proposal pembuatan dan pengujian turbin angin tipe horizontal sebagai penggerak mula pompa torak

8/18/2019 Proposal Pembuatan Dan Pengujian Turbin Angin Tipe Horizontal Sebagai Penggerak Mula Pompa Torak

1/22

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN

ANGIN TIPE HORIZONTAL SEBAGAI PENGGERAK

MULA POMPA TORAK

Manuf acture and test of wind tur bine hor izontal type as prime mover piston pump

Proposal Tugas Akhir Mahasiswa Diploma III

Disusun Oleh :

RIKY PERMANA

(131711055)

DEPARTEMEN TEKNIK KONVERSI ENERGI

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015


2/22

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN ANGIN TIPE

HORIZONTAL SEBAGAI PENGGERAK MULA POMPA

TORAK

Manufacture and test of wind turbine horizontal type as prime mover piston pump

Diajukan oleh :

Riky Permana NIM: 131711055

Telah disetujui oleh :

Pembimbing I,

Rusmana, S.ST., M.Eng.

NIP 19580519 198503 1 002 Tanggal : ……………………….


3/22

I. Latar Belakang

Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi

angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Indonesia

merupakan negara tropis yang memiliki potensi angin yang banyak, namun sampai saat ini

tenaga angin masih jarang dimanfaatkan sebagai sumber energi. Energi angin sebenarnya

dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya untuk pemompaan air untuk irigasi,

pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang,

pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi

angin dapat dilakukan baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan

di laut.

Salah satu jenis turbin angin yang umumnya digunakan adalah jenis turbin angin

sumbu horizontal. Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang memiliki

sumbu putar terletak sejajar dengan permukaan tanah, selain itu sumbu putar rotornya selalu

searah dengan arah angin. konsep turbin axial adalah menyerupai baling-baling yang

menangkap energi angin dan mengubahnya menjadi energi gerak poros. Layaknya seperti

mesin pada umumnya, setiap turbin angin memiliki nilai efisiensi yang berbeda beda dan hal

ini ditentukan oleh bentuk sudu, sudut sudu, bentuk ekor, material bahan pembuat turbin

angin, bentuk transmisi, dan jumlah sudu.

Daya keluaran yang dihasilkan turbin angin ini akan dimanfaatkan sebagai

penggerak mula pompa. Pompa merupakan alat konversi energi yang mengubah energi putar

menjadi energi tekan untuk dapat menaikkan atau mengalirkan fluida dari satu tempat ke

tempat lainnya. Jenis pompa yang digunakan yaitu pompa torak. Hal ini dikarenakan pompa

ini dapat memanfaatkan gerak rotasi dari poros menjadi gerak translasi untuk dapat menarik

air.

Dalam tugas akhir ini, penulis akan melakukan rancang bangun dan pengujian

mengenai turbin angin sumbu horizontal sebagai penggerak mula pompa torak. Yang

nantinya akan dicari perbandingan nilai efisiensi turbin angin yang berbentuk data daya

keluaran, kemudian dari data daya keluaran tersebut akan didapat nilai energi yang

dihasilkan turbin angin.


4/22

II. Tujuan

Adapun Tujuan dari pelaksanaan tugas akhir ini adalah :

1.

Membuat turbin angin sumbu horizontal sebagai penggerak mula pompa torak

untuk operasi pada kecepatan angin rendah dan kontruksi sederhana.

2. Mengidentifikasi kinerja turbin angin sumbu horizontal sebagai penggerak

mula pompa torak.

III. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas dapat dirumuskan masalah

masalah yang akan dihadapi dalam tugas akhir ini diantaranya adalah cara menentukan

kontruksi, material, dan pembuatan turbin angin sumbu horizontal serta mengidentifikasi

kinerja turbin angin sumbu horizontal sebagai penggerak mula pompa torak.

IV. Batasan Masalah

Batasan masalah dalam pembuatan alat ini yaitu :

1. Pembuatan turbin angin sumbu horizontal didesain dengan sudu tipe

multiblades dengan jumlah sudu sebanyak 12 buah dan jari jari sebesar 0.6 m.

2.

Turbin angin yang akan dibuat dirancang untuk dapat memenuhi kebutuhan

rumah tangga, sehingga penempatannya tidak jauh dari daerah pemukiman.

Kecepatan angin yang diambil sebagai acuan nominalnya adalah 3 m/s.

3. Pembuatan turbin angin sumbu horizontal dirancang untuk dapat dijadikan

sebagai penggerak mula pompa torak.

V. Landasan Teori

V.1.

Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak

digunakan. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-

baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin.

Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi:

1. Turbin angin satu sudu ( single blade)

2.

