PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER 3,5 METER DENGAN MODIFIKASI PEMOTONGAN DAN PENGATURAN SUDUT PITCH
TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh
Fransiscus Lungan 13101108
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Tugas Sarjana Judul
Program Studi
Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch Teknik Mesin
Fransiscus Lungan
13101108
Fakultas Tenik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Ringkasan Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber daya energi fosil serta efek negatif yang ditimbulkan dari penggunaan sumber daya energi fosil terhadap lingkungan mengakibatkan perlunya dikembangkan teknologi pemanfaatan sumber energi terbarukan. Angin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan. Energi angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin. Jenis turbin angin yang dibuat dalam tugas sarjana ini adalah turbin angin sumbu horizontal tiga sudu berdiameter 3,5 meter upwind dengan pengarah ekor disertai modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch. Perancangan turbin angin dilakukan dengan penekanan kepada keterbuatan dan kemampuan turbin angin untuk mengekstraksi energi angin secara optimal. Metode penelitian yang digunakan adalah kombinasi antara penelitian kualitatif dan kuantitatif, dalam hal ini berkaitan dengan perancangan dan pengujian. Pengujian kinerja turbin angin dilakukan untuk mendapatkan karakteristik daya turbin angin terhadap kecepatan angin dan memperoleh nilai cut in speed turbin angin kemudian membandingkan hasil pengujiannya dengan turbin angin tanpa modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch.
Title
Major
Final Project Horizontal Axis Wind Turbine Designing Fransiscus Lungan and Manufacturing With Three Bladed Rotor in 3,5 metres on Diameter With Cutting Modification and Pitch Angle Adjusting Mechanical Engineering 13101108 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung Abstract
The increasing demand of energy, limitation of fossil energy resources, and environmental negative effects of using fossil energy resources deem to be necessary to use the renewable energy resources. Wind energy is one of many kind renewable energy resources. Wind energy can be extracted by using of wind turbines. The type of wind turbine in this final project is 3,5 meters of diameter with three bladed horizontal axis wind turbine rotor using upwind with tailing, includes cutting modification and pitch angle adjusting. The design process considers manufacturability aspect and wind turbine performance to extract wind power. The research method was combination of qualitative and quantitative research, in this case related with design and testing. Wind turbine performance testing is performed to get the power output versus wind speed characteristic curve of wind turbine and to get cut in speed value and then comparing it with the performance of wind turbine without cutting and pitch angle adjusting
Lembaran Pengesahan
Tugas Sarjana
Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch
Oleh
Fransiscus Lungan 13101108 Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung
Disetujui pada Tanggal: 26 Juni 2008
Pembimbing Utama
Ir. Kemas Rifian, M.Sc. NIP 131 661 114
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, Yesus Kristus, dan Bunda Maria, atas segala limpahan rahmat, berkat, kasih, dan lindungan-Nya selama proses pengerjaan tugas sarjana ini, sehingga dapat selesai pada waktunya. Terima kasih kepada ayahanda dan ibunda atas doa, kasih sayang, pengertian, dan dukungannya selama ini kepada penulis yang tiada henti semenjak penulis mulai hadir ke dunia ini hingga saat pengerjaan tugas sarjana ini selesai. Walaupun kalian berada jauh, tetapi tetap ada di hatiku. Bagaikan air tiada henti hentinya, memberi hidup di sekitarnya. Tugas sarjana ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada program studi Teknik Mesin ITB. Banyak hal yang telah penulis dapatkan selama proses pengerjaan tugas sarjana ini. Semoga dapat bermanfaat kelak di kemudian hari. Tak lupa dengan kerendahan hati penulis ingin menyampaikan penghargaan dan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Kemas Rifian, M.Sc yang telah membimbing penulis dengan sabar dan rela meluangkan waktunya dari awal pengerjaan hingga tugas sarjana ini dapat selesai pada waktunya. 2. My lovely brother, dr. Laurensius “Ary” Lungan atas dukungan dan motivasinya. I’m waiting for my first nephew bro! 3. My lovely sister, Glory Natalia Lungan. 4. Alm. Nenek Rini terkasih, semoga kegigihan dan ketegaran hati beliau dapat menjadi cambuk bagi penulis untuk tetap berkarya, amin. 5. Staf pengajar beserta staf tata usaha prodi Teknik Mesin ITB atas ilmu dan bantuan administratif selama penulis masih menyandang status sebagai mahasiswa.
