perancangan turbin angin sumbu horizontal dengan …
TRANSCRIPT
PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU
HORIZONTAL DENGAN DAYA 40 WATT
UNTUK PENERANGAN JALAN
TUGAS AKHIR
DIAJUKAN KEPADA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
SEBAGAI SYARAT UNTUK MEMPEROLEH GELAR
SARJANA TEKNIK MESIN STRATA SATU (S1)
DISUSUN OLEH :
PANDU FAJAR WIRATAMA
201210120311190
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2017
i
LEMBAR PENGESAHAN
Skripsi dengan judul:
PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL
DENGAN DAYA 40 WATT UNTUK PENERANGAN JALAN
Oleh :
Pandu Fajar Wiratama
201210120311190
Telah memenuhi persyaratan untuk dipertahankan
Di depan dewan penguji dan disetujui
Pada Tanggal 24 Oktober 2017
Menyetujui:
Pembimbing I Pembimbing II
Ir. Eko Hariyadi, MT. Ir. Sudarman, MT.
NIP. 108.9303.0292 NIP. 108.8909.132
Ketua Jurusan
Ir. Daryono, MT
NIP. 108.8909.0124
ii
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK – JURUSAN TEKNIK MESIN Jl. Raya Tlogomas 246 Malang
Telp. (0341) 464318 pes 128. Fax. (0341) 460782 Malang 65144
BERITA ACARA
BIMBINGAN TUGAS AKHIR (TA)
Nama : Pandu Fajar wiratama NIM : 201210120311190
No.ST.Pemb. TA : Tgl.ST.TA Keluar : 5 Oktober 2016
Judul TA : PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU
HORIZONTAL DENGAN DAYA 40 WATT UNTUK PENERANGAN JALAN
Mengetahui : Malang, 24 Oktober 2017
Ketua/Sekertaris Jurusan Teknik Mesin, Dosen Pembimbing I
Ir. Daryono, MT. Ir. Eko Hariyadi, MT.
NIP. 108.8909.0124 NIP. 108.9303.0292
MINGGU KEGIATAN TGL
KONSULTASI URAIAN ASISTENSI
TTD
DOSEN
1-3
Judul TA & BAB I
(pendahaluan, Latar
Belakang, Tujuan )
12 Oktober 2016 Perancangan sudu
turbin/kincir
4-5 BAB II
( Tinjauan Teori)
6-7 BAB III
(Metodologi)
8-10
BAB IV
(Perhitungan &
Pembahasan
11-12 Kesimpulan &
Seminar hasil 18 Oktober 2017
ACC
Seminar hasil
iii
iv
LEMBAR SURAT PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah:
Nama : Pandu Fajar Wiratama
NIM : 201210120311190
Tempat/Tanggal lahir : Serang, 10 Juni 1994
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Instansi : Universitas Muhammadiyah Malang
Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa:
Sesungguhnya bahwa tugas akhir dengan judul “PERANCANGAN
TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL DENGAN DAYA 40 WATT
UNTUK PENERANGAN JALAN” yang diajukan untuk memperoleh gelar
sarjana S1 pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Muhammadiyah Malang. Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan duplikasi
(PLAGIASI) dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai
untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah
Malang atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya
kutip dan daftar pustaka sebagaimana semestinya.
Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenar-benarnya dan
digunakan sebagaimana semestinya.
Malang, 24 Oktober 2017
Yang Menyatakan
Pandu Fajar Wiratama
v
ABSTRAK
Banyak sekali energi alternatif dari alam Indonesia khususnya di daerah Bayah
Kabupaten Lebak Baten yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik
untuk penerangan jalan. Salah satu contoh energi alternatif yang dapat dipilih
adalah energi angin, karena angin tersedia sepanjang tahun sehingga mudah
didapat dan tidak membutuhkan biaya yang besar. dalam memanfaatkan energi
angin ini diperlukan sebuah alat yang bekerja menghasilkan energi listrik, Salah
satu alat yang digunakan untuk memanfaatkan energi angin adalah turbin angin.
Pada perancangan turbin angin sumbu horizontal, Perancangan dimulai dengan
mencari kecepatan rata – rata angin pertahun, menghitung besar daya input turbin
lalu dilanjutkan dengan mencari dimensi rotor turbin dan mencari TSR (tip speed
ratio) sehingga jumlah sudu dapat diketahui. kemudian diteruskan dengan
menghitung geometri sudu, pemilihan airfoil dan material sudu yang akan
digunakan. Selain merancang sudu disertakan pula rancangan sederhana untuk
poros dan bantalan.
Dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s dan daya input turbin angin 58,47 watt
didapatkan dimensi rotor turbin angin dengan luas sapuan rotor 1,69 m2. Diameter
rotor 1,46 m, jari – jari rotor 0,73 m, Tip Speed Ratio 3, jumlah sudu 3. lalu jenis
airfoil yang digunakan adalah NACA 2408 dan material sudu menggunakan
fiberglass. Dengan kecepatan angin rata-rata 5 m/s dan luas sapuan rotor 1,69 m2
mampu menghasilkan daya sebesar 58,47 watt , maka dengan daya tersebut turbin
angin sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan listrik penerangan jalan.