Turbin angin dua sudu (double blade)


5/22

3.

Turbin angin tiga sudu (three blade)

4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)

1 2 3 4

Gambar V-1 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu(Sumber: Sathyajith Mathew , hal 17)

Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah angin

terhadap rotor turbin, yaitu :

1. Upwind , apabila turbin angin diletakan mengahadap arah angin (upwind memiliki

rotor yang menghadap arah datangnya angin.

2.

Downwind, apabila turbin angin dihadapkan membelakangi arah angin

Gambar V-2 TASH Upwind dan Downwind

(Sumber : Eric Hau, 2006)

V.2. Teori Momentum Elementer Betz’

Turbin angin yang di asumsikan oleh Beltz’ adalah turbin angin yang ideal yaitu

turbin angin yang tidak mempunyai poros dan mempunyai jumlah sudu yang tak terbatas

tapi tidak menimbulkan gaya hambat ( Drag Force) pada angin yang melaluinya. Beltz’

mengasumsikan kecepatan udara yang melewati rotor dianggap bergerak secara aksial.

Energi mekanik yang dihasilkan turbin angin besarnya akan sama dengan energi

kinetik angin sebelum melewati turbin angin dikurangi dengan energi kinetik angin sesudah


6/22

melewati turbiin angin. Jika angin yang melewati turbin angin dianggap inkompresible,

maka menurut hukum kontinuitas dapat ditulis:

1 × 1 = 2 × 2

Gambar V-3 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik dari aliran udara bebas

sesuai dengan teori momentum elementer.

(Sumber : Eric Hau, 2006)

Energi kinetik dari massa udara sebesar m yang bergerak pada kecepatan v

dinyatakan sebagai :

=

Dengan menganggap udara melalui luas penampang A pada waktu tertentu, maka

laju aliran udara tersebut menjadi

= .

Dan bila kerapatan udara adalah ρ, maka laju aliran massa udara adalah

= . .

Dari persamaan-persamaan di atas didapat ekspresi daya angin seperti berikut :

= . . .

Energi mekanik yang dapat diekstraksi oleh “konverter piringan” dari aliran udara

merupakan selisih daya aliran udara sebelum dan sesudah melewati konverter, yaitu :

= . .

. .


7/22

Persamaan kontinuitas mensyaratkan :

. . = . .

sehingga, daya yang dapat diekstraksi menjadi

= . . . ( )

Pengolahan lebih lanjut terhadap persamaan-persamaan sebelumnya akan

menghasilkan ekspresi daya yang dapat diekstraksi menjadi

=

..( )( )

sedangkan daya angin sebelum mencapai rotor adalah

= . . .

Rasio antara daya mekanik yang dapat diekstraksi dan daya angin sebelum

mencapai rotor disebut koefisien daya (power coefficient) Cp, yaitu :

= =(−)+(+)

atau dapat dinyatakan dalam bentuk :

= = |1

| |1 |


8/22

Gambar V-4 Hubungan koefisien daya dengan rasio v1/v2

(Sumber : Eric Hau)

Dari persamaan dan kurva di atas, maka Cp maksimum atau “koefisien daya ideal”

terjadi pada saat v2/v1 = 1/3 dan besarnya adalah

= 67 =0.593

Hasil penting yang didapat dari teori momentum ini adalah :

1. Daya mekanik yang dapat diekstraksi dari aliran udara akan bertambah besar

sebagai fungsi kecepatan angin pangkat tiga.

2. Daya yang dihasilkan berbanding lurus dengan luas penampang sapuan rotor

atau berbanding kuadratis dengan diameter rotor.

3. Daya mekanik maksimum yang dapat diekstraksi dari aliran udara adalah

sebesar 59,3 %.

4.

Jika koefisien daya mencapai harga maksimum, yaitu 0,593, maka kecepatan

udara setelah melewati rotor tinggal 1/3 kali kecepatan udara sebelum melewati

rotor

V.3. Perancangan Rotor

V.3.1. Pemilihan Diameter dan Jumlah Sudu

Diameter rotor yang dipilih berkaitan dengan besar luaran daya yang diperlukan.

Pemilihan diameter sudu ini, berdasarkan daya yang dibutuhkan dengan pedoman nilai Cp


9/22

= 0,3-0,4 untuk turbin modern yang mempunyai sudu sebanyak 3 buah. (Piggott Hugh,

2005).

= √

. . . Dimana :

P = Daya Poros yang diinginkan (Watt)

Cp = Coefficient Of Performance

= massa jenis udara (

)

= kecepatan udara (m/s)

Selain luaran daya, kecepatan angin mula juga menjadi pertimbangan pemilihan

diameter rotor. Semakin besar diameter rotor, maka kecepatan angin minimal yang

diperlukan untuk memutar rotor menjadi lebih kecil.

