Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492
PERANCANGAN TURBIN VERTIKAL AXIS SAVONIUS DENGAN MENGGUNAKAN 8 BUAH SUDU LENGKUNG Farel H. Napitupulu , Surya Siregar Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jln.Almamater Kampus USU, Padang Bulan Medan
ABSTRAK Energi angin merupakan salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan sumber energi berbahan bakar fosil. Salah satu bentuk dari pemanfaatan energi angin adalah sebagai sumber energi untuk pembangkit tenaga listrik. Keunggulan dari turbin ini yaitu mampu mengekstrak angin dengan kecepatan angin yang kecil (min 2 m/s) dibandingkan dengan kecepatan angin yang ada di Eropa maupun di Amerika yang mencapai 20 m/s. Hasil perhitungan keseluruhan dari turbin angin vertikal Savonius ini hanya ingin memberitahu bahwa bagaimana merancang dan membangun turbin angin ini. Dalam perancangan ini akan dihasilkan turbin savonius yang akan menghasilkan tenaga listrik sebesar 132 Watt yang dapat digunakan pada skala kecil seperti lampu dirumah. Adapun dimensi dari rotor yang dirancang adalah dengan luas sapuan rotor 0,99 m2 dengan menggunakan sudu lengkung dan jenis transmisi yang digunakan adalah menggunakan roda gigi lurus. Sedangkan coefisien performance (Cp) yang dihasilkan adalah 0,5275, tip speed ratio (λ ) yang dihasilkan sebesar 0,372 dan efisiensi rotor turbin ( ) adalah 0,5911. Kata kunci : energi alternatif, turbin Savonius, coefisien performance, tip speed ratio, efisiensi rotor.
1. PENDAHULUAN Dewasa ini pemanfaatan energi sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, energi panas bumi dan energi nuklir. Semua energi tersebut telah memenuhi kriteria sehingga dalam pemanfaatannya dapat menghemat energi fosil yang ketersediaannya di alam semakin hari semakin menipis. Salah satunya adalah dengan pemanfaatan energi angin. Adapun pemanfaatan energi angin di Indonesia masih sangat kurang dikembangkan. Energi angin merupakan salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan sumber energi berbahan bakar fosil. Salah satu bentuk dari pemanfaatan energy angin adalah sebagai sumber energi untuk pembangkit tenaga listrik. Namun dewasa ini pemanfaatan energi angin terkhususnya di Indonesia belum maksimal hal ini dikarenakan mahalnya pembuatan turbin angin. Sebagian besar energi yang
digunakan di Indonesia berasal dari energy fosil yang berbentuk minyak bumi dan gas bumi. Ketergantungan terhadapbahan bakar fosil setidaknya memiliki tiga ancaman serius, yakni: 1.Menipisnya cadangan minyak bumi. 2.Kenaikan / ketidakstabilan harga akibat laju permintaan yanglebih besar dari produksi minyak. 3. Polusi gas rumah kaca (terutama CO2) akibat pembakaran bahanbakar fosil. Kadar CO2 saat ini disebut sebagai yang tertinggi selama 125 tahun belakangan, efek buruk CO2 terhadap pemanasan global telah disepakatihampir oleh semua kalangan. Hal ini menimbulkan ancaman serius bagi kehidupan makhluk hidup di muka bumi. Oleh karena itu, pengembangan dan implementasi bahan bakar terbarukan yang ramah lingkungan perlu mendapatkan perhatian serius dari berbagai negara. Pemanfaatan energi angin sebenarnya bukan barang baru bagi umatmanusia. Semenjak 2000 tahun lalu teknologi pemanfaatan sumber dayaangin dan air sudah dikenal manusia
24
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 dalam bentuk kincir angin (windmills). Selain ramah lingkungan, sumber energi ini juga selalu tersediasetiap waktu dan memiliki masa depan bisnis yang menguntungkan. Kinisebagian besar negara maju di Eropa dan Amerika Serikat telahmemanfaatkan sumber energi ini. Pada masa awal perkembangannya,teknologi energi angin lebih banyak dimanfaatkan sebagai sulih tenagamanusia dalam bidang pertanian dan manufaktur, maka kini denganteknologi dan bahan yang baru, manusia membuat turbin angin untuk membangkitkan energi listrik yang bersih, baik untuk penerangan, sumberpanas atau tenaga pembangkit untuk alat-alat rumah tangga. Menurut datadari American Wind Energy Association (AWEA), hingga saat ini telahada sekitar 20.000 turbin angin diseluruh dunia yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Kebanyakan turbin semacam itu dioperasikan dilahan khusus yang disebut “ladang angin” (wind farm). Di negara-negara Eropa, pemanfaatan sumber energi yang dapatdiperbaharui diperkirakan bakal mencapai 8% dari permintaan energi ditahun 2005. Energi angin menjadi salah satu alternatif yang banyak dipilihdan sekaligus berfungsi mengurangi emisi yang gas karbondioksida (CO2) dihasilkan oleh perangkat sumber energi sebelumnya. Tujuh tahun belakangan ini, kapasitas energi angin terpasang di Eropa melonjak hingga40% per tahun dan saat ini kapasitas tersebut dapat memenuhi kebutuhan listrik lebih dari 5 juta kepala keluarga. Industri energi tenaga angin diperkirakan bakal memiliki kapasitas 40.000 MW (mega Watt) yang dapat mencukupi kebutuhan listrik untuk 50 juta kepala keluarga pada tahun 2010. Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramahlingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat
ISSN 0216-7492 bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincir-kincir angin di negeri Belanda. (Nanang Okta : 2006) 2. LANDASAN TEORI 3. Proses Terjadinya Angin Energi angin benar-benar merupakan bentuk tidak langsung dari energy matahari, karena angin dipengaruhi oleh pemanasan yang tak merata pada kerak bumi oleh matahari. Angin secara garis besar dapat diklasifikasikan sebagai angin planetary dan local. Angin planