PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER 3,5 METER
TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh
Adi Andriyanto 13102131
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 Teknik Mesin
Adi Andriyanto
13102131
Fakultas Tenik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber daya energi fosil serta efek negatif yang ditimbulkan 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 dipilih dalam tugas sarjana ini adalah turbin angin sumbu horizontal tiga sudu berdiameter 3,5 meter upwind dengan pengarah ekor. 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 perancangan dan eksperimental. Perhitungan menggunakan program komputer dilakukan untuk memprediksi kondisi aliran pada penampang airfoil sudu dan memperkirakan sudut serang optimum untuk menghasilkan rasio lift/drag terbesar. Simulasi aliran juga digunakan untuk memprediksi kondisi aliran pada rotor, nilai torsi rotor, nilai pembebanan pada rotor akibat kondisi aliran tersebut, dan memprediksikan nilai sudut pitch optimum pada kondisi operasi tertentu dan bentuk geometri sudu tertentu. Pengujian kinerja turbin angin dilakukan untuk mendapatkan karakteristik daya turbin angin terhadap kecepatan angin dan memperoleh nilai cut in speed turbin angin.
Title
Major
Final Project Adi Andriyanto Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Mechanical Enginering 13102131 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung Abstract
The increasing of energy need, limitation of fossil energy resource, and environmental negative effects of using fossil energy resource cause to be necessary to use renewable energy resources. Wind energy is one of many kind renewable energy resources. Wind energy can be extracted by using of wind turbine. The type of wind turbine in this final project is 3.5 meters of diameter three blades horizontal axis upwind wind turbine with tail. The design process tends to manufacturability aspect and wind turbine performance to extract wind power. The research method is combination of experimental and design. Computer program calculation is used to predict flow condition through airfoil cross section and to predict optimum angle of attack that provides the highest lift to drag ratio. Flow simulation is also used to predict flow condition through the wind turbine rotor, value of rotor torque, loading condition of rotor, and to predict maximum pitch angle at determined operation condition. Wind turbine performance testing is performed to get the power versus wind speed characteristic curve of wind turbine and to get cut in speed value.
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji dan syukur hanya bagi Allah SWT atas karunia-Nya yang tidak terbatas. yang telah memberikan kemudahan dalam proses pengerjaan laporan tugas sarjana ini. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Nabi Muhammad saw, keluarganya, para sahabatnya, dan para pengikutnya hingga akhir zaman. Terima kasih kepada ayah dan bunda atas kasih sayang, sokongan, dan perhatiannya yang tulus dan tidak pernah putus sejak penyusun berada dalam kandungan hingga laporan tugas sarjana ini selesai dibuat, juga doa yang dipanjatkan setiap saat. Tidak lupa terima kasih juga untuk adik-adik yang memotifasi dan mendoakan. Tugas sarjana ini dapat dilaksanakan berkat dukungan dan keterlibatan banyak pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Kemas Rifian yang telah membimbing dengan sangat baik dan memberikan fasilitas pengerjaan tugas sarjana. 2. Bapak I Made Astina selaku kordinator tugas sarjana Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung. 3. Bapak Suryana yang telah membantu kebutuhan administrasi tugas sarjana. 4. Rekan-rekan lab gambar yang membantu pembuatan turbin angin diantaranya Sucipto, Bambang Ismail, Adi Rahadian, Rukmin, Alex, dan rekan lainnya. 5. Staf Departemen Teknik Mesin yang menemani pengerjaan tugas sarjana diantaranya bapak Ridwan, bapak Dede, bapak Usep, bapak Jupri, bapak Ade, bapak Ian, bapak Edi dan staf lainnya. 6. Martha Noviantini atas doa dan dukungannya. Penulis menyadari adanya kesalahan dalam penulisan laporan kerja praktek ini, oleh karenanyapenulis mohon maaf atas ketidaksempurnaan yang mungkin terkandung dalam laporan. Penulis juga mohon saran dan kritik agar kekurangan yang ada bisa diperbaiki. Akhirnya penulis mengharap agar laporan kerja praktek ini dapat memberikan manfaat kepada banyak pihak.