Pemilihan jumlah sudu berkaitan dengan rasio kecepatan ujung (tip speed ratio)

yang diinginkan dan juga aspek keindahan. Jumlah sudu yang banyak akan menghasilkan

tip speed ratio yang kecil. Sedangkan jumlah sudu yang lebih sedikit akan menghasilkan tip

speed ratio yang besar.

V.3.2. Tip Speed Ratio

Koefisien daya tergantung pada rasio antara komponen-komponen energi dari gerak putar

rotor dan gerak aliran udara. Rasio ini ditentukan oleh kecepatan tangensial bilah rotor dan

aliran udara aksial sebelum mencapai rotor dan rasio ini disebut tip sped ratio, λ

= = ℎ


10/22

Gambar V-5 Model Teori Pelat Tipis dan Kecepatan tangensial ujung bilah rotor

(Sumber : Modul Desain Teknologi Tenaga Angin)

V.3.3. Menentukan Geometri Sudu

Bentuk sudu adalah fungsi dari tip speed ratio, diameter rotor dan jumlah sudu.

Elemen penting yang dipilih dalam merancang sudu adalah bentuk planform sudu, lebar sudu

(chord), jari-jari pangkal (root radius), tebal sudu dan sudut pitch.

= 6()

= tan

Dimana :

C : ketebalan sudu (chord ) [m]

R : jari – jari rotor [m]

r : jarak dari pusat rotasi [m]

λ : tip speed ratio

B : jumlah sudu

: sudut serang [˚]


11/22

VI. Metodologi Penyelesain

VI.1. Rencana Pembuatan Turbin Angin

Gambar VI-1 Diagram alir perencanaan pelaksanaan tugas Akhir(Sumber : Riky Permana)


12/22

VI.2. Perhitungan Daya pada Berbagai Kecepatan Angin

VII.2.1. Menetapkan Kecepatan Angin Nominal

Turbin angin yang akan dibuat dirancang untuk dapat memenuhi kebutuhan rumah

tangga, sehingga penempatannya tidak jauh dari daerah pemukiman. Kecepatan angin yang

diambil sebagai acuan nominalnya adalah 3 m/s.

VII.2.2. Perhitungan Daya Angin

Dari persamaan Betz’s dapat diketahui tentang persamaan daya yang terjadi pada

turbin angin untuk berbagai kecepatan angin, yaitu: = . . . ,

Dengan diketahui :

r = 0.6 m V = 3 m/s

A = 1.1304 m2 ρ = 1.2 kg/m3

Maka, = 1.2 1.1304[] 3[

]

= 18.31 []

Tabel VI.1 Daya Angin untuk jari jari 0.6 meter pada berbagai kecepatan

Kecepatan Angin (m/s) Daya Angin (Watt)

1 0.68

2 5.43

3 18.31

4 43.41

5 84.78

6 146.50

7 232.64


13/22

VI.3. Tahap Rencana Pembuatan Alat

VII.3.1. Perancangan Sudu Rotor

Sudu merupakan komponen turbin angin yang sangat signifikan. Sudu berkontak

dengan udara yang mengakibatkan sudu bergerak (berputar) karena adanya gaya drag dan

lift . Pangkal sudu menempel pada suatu hub yang menghubungkan antara sudu dengan

poros. Gerak putar sudu akan memutar poros yang dijadikan sebagai penggerak mula pompa.

Oleh karena itu kontruksi sudu pun harus dibuat sebaik mungkin.

Pada perancangan ini dibuat sudu dengan tipe multi blades yang berjumlah 12.

Meskipun memiliki efisiensi rendah, tetapi dapat menghasilkan momen gaya awal yang

cukup besar untuk mulai berputar. Kontruksi ini memiliki profil blade yang tipis, kecil,kelengkungan halus, dan konstruksi yang solid. Konsep ini disesuaikan untuk keperluan

memompa air, karena murah dan mampu bekerja pada kecepatan angin rendah

sehingga tower tidak perlu terlalu tinggi dan air dapat dipompa secara kontinu.

Sedangkan jumlah sudu rotor sebanyak duabelas buah dikarenakan jumlahnya sudu

erat kaitannya dengan soliditas suatu turbin. Soliditas ini merupakan rasio antara luas sudu

turbin dengan luas penampang bidang putar. Secara teoritis semakin banyak jumlah sudu

maka soliditasnya semakin tinggi sehingga nilai torsinya juga akan semakin tinggi,

walaupun kecepatan putarnya rendah jika dibandingkan dengan yang soliditasnya rendah.