i
6. Staf Laboratorium Gambar Teknik Mesin ITB yaitu pak Usep, pak Dede, serta pak Ade. 7. LS Clan baik yang masih ada di kampus maupun yang sudah meninggalkan kampus yaitu Robert “Afgan” Tambunan,
Gindo Saor,
Barus, Benara, Sahala, Ganda, Ferry Bokep, Delo, Robert PHP, Raynold, Arwin, Endot, Kadek, dan Ketut Juli. 8. UKSS’ers-ITB, baik anggota maupun alumni, terima kasih atas pengalaman dan waktu indah bersama selama kita menghuni unit kita tercinta. 9. Pren-pren Mesin ’01 atas solidaritasnya selama ini. Buat yang masih berjuang di kampus, jangan patah semangat pren. Terus berjuang! 10. Pren-pren HMM ITB dan rekan-rekan lab. gambar yang turut membantu penulis dalam pengerjaan tugas sarjana selama ini, yaitu Adi Andriyanto, Sucipto, Bambang, Adi Rahadian, dan Rukmin 11. DotA-ers ITB, di antaranya yaitu Dj-oko, Tomatcupz, Jambak, Dody, Gusto, Brur, dan rekan-rekan yang lain yang tidak dapat disebutkan satu persatu. 12. Seseorang yang tetap mengisi dan menjaga hatiku. Keadaan yang memaksa kita harus begini, maafkanlah.
Penulis menyadari adanya kesalahan dalam penulisan tugas sarjana ini, oleh karenanya, penulis memohon maaf atas segala ketidaksempurnaan dan kekurangan penulis, karena kesempurnaan hanya milik Dia semata. Saran dan kritik membangun sangat diharapkan agar kekurangan yang ada bisa diperbaiki. Akhirnya penulis berharap semoga laporan tugas sarjana ini dapat memberikan manfaat dan arti kepada banyak pihak. Terima kasih.
Bandung, Juni 2008
Fransiscus Lungan
ii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR
i
DAFTAR ISI
iii
DAFTAR SIMBOL
vi
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR TABEL
ix
Bab I Pendahuluan
1
1.1.
Latar Belakang
1
1.2.
Rumusan Masalah
3
1.3.
Tujuan
3
1.4.
Manfaat
3
1.5.
Batasan Masalah
4
1.6.
Sistematika Penulisan
4
Bab II Dasar Teori
6
2.1.
6
Prinsip Konversi Energi Angin
2.1.1. Teori Momentum Elementer Betz
6
2.1.2. Koefisien Daya
9
2.1.3. Gaya Aerodinamik pada Rotor
10
2.2.
12
Jenis-Jenis Turbin Angin
2.2.1. Turbin Angin Sumbu Vertikal
12
2.2.2. Turbin Angin Aksial
14
2.3.
15
Merancang Rotor
2.3.1. Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu
15
2.3.2. Tip Speed Ratio
16
2.3.3. Profil Airfoil
17
2.3.4. Geometri Sudu
18
2.3.5. Fenomena Stall
21
2.4.
Pemilihan Sistem Transmisi Daya
22
2.5.
Perancangan Kontruksi Turbin Angin
23
2.5.1. Sudu
24
iii
2.5.2. Batang Sudu
25
2.5.3. Hub
25
2.5.4. Generator
25
2.5.5. Rangka/Base
26
2.5.6. Ekor
26
2.5.7. Menara
27
2.5.8. Yaw Mechanisme
27
2.5.9. Hidung
28
2.6.