`
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR
i
DAFTAR ISI
ii
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
5
Bab II Tinjauan Pustaka
7
2.1 Energi Angin
7
2.1.1 Asal Energi Angin
7
2.1.2 Pengukuran Angin
7
2.1.3 Pengaruh ketinggian instalasi terhadap kecepatan angin
8
2.1.4 Dimana Sebaiknya Menempatkan Turbin Angin
9
2.2 Jenis-Jenis Turbin Angin
11
2.2.1 Turbin Angin Sumbu vertikal
12
2.2.2 Turbin Angin Aksial
13
2.3 Prinsip Konversi Energi Angin
15
2.3.1 Teori Momentum Elementer Betz
15
2.3.2 Koefisien Daya
18
2.3.3 Gaya Aerodinamik Pada Rotor
20
2.4 Merancang Rotor
21
2.4.1 Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu
21
2.4.2 Tip speed ratio
22
`
ii
2.4.3 Profil Airfoil
23
2.4.4 Geometri Sudu
24
2.4.5 Fenomena Stall
26
2.5 Analisis Aliran Dengan Fluent
27
2.5.1 Pembuatan Grid dengan Gambit
28
2.5.2 Analisis aliran dengan fluent
28
2.6 Sistem Transmisi Daya
29
2.6.1 Pemilihan Sistem Transmisi Daya
29
2.7 Perancangan Konstruksi Turbin Angin
30
2.7.1 Sudu
31
2.7.2 Batang sudu
31
2.7.3 Hub
31
2.7.4 Generator
32
2.7.5 Rangka/base
33
2.7.6 Ekor
33
2.7.7 Menara
33
2.7.8 Yaw mechanism
34
2.7.9 Hidung
34
2.8 Sistem Kelistrikan
35
2.8.1 Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan
35
2.8.2 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai
36
2.8.3 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan Tanpa Baterai
36
2.8.4 Sistem Kelistrikan Tanpa Baterai
37
Bab III Perancangan Turbin Angin 3 Sudu
38
3.1 Metode Penelitian
38
3.1.1 Tahapan Penelitian
38
3.2 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin
39
3.2.1 Menentukan Kecepatan Angin Nominal
39
3.2.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor
40
3.3 Perancangan Rotor
41
3.3.1 Diameter Rotor
41
3.3.2 Tip speed ratio
42
`
iii
3.3.3 Pemilihan Bahan untuk Komponen-Komponen Rotor
42
3.3.4 Batasan Profil Airfoil Berdasarkan Keterbuatan
42
3.3.5 Simulasi Profil Airfoil
43
3.3.6 Pemilihan Bentuk Sudu
44
3.3.7 Perancangan Geometri Sudu
44
3.4 Pemodelan Geometri dengan Program Gambit
45
3.5 Pemodelan Aliran dengan Fluent
46
3.5.1 Pemilihan Formulasi Simulasi Aliran
47
3.5.4 Nilai Sudut Pitch Optimum
47
3.5.5 Momen Torsi pada Sumbu Sudut Pitch
49
3.6 Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin
49
3.6.1 Rotor
50
3.6.2 Permanen Magnet Generator (PMG)
52
3.6.3 Base dan Yaw mechanism
54
3.6.4 Side Furling
55
3.6.5 Ekor
56
3.6.6 Sistem Pengereman
57
3.6.7 Tiang dan Mekanisme Pendirian
58
3.6.8 Nacelle
58
3.6.9 Data Komponen
59
3.6.10 Perakitan Turbin Angin
60
Bab IV Analisis dan Pengujian
61
4.1 Analisis Simulasi Aliran pada Profil Airfoil
61
4.1.1 Data Hasil Perhitungan Simulasi Aliran pada Profil Airfoil
61
4.1.2 Pemilihan sudut pitch
62
4.2 Analisis Simulasi Aliran pada Rotor
66
4.2.1 Data Perhitungan Simulasi Aliran
66
4.2.2 Pemilihan Sudut Pitch Sudu
67
4.2.3 Pengaruh Sudut Pitch terhadap Keluaran Daya
67
4.2.4 Analisis Kondisi Aliran pada Rotor
68
4.2.5 Kondisi Pembebanan Pada Rotor
68
4.3 Pengujian Kinerja Turbin Angin
69
`
iv
4.3.1 Perlengkapan Pengujian
70
4.3.2 Prosedur pengujian
72
4.3.3 Data Hasil Pengujian
73
4.3.4 Analisis Pengujian
77
Bab V Kesimpulan dan Saran
81
5.1 Kesimpulan
81
5.2 Saran
82
DAFTAR PUSTAKA
83
`
LAMPIRAN-LAMPIRAN
85
LAMPIRAN-A Model rotor turbin angin dalam Fluent