Dalam penentuan material tingkat kesulitan pengolahan material dipertimbangkan

untuk mempermudah manufaktur. Sudu turbin direncanakan dibuat dari galvanis tebal 2 mm

yang dipotong menggunakan mesin potong dan dilakukan pembentukan sudu turbin sebagai

sudu dengan jumlah sudu seperti diatas dengan sudut sudu masing-masing sudu dibuat sama.

Pada proses pembuatan sudu ini meliputi beberapa macam tahapan. Karena bentuk

penampang sudu airfoil yang memanjang dari pangkal ke ujung sudu, maka perlu ketelitian

dalam pembuatan sudu. Untuk mempermudah pembuatan sudu, maka perlu dibuatkan

cetakan yang dibuat dari bahan kayu. Dengan menggunakan hubungan jari-jari sudu r

terhadap jumlah sudu dan lebar sudu, didapatkan nilai lebar sudu (chord) yaitu :


14/22

Tabel VI.2 Ketebalan sudu setiap penampang

Penampang r [m] R [m] λ v [m/s] B C [m]

1 0.2 0.6 2 3 12 0.209

2 0.3 0.6 2 3 12 0.140

3 0.4 0.6 2 3 12 0.105

4 0.5 0.6 2 3 12 0.084

5 0.6 0.6 2 3 12 0.070

Perhitungan diatas berdasarkan data dan asumsi awal sebagai berikut :

o Jari-jari sudu sebesar 0.6 m

o Tip speed ratio sebesar 2 untuk sudu 12 buah (WAM Jansen, 1986)

o Kecepatan angin yang dijadikan acuan sebesar 3 m/s

Gambar VI-2 Rancangan Pembuatan sudu

(sumber: Riky Permana)

VII.3.2. Poros

Poros (shaft ) adalah elemen mesin yang digunakan untuk mentransmisikan daya

dari satu tempat ke tempat lainnya. Poros merupakan suatu bagian stasioner yang beputar,

berpenampang bulat dan pada poros ini akan di pasang bevel gear yang berfungsi untuk

merubah putaran horizontal menjadi putaran vertical yang nantinya akan diteruskan sebagai


15/22

daya poros untuk penggerak mula pompa torak. Poros ini harus bisa menerima beban

lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau

berupa gabungan satu dengan lainnya. Poros yang direncanakan akan dibuat berdiameter

sebesar 20 mm

VII.3.3. Perancangan Yaw Mechanism

Yaw Mechanism adalah komponen yang menghubungkan antara tiang penyangga

dan rangka turbin. Fungi yaw mechanism adalah menjaga arah turbin angin sehingga sudu

rotor selalu menghadap arah datangnya angin. Prinsip kerja yaw mechanism berupa putaran

pada sumbunya dimana ketika sudu menerima angin dari arah samping, yaw mechanism akan

berputar sehingga sudu tetap menghadap angin dan dapat berputar.

Yaw Mechanism menggunakan material dari logam seperti baja karbon. Hal ini

dikarenakan beban yang diterima yaw mechanism sangat besar yang berasal dari beban

komponen turbin selain tiang dan beban dari energi angin itu sendiri.

Yaw Mechanism terdiri dari beberapan komponen mekanis, seperti poros dalam,

poros tengah, poros luar, dan bearing . Poros dalam berfungsi untuk mentrasmisikan daya

poros turbin yang nantinya akan dijadikan sebagai penggerak mula pompa torak. Poros tengah

terhubung dengan dengan rangka turbin angin. Sebuah rangka turbin angin terdiri dari sudu

dan ekor. Untuk poros tengah yang berhubungan dengan rangka cenderung bergerak karena

adanya gerak angin. Poros ini selalu berputar mengikuti putaran rangka turbin. Poros luar

menempel pada tiang penyangga dengan cara di las, maka poros ini statis dan tidak berputar.


16/22

Gambar VI-3 Rancangan Yaw Mechanism

(Sumber : Riky Permana dan Rizky Kurnia)

VII.3.4. Perancangan Ekor

Ekor turbin angin adalah komponen yang letaknya dibagian belakang turbin angin.

Fungsi ekor turbin angin adalah untuk merespon angin dan menstabilkan gerakan turbin

angin sehingga sudu rotor selalu menghadap arah datangnya angin.

Untuk mampu menahan beban yang diterima ekor, material yang digunakan untuk

membuat ekor harus kuat. Material yang digunakan berupa baja karbon rendah. Kekuatan

baja karbon rendah dalam menahan beban yang diterima menjadi acuan dalam pemilihan

material.

Selain faktor material, desain dan kontruksi ekor memegang peranan penting. Ekor

yang dibuat berasal dari dan pada ujung ekor dipasang pelat. Penggunaan pelat ini bertujuan

untuk merespon arah angin. Ekor disambung dengan mekanisme yaw dengan menggunakan

baut dan mur.

Poros Dalam

Poros Tengah

Poros Luar

Rangka dan ekor turbin


17/22

Gambar VI-4 Rancangan ekor turbin

(Sumber : Riky Permana dan Rizky Kurnia)

VII.3.5. Perancangan Hub dan Hidung

Hub adalah bagian rotor yang berada di pusat rotasi. Hub dibuat dari pelat baja yang

melalui proses pemesinan dan pengelasan sehingga memungkinkan untuk dipasangi batang

sudu dan perlu counterbalance. Hub dibuat dengan diameter 200 mm dan untuk pencekaman

blade dengan menggunakan M6

Hidung diletakkan pada hub dengan bentuk hampir menyerupai setengah bola.

Hidung memiliki fungsi diantaranya mengurangi tahanan turbin angin terhadap angin,

melindungi komponen-komponen yang menempel pada hub, dan menberikan nilai

keindahan pada turbin angin. Bentuk hidung yang menyerupai setengah bola menjaga agar

aliran udara yang menerpa hub tetap laminar atau setidaknya meminimalisir turbulensi yang

terjadi di sekitar hub.

VI.4. Mengidentifikasi Kinerja Turbin Angin Sumbu Horizontal

Mengidentifikasi kinerja turbin angin sumbu horizontal meliputi pelaksanaan

pengujian, dimana pada tahap ini akan dilakukan pengambilan data. Parameter yang diukur

dalam pengujian adalah :

1. Kecepatan angin (m/s) yang akan digunakan memutar sudu turbin.

2. Putaran poros (rpm), yaitu putaran yang dihasilkan oleh poros turbin setelah sudu

turbin dikenai angin dengan kecepatan yang telah ditentukan.

3.

Torsi (Nm), yaitu besarnya torsi yang dihasilkan dari putaran poros setelah sudu

turbin dikenai angin dengan kecepatan yang telah ditentukan.


18/22

4.

Daya angin (watt) daya turbin (watt), yaitu besarnya daya yang mampu dihasilkan

oleh turbin angin;

5. Koeffiensi Daya (CP), yaitu rasio antara daya mekanik yang dapat diekstraksi dan

daya angin sebelum mencapai rotor.

6. Effisiensi (%), yaitu perbandingan antara daya keluaran dengan daya masukan.

Parameter yang ditentukan dan merupakan variabel dalam pengujian ini adalah

kecepatan angin pada rotor turbin angin sumbu horizontal yang divariasikan, setiap variasi

dilakukan pencatatan terhadap parameter diatas.

VII. Jadwal TA

RencanaKegiatan

Bulan

November Desember Januari Februari Maret April Mei

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Studi literatur

PengumpulanProposal TA

Seminar

Proposal TA

Pembuatanalat

Pengujian

alat

PembuatanLaporan

SeminarKemajuan

TA

SeminarAkhir


19/22

VIII. Rencana Anggaran Biaya

No. Bahan Jumlah Satuan Harga

1. Plat Galvanis 1 Lembar Rp. 700.000

2. Baja ST37 Pejal 1 batang Rp. 480.000

3. Pelat Baja Ringan 1 Lembar Rp. 300.000

4. Pipa Besi 1 batang Rp. 225.000

5. Bevel Gear 1 set Rp. 500.000

6. Bearing 6 Buah Rp. 300.000

7. Sekrup 40 Buah Rp. 40.000

8. Mur-baut 40 Buah Rp. 40.000

Total Rp. 2.585.000


20/22

IX. Daftar Pustaka

1. Desain Teknologi Turbin Angin Bandung: PT. Entec Indonesia.

2. Hau E. Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Aplication, Economics 2nd Edition Berlin:

Springer; 2006.

3. Meyers B. Centurion Energy Alternative Energy. [Online].; 2013. Available from:

http://centurionenergy.net/types-of-wind-turbines.

4. Egi I. Pembuatan dan Pengujian Turbin Angin Sumbu Horisontal 3 Sudu Dengan Diameter 2

Meter Bandung; 2014.

http://centurionenergy.net/types-of-wind-turbineshttp://centurionenergy.net/types-of-wind-turbineshttp://centurionenergy.net/types-of-wind-turbines


21/22

LAMPIRAN


22/22

proposal pembuatan dan pengujian turbin angin tipe horizontal sebagai penggerak mula pompa torak

Documents