Kata kunci: turbin angin, sumbu horizontal, energi alternatif, sudu, penerangan
jalan.
vi
ABSTRACT
There are lots of alternative energy comes from Indonesia, especially in the
area of Bayah, Lebak Banten Regency, which can be utilized as a source of
electrical energy for street lighting. One of alternative energy that can be selected
is wind energy, because wind is available throughout the year so it is easy to get
and does not count a lot. In utilizing wind energy, a tool which generates an
electrical energy, is needed. One of the tools that can be used to utilize wind
energy is wind turbine.
In designing horizontal axis wind turbine, the design begins with searching the
average wind speed per year, calculating the turbine input power and then proceed
by looking for the dimensions of the turbine rotor and TSR (Tip Speed Ratio), so
the number of blades can be known. Then continued by counting the blade’s
geometry, airfoil selection and the blades material to be used. Beside designing
the blades, it is also included a simple design for shafts and bearings.
With the average wind speed of 5 m/s and a wind turbine input power of 58.47
watts, can be obtained a wind turbine rotor dimensions with 1.69 m2 rotor sweep
area. The rotor diameter is 1.46 m, the radius of rotor is 0.73 m, Tip Speed Ratio
are 3, and the number of blades are 3. Then, the type of airfoil to be used is
NACA 2408 and the material of the blades are using fiberglass. With an average
wind speed of 5 m/s and a 1.69 m2 rotor sweep area, can generate 58.47 watts
power. So with that power, the wind turbine is enough to fulfil the needs of street
light electricity.
Key words: wind turbine, horizontal axis, blades, alternative energy.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang
karena hanya dengan rahmatNya dan izinNya lah penulis mampu menyelsaikan
skripsi ini. Shalawat beserta salam semoga selalu tercurahkan kepada baginda
nabi Muhammad SAW, para nabi sebelum beliau, keluarganya, para sahabat dan
kepada umat beliau hingga akhir zaman.
Penulisan skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
sarjana pada Universitas Muhammadiyah Malang fakultas teknik jurusan teknik
mesin. Judul yang penulis pilih adalah “Perancangan Turbin Angin Sumbu
Horizontal Dengan Daya”. Dalam penyusunan dan penulisan skripsi ini tidak
lepas dari bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai macam pihak. Oleh
karena itu penulis dengan segenap hati ingin mengucapkan terimakasih kepada
yang terhormat:
1. Bapak Ir. Eko Hariyadi, MT selaku pembimbing I penulis yang telah
membimbing dan selalu mensupport serta menginspirasi penulis dalam
berbagai hal hingga selesainya skripsi.
2. Bapak Ir. Sudarman, MT selaku pembimbing II penulis, yang telah
membimbing penulis dengan kesabaran yang luar biasa dan mengesahkan
skripsi ini.
3. Bapak Ir. Daryono, MT selaku kepala jurusan fakultas teknik jurusan
teknik mesin yang selalu memacu dan memotivasi penulis untuk
menyelesaikan skripsi.
4. Kepada orang tua penulis yang selalu mendorong, mendukung serta
mendoakan penulis tanpa henti maupun bosan.
5. Kepada seluruh saudara penulis yang juga mendukung terselesaikannya
skripsi ini.
6. Kepada semua teman-teman angkatan 2012 kelas D teknik mesin.
Terimakasih telah memberikan canda, tawa, solidaritas dan kenangan yang
indah. Semoga persahabatan dan persaudaraan kita terjalin selamanya.
viii
7. Kepada semua teman-teman yang pernah tinggal bersama penulis baik di
kos-kosan maupun kontrakan. Terimakasih atas semua persahabatan dan
kenangan indah selama di Malang.
8. Kepada semua mahasiswa dan teman seperjuangan mahasiswa
‘punakawan adventure’ yang telah sama-sama berjuang bahu-membahu
dalam mengejar wisuda.
9. Kepada seluruh orang yang penulis tidak bisa sebutkan satu persatu,
khususnya ‘kamu’ yang tidak pernah berhenti mendukung penulis untuk
mengerjakan skripsi.
Penulis menyadari banyak sekali kesalahan yang terdapat dalam penulisan ini,
oleh karena itu penulis mengharapkan kritik serta saran yang membangun demi
kebaikan bersama. Sesungguhnya kebaikan, kebenaran dan segala macam bentuk
ilmu hanyalah milik Allah SWT semata.