85
LAMPIRAN-B Foto-foto pengujian
86
LAMPIRAN-C Gambar teknik turbin angin
87
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 (m)
vw
Kecepatan angin (m/s)
n
Kecepatan putaran rotor (rpm)
ω
Kecepatan sudut (rad/s)
α
Sudut serang (°)
β
Sudut pitch
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 Flagging, vegetasi menentukan kelas kekuatan angin
8
Gambar 2.2 Pengaruh ketinggian terhadap daya
9
Gambar 2.3 Daerah gangguan turbulensi angin oleh bangunan
11
Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal
13
Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind
14
Gambar 2.6 kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas 17 Gambar 2.7 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara
19
Gambar 2.8 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara
21
Gambar 2.9 Nilai koefisien daya dan tip speed ratio berbagai turbin angin
23
Gambar 2.10 Fenomena stall
26
Gambar 2.11 Struktur dasar Fluent
27
Gambar 2.12 Sistem kelistrikan lepas jaringan
35
Gambar 2.13 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai
36
Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai
37
Gambar 2.15 Sistem kelistrikan tanpa baterai
37
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan dan pembuatan turbin angin
39
Gambar 3.2 Profil airfoil untuk penampang sudu
43
Gambar 3.3 Penampang badan sudu
46
Gambar 3.4 Turbo volume setelah melalui proses meshing
46
Gambar 4.1 Rasio lift/drag terhadap sudut serang
62
Gambar 4.2 Kontur tekanan statik pada sudut serang 5° dengan
64
Gambar 4.3 Kontur Energi kinetik turbulensi (m2/s2) pada sudut serang 5°
64
Gambar 4.4 Kontur Tekanan statik pada sudut serang 20°
65
Gambar 4.5 Kontur energi kinetik turbulensi (m2/s2) pada sudut serang 20°
65
Gambar 4.6 Diagram alir pengujian turbin angin
70
Gambar 4.7 Multimeter (AVOmeter) dan beban listrik berupa lampu
71
Gambar 4.8 Instalasi turbin angin
71
Gambar 4.9 Pemasangan alat pada pengujian kinerja turbin angin
73
`
vii
Gambar 4.10 Grafik tegangan output pada kondisi tanpa pembebanan
74
Gambar 4.11 Data pengukuran daya dengan beban 27 W dan 47 W
76
Gambar 4.12 Data pengukuran putaran
77
Gambar A Model rotor turbin angin dalam Fluent
85
Gambar B.1 Pemasangan instalasi turbin angin
86
Gambar B.2 Kegiatan pencatatan data pengujian
86
`
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Indeks deformasi Griggs-Putnam
8
Tabel 3.1 Daya rotor maksimum pada diameter 3,5 meter
40
Tabel 3.2 Spesifikasi turbin angin
41
Tabel 3.3 Variabel yang digunakan dalam simulasi profil airfoil
43
Tabel 3.4 Distribusi Panjang Chord
45
Tabel 3.5 Formulasi yang digunakan dalam simulasi aliran 3D rotor
47
Tabel 3.6 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun
48
Tabel 3.7 Spesifikasi PMG Ginlong
53
Tabel 3.8 Daftar komponen turbin angin
59
Tabel 4.1 Data hasil simulasi aliran pada profil airfoil
61
Tabel 4.2 Data hasil perhitungan simulasi aliran pada rotor
66
Tabel 4.3 Torsi, gaya aksial, dan keluaran daya rotor
68
Tabel 4.4 Perlengkapan pengujian
70
Tabel 4.5 Data pengukuran tegangan tanpa beban
74
Tabel 4.6 Data pengukuran pada pembebanan 27 W
75
Tabel 4.7 Data pengukuran pada pembebanan 47 W
75
Tabel 4.8 Data pengukuran putaran rotor terhadap kecepatan angin
76
Tabel 4.9 Sumber kesalahan pengujian
79
`
ix
