iv PERSEMBAHAN... v ABSTRAK... vi KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xv DAFTAR NOTASI... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xvii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar belakang... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah.... 3 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI... 6 2.1. Tinjauan Pustaka... 6 2.2. Dasar Teori... 8 2.2.1. Menara Pendingin (Cooling Tower)... 8 2.2.2. Turbin angin... 10 2.2.3. Sudu Pengarah (Guide Vane)... 14 2.2.4. Konversi Energi Angin... 14 2.2.5. Teori Momentum Elemen Betz... 15 2.2.6. Tip Speed Ratio... 19 2.2.7. Klasifikasi Aliran Udara... 20 2.2.8. Prony Brake... 22 2.2.9. Torsi... 23 2.2.10. Daya Poros... 24
BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN... 25 3.1. Tempat Penelitian... 25 3.2. Alat dan Bahan... 25 3.2.1. Alat... 25 3.2.2. Bahan... 31 3.3. Prosedur Penelitian... 31 3.3.1. Tahap Persiapan... 31 3.3.2. Tahap Pengambilan Data... 32 3.3.3. Tahap Analisis Data... 34 3.3.4. Diagram Alir Penelitian... 35 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 36 4.1. Analisis Performa Turbin Cross Flow Tanpa Sudu Pengarah... 36 4.2. Analisa Performa Turbin Angin Cross Flow dengan Pengarah Aliran dibandingkan dengan Turbin Tanpa Pengarah Aliran... 36 4.2.1. Turbin angin pada posisi guide vane x = 150 mm... 37 4.2.2. Turbin angin pada posisi guide vane x = 100 mm... 38 4.2.3. Turbin angin pada posisi guide vane x = 50 mm... 39 4.2.4. Turbin angin pada posisi guide vane x = 0 mm... 40 4.2.5. Turbin angin pada posisi guide vane x = -50 mm... 42 4.2.6. Turbin angin pada posisi guide vane x = -100 mm... 43 4.2.6. Turbin angin pada posisi guide vane x = -150 mm... 44 4.3. Analisis Pengaruh Posisi Turbin di Setiap Variasi Posisi Sudu Pengarah... 45 4.4. Analisa Pengaruh Posisi Sudu Pengarah dan Sudut Kemiringan Pada Turbin Angin... 46 4.5. Analisis Power Coefficient dan Tip Speed Ratio... 48 4.6. Analisis Pengaruh Konsumsi Daya Motor Pada Model Cooling Tower... 49 BAB V PENUTUP... 52 5.1. Kesimpulan... 52 5.2. Saran... 52 DAFTAR PUSTAKA... 53 LAMPIRAN... 55
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Profil kecepatan angin dari outlet cooling tower...... 1 Gambar 2.1. Skema eksperimen... 7 Gambar 2.2. Forced draft cooling tower... 9 Gambar 2.3. Menara pendingin induced draft cross flow... 10 Gambar 2.4. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan.... 10 Gambar 2.5. Jenis-jenis turbin angin... 11 Gambar 2.6. Turbin angin jenis drag dan lift... 12 Gambar 2.7. Turbin angin jenis Upwind dan Downwind... 13 Gambar 2.8. Sudu Pengarah dengan Rotor Turbin Angin Savonius... 14 Gambar 2.9. Profil kecepatan angin melewati penampang rotor... 16 Gambar 2.10 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara.... 19 Gambar 2.11. Nilai C p dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin.. 20 Gambar 2.12.. Klasifikasi Aliran Fluida... 21 Gambar 2.13. Daerah aliran inviscid dan aliran viscous... 21 Gambar 2.14. JenisAliran... 22 Gambar 2.15. Prony brake... 23 Gambar 3.1. Model turbin angin sumbu vertikal cross flow... 25 Gambar 3.2. Turbin angin yang terpasang diffuser dan sudu pengarah. 26 Gambar 3.3. Skema variasi posisi dan sudut kemiringan sudu pengarah 27 Gambar 3.4. Skema variasi posisi turbin pada posisi 0 mm... 28 Gambar 3.5. Model cooling tower... 28 Gambar 3.6. Timbangan dan beban pemberat... 29 Gambar 3.7. Busur dan jarum penunjuk... 29 Gambar 3.8. Anemometer... 30 Gambar 3.9. Wattmetter... 30 Gambar 3.10. Tachometer... 30 Gambar 3.11. Skema rangkaian eksperimen... 31 Gambar 3.12 Instalasi alat penelitian... 32 Gambar 3.13. Titik-titik pengukuran kecepatan angin dari cooling tower... 33 Gambar 3.14 Diagram alir eksperimen... 35
Gambar 4.1 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow tanpa sudu pengarah... 36 Gambar 4.2 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = 150 mm... 37 Gambar 4.3 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = 100 mm... 38 Gambar 4.4 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = 50 mm... 39 Gambar 4.5 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = 0 mm... 41 Gambar 4.6 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = -50 mm... 42 Gambar 4.7 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = -100 mm... 43 Gambar 4.7 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada posisi guide vane x = -100 mm... 43 Gambar 4.9 Unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada kedudukan posisi turbin 300 mm... 47 Gambar 4.10 Nilai rata-rata konsumsi daya model cooling tower)... 50
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Unjuk kerja performa daya optimal pada turbin angin cross flow disetiap variasi posisi sudu pengarah...... 45 Tabel 4.2 Unjuk kerja performa daya optimal pada turbin angin cross flow disetiap variasi posisi turbin angin... 46 Tabel 4.2 Nilai koefisien daya (cp) dan tip speed ratio (λ)...... 49
DAFTAR NOTASI A = Luas area sapuan rotor (m 2 ) cp = Koefisien daya (non-dimensional) D = Diameter (m) D h = Diameter hidraulik (m) E = Energi kinetik benda bergerak (Joule) F = Gaya (N) F D = Gaya drag (N) F e = Gaya efektif (N) F L = Gaya lift (N) F r = Torsi (Nm) F s = Gaya yang terukur pada pegas (N) g = Gaya gravitasi (m/s 2 ) m = Massa (kg) N = Kecepatan Putar (rpm) Pw = Daya total yang tersedia dalam angin (watt) P T = Daya mekanik aktual (watt) R e = Radius efektif (m) R s = Radius poros (m) R r = Radius tali (m) T = Torsi (Nm) V = Laju volume udara (m 3 /s) v = Kecepatan angin (m/s) ṁ = Laju aliran massa (kg/s) ρ = Massa jenis udara (kg/m 3 ) 喘 = Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s) λ = Rasio kecepatan ujung (Tip Speed Ratio) (non-dimensional) θ = Sudut kemiringan sudu pengarah ( o )
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Data kecepatan rata-rata angin dari cooling tower... 56 Lampiran 2 Data hasil percobaaan tanpa sudu pengarah... 56 Lampiran 3 Data hasil percobaaan pada posisi turbin 0 mm... 57 Lampiran 4 Data hasil percobaaan pada posisi turbin 100 mm... 58 Lampiran 5 Data hasil percobaaan pada posisi turbin 200 mm... 59 Lampiran 6 Data hasil percobaaan pada posisi turbin 300 mm... 60 Lampiran 7 Data hasil percobaaan pada posisi turbin 4000 mm... 61 Lampiran 8 Data hasil konsumsi daya pada motor cooling tower... 62 Lampiran 9 Contoh perhitungan hasil pengujian... 62 Lampiran 10 Data hasil perhitungan turbin angin tanpa sudu pengarah. 63 Lampiran 11 Data hasil perhitungan turbin angin dengan posisi 0 mm. 64 Lampiran 12 Data hasil perhitungan turbin angin dengan posisi 100 mm.... 65 Lampiran 13 Data hasil perhitungan turbin angin dengan posisi 200 mm.... 66 Lampiran 14 Data hasil perhitungan turbin angin dengan posisi 300 mm.... 67 Lampiran 15 Data hasil perhitungan turbin angin dengan posisi 400 mm.... 68 Lampiran 16 Grafik unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada kedudukan posisi turbin 0 mm... 69 Lampiran 17 Grafik unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada kedudukan posisi turbin 100 mm... 70 Lampiran 18 Grafik unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada kedudukan posisi turbin 200 mm... 71 Lampiran 19 Grafik unjuk kerja performa daya turbin angin cross flow pada kedudukan posisi turbin 400 mm... 72 Lampiran 20 Gambar turbin cross flow yang terintegrasi dengan cooling tower... 74 Lampiran 21 Gambar skema variasi posisi guide vane pada posisi turbin dan sudut kemiringan commit to optimal user... 75
ABSTRAK UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH POSISI DAN SUDUT SUDU PENGARAH ALIRAN (GUIDE VANE) TERHDAP PERFORMA TURBIN ANGIN CROSS FLOW YANG TERINTEGRASI DENGAN MENARA PENDINGIN Danang Kurniawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia Email: danangjoyoe@gmail.com Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh posisi dan sudut kemiringan dari guide vane pada turbin angin cross flow. Turbin angin tipe cross flow ditempatkan pada bagian outlet cooling tower untuk memanfaatkan udara buangan dari cooling tower untuk menghasilkan energi listrik. Integrasi ini terdiri dari sudu pengarah dan diffuser yang digunakan untuk meningkatkan kecepatan putar turbin sehingga daya yang dihasilkan meningkat. Untuk menghindari pengaruh negatif pada cooling tower dan untuk mengoptimalkan performa turbin angin, penentuan posisi turbin dan pengukuran konsumsi daya cooling tower juga dilakukan dalam studi eksperimen. Pemodelan dibuat skala laboratorium dengan diameter turbin 400 mm dan tinggi 380 mm. Variasi posisi, sudut kemiringan guide vane diuji pada penelitian ini. Hasil penelitian menunjukkan turbin cross flow dengan guide vane menghasilkan daya yang lebih besar dibanding turbin cross flow tanpa guide vane. Turbin angin cross flow dengan variasi posisi guide vane x = 150 mm dengan kemiringan sudut 30 o memiliki performa tertinggi dengan daya maksimal 3,38 Watt, peningkatan daya yang dihasilkan oleh guide vane pada variasi ini mencapai 84,69 %. Sementara itu tidak ada perbedaan yang signifikan pada konsumsi daya kipas motor cooling tower, sebelum maupun setelah terpasangnya turbin angin dan guide vane. Kata kunci: cooling tower, guide vane, pemulihan energi, turbin angin
ABSTRACT EXPERIMENTAL STUDY THE IMPACT OF GUIDE VANE POSITION AND ANGLE TOWARD PERFORMANCE OF A CROSS FLOW WIND TURBINE INTEGRATED WITH THE COOLING TOWER Danang Kurniawan Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta Indonesia Email: danangjoyoe@gmail.com The purpose of this experiment is to know the impact of guide vane position and angle when applied on cross flow wind turbine. A cross flow wind turbine was positioned at the discharge outlet of a cooling tower to harness the discharged wind for electricity generation. The integration consists of guide-vanes and diffuser-plates, is used to enhance the rotational speed of the turbines for power augmentation. To avoid a negative impact on the performance of the cooling tower and to optimize the turbine performance, the determination of the turbine position in the discharge wind stream was also conducted by present study. The model of turbine is made on scale down with 400 mm diameter and 380 mm height. Variation of position, angle of attack of guide vane and the was tested on this experiment. The result shows that cross flow wind turbine with guide vane attached has higher power than cross flow turbine without guide vane. A cross flow wind turbin with guide vane position x = 150 mm and 30 pitch angle variation has the highest performance with 3,38 Watt, the power increased about 84,39 %. Meanwhile, there is no significant difference in the current consumption of the fan motor between bare cooling tower and the one with instaled wind turbine and guide vane. Keywords: cooling tower, energy recovery, guide vane, wind turbine