Malang, 24 Oktober 2017
penulis
ix
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................... i
LEMBAR ASISTENSI ................................................................................. ii
LEMBAR SURAT PERNYATAAN ............................................................. iv
ABSTRAK ..................................................................................................... v
KATA PENGANTAR ................................................................................... vii
DAFTAR ISI .................................................................................................. ix
DAFTAR TABEL ......................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2 Perumusan Masalah ........................................................................ 3
1.3 Tujuan Masalah .............................................................................. 3
1.4 Batasan Masalah ............................................................................ 3
1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5
2.1 Perancangan Terdahulu .................................................................. 5
2.2 Energi Angin ..................................................................................... 6
2.2.1Teori Momentum Betz .................................................................. 8
2.2.2 Tip Speed ratio ............................................................................. 11
2.3 Definisi Turbin Angin ...................................................................... 12
2.3.2 Turbin angin sumbu horizontal ................................................. 14
2.3.3 Turbin angin sumbu vertikal ..................................................... 15
2.4 Sudu Turbin Angin .......................................................................... 16
2.5 Airfoil ............................................................................................... 18
2.5.1 NACA 4 Digit ........................................................................... 18
2.5.2 NACAA 5 Digit ......................................................................... 19
2.6 Generator ......................................................................................... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................... 21
3.1 Tahapan Perancangan ...................................................................... 21
3.1.1 Data Lapangan ............................................................................ 21
x
3.1.2 Perancangan Design Rotor ......................................................... 22
3.1.3 Perancangan sudu dan Komponen ............................................. 22
3.2 Diagram Alir ................................................................................... 23
3.2.1 Diagram Alir Design rotor ........................................................ 23
3.2.2 Diagram Alir Perancangan Geometri Sudu .............................. 24
3.2.3 Diagram Alir Perancangan Komponen Turbin Angin .............. 25
BAB IV PERHITUNGAN DAN PERANCANGAN ................................... 26
4.1 Perhitungan daya turbin ................................................................... 26
4.2 Perhitungan Desain Rotor ................................................................ 27
4.2.1 Perhitungan TSR ....................................................................... 29
4.3 Geometri bilah sudu ....................................................................... 31
4.3.1 Chord sudu ................................................................................ 31
4.3.2 Volume sudu ............................................................................. 39
4.3.3 Desain Naft ............................................................................... 43
4.3.4 Gaya Lift dan Drag ................................................................... 45
4.4 Poros ............................................................................................... 46
4.5 Bantalan .......................................................................................... 50
4.6 Desain Nacelle ................................................................................ 52
4.6.1 Sistem Furling dan Tail .............................................................. 53
BAB V KESIMPULAN ................................................................................. 55
5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 55
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 56
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Kecepatan angin rata – rata perbulan .............................................. 26
Tabel 4.2 Pemilihan jumlah sudu berdasarkan nilai TSR ............................... 30
Tabel 4.3 Pembagian jari-jari lokal sudu ........................................................ 31
Tabel 4.4 Ratio kecepatan lokal sudu .............................................................. 31
Tabel 4.5 Hubungan antara R, r, λ, , α, ß dan ..................................... 35
Tabel 4.6 Harga yc,yt dan ............................................................................. 37
Tabel 4.7 Harga bagian atas (xu,yu) dan bagian bawah (xl,yl) .......................... 38
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Profil kecepatan angin melewati penampang rotor ...................... 8
Gambar 2.2 Faktor daya sebagai fungsi TSR berbagai jenis turbin ................. 12
Gambar 2.3 bagian bagian turbin angin ........................................................... 13
Gambar 2.4 Variasi jumlah blade pada turbin angin horizontal ...................... 14
Gambar 2.5 Turbin angin sumbu Vertical ....................................................... 15
Gambar 2.6 Sudut Pitch Bilah Turbin Angin ................................................... 17
Gambar 2.7 Tipe Airfoil NACA 4 Digit 2412 dan 0012 .................................. 19
Gambar 2.8 Tipe Airfoil NACA 5 digit .......................................................... 19
Gambar 2.9 Generator Listrik AC ................................................................... 20
Gambar 2.10 Diagram Alir Design Rotor ....................................................... 23
Gambar 2.11 Diagram Alir perancangan geometri sudu ................................. 24
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Komponen turbin Angin ................... 25
Gambar 4.1 konstruksi airfoil NACA ............................................................... 35
Gambar 4.2 Arah gaya pada sudu ................................................................... 45
Gambar 4.3 Gaya pada poros .......................................................................... 47
Gambar 4.5 Desain Nachelle ........................................................................... 52
Gambar 4.6 Furling Turbin Angin .................................................................. 53
56
Daftar Pustaka
Ali Vardar, Bulent Eker, 2006, journal, Principle of Rotor Design for Horizontal
Axis Wind Turbine.
Betz, A., 1926. Wind Energy and Their Utilization by Windmills. Bandenhoeck and
Ruprect, Gottingen.
Dewi izza 2015, Perancangan poros dengan beban puntir dan lentur.
Farid Ridha 2015, Pemilihan sudut pitch optimal turbin angin skala kecil dengan
tiga buah bilah.
Jansen and P.T Smulder, 1977, ROTOR DESIGN FOR HORIZONTAL AXIS
WINDMILLS.
Markus Nanda Andika, 2007, Kincir Angin Sumbu Horizontal Bersudu Banyak.
Sularso, Suga Kiyokatsu, 1991, Dasar Perancangan Dan Pemilihan Elemen mesin.
Tony Burton, D.Sharpe, 2001, Wind Energy Handbook.