28
Sistem Kelistrikan
2.6.1. Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan
28
2.6.2. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai
29
2.6.3. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan tanpa Baterai
29
2.6.4. Sistem Kelistrikan tanpa Baterai
30
Bab III Perancangan dan Pembuatan
31
3.1
Perhitungan Daya Pada Berbagai Kecepatan Angin
31
3.1.1
Menentukan Kecepatan Angin Nominal
31
3.1.2
Perhitungan Daya Maksimum Rotor
31
3.2
Perancangan Rotor
32
3.2.1
Diameter Rotor
32
3.2.2
Tip Speed Ratio
32
3.2.3
Pemilihan Bahan untuk Komponen-komponen Rotor
32
3.2.4
Batasan Profil Air Foil Berdasarkan Keterbuatan
33
3.2.5
Pemilihan Bentuk Sudu
34
3.2.6
Perancangan Geometri Sudu
34
3.2.7
Nilai Sudut Pitch Optimum
36
3.3
Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin
37
3.3.1
Rotor
38
3.3.2
Permanet Magnet Generator (PMG)
40
3.3.3
Base dan Yaw Mechanisme
41
3.3.4
Side Furling
42
3.3.5
Ekor
44
iv
3.3.6
Sistem Pengereman
44
3.3.7
Data Komponen
45
3.3.8
Perakitan Turbin Angin
46
Bab IV Pengujian dan Analisis
48
4.1
Metode Pengujian Turbin Angin
48
4.2
Perlengkapan Pengujian
50
4.3
Prosedur Pengujian
50
4.4
Data Hasil Pengujian
51
4.5
Analisis Hasil Pengujian
56
Bab V Kesimpulan dan Saran
59
5.1
Kesimpulan
59
5.2
Saran
59
DAFTAR PUSTAKA
61
LAMPIRAN-LAMPIRAN
63
v
DAFTAR SIMBOL D
Diameter rotor (m)
R
Jari-jari rotor (m)
A
Luas area sapuan rotor (m2)
ρ
Massa jenis udara (kg/m3)
m
Massa (kg)
m&
Laju aliran massa (kg/s)
v
Kecepatan angin (m/s)
V&
Laju volume udara (m3/s)
n
Kecepatan putaran rotor (rpm)
ω
Kecepatan sudut (rad/s)
α
Sudut serang (°)
β
Sudut pitch (°)
ф
Sudut apparent wind (°)
λ
Tip speed ratio
C
Panjang chord sudu rotor (m)
L
Gaya lift (N)
D
Gaya drag (N)
T
Thrust (N)
Q
Momen torsi (Nm)
P
Daya (W)
Cp
Koefisien daya rotor
CL
Koefisien lift
CD
Koefisien drag
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas
8
Gambar 2.2 Koefesien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara
10
Gambar 2.3 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara
11
Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal
13
Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind
14
Gambar 2.6 Nilai koefesien daya dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin
17
Gambar 2.7 Berbagai bentuk airfoil yang berkembang saat ini
18
Gambar 2.8 Geometri sudu bentuk tirus
18
Gambar 2.9 Elemen kecepatan yang terjadi pada sudu
19
Gambar 2.10 Gaya-gaya yang terjadi pada sudu
20
Gambar 2.11 Kondisi kecepatan dan gaya yang terjadi pada sudu
21
Gambar 2.12 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi udara
23
Gambar 2.13 Sistem kelistrikan lepas jaringan
29
Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai
29
Gambar 2.15 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai
30
Gambar 2.16 Sistem kelistrikan tanpa baterai
30
Gambar 3.1 Profil airfoil untuk penampang sudu
33
Gambar 3.2 Penampang badan sudu
35
Gambar 3.3 Sudu yang telah dipotong
37
Gambar 3.4 Tahapan pemesinan pada pembuatan sudu dan hasilnya
38
Gambar 3.5 Hub, hidung, dan pengatur sudut pitch
40
Gambar 3.6 Karakteristik PMG Ginlong 500W
41
Gambar 3.7 Yaw mechanism antara poros tiang dan base
42
Gambar 3.8 Ekor pada turbin angin
44
Gambar 3.9 Mekanisme pengereman dengan mengubah posisi ekor
45
vii
Gambar 3.10 Diagram alir proses perakitan turbin angin
47
Gambar 4.1 Sistem instalasi pengujian turbin angin dengan hybrid system
48
Gambar 4.2 Skema pengujian turbin angin dengan beban langsung terpasang
49
Gambar 4.3 Grafik tegangan listrik terhadap kecepatan angin pada kondisi tidak terbebani
52
Gambar 4.4 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan pembebanan 16,2 watt
54
Gambar 4.5 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan pembebanan 20 watt
55
Gambar 4.6 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi tanpa beban
56
Gambar 4.7 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi pembebanan
57
Gambar A.1-A.2 turbin angin yang sudah terpasang beserta anemometer
63
Gambar A.3 Peralatan pengujian dengan beban 16,2 watt
65
Gambar A.4 Peralatan pengujian dengan beban 20 watt
65
Gambar B Gambar teknik turbin angin
66
viii
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Daya rotor untuk diameter 3,5 meter pada berbagai kecepatan angin 31 Tabel 3.2 Distribusi lebar chord
34
Tabel 3.3 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun
36
Tabel 3.4 Spesifikasi PMG Ginlong 500 watt
40
Tabel 3.5 Daftar komponen turbin angin
46
Tabel 4.1 Perlengkapan pengujian
50
Tabel 4.2 Hasil pengujian pada kondisi tidak terbebani
52
Tabel 4.3 Hasil pengujian dengan pembebanan 16,2 watt
53
Tabel 4.4 Hasil pengujian dengan pembebanan 20 watt
54
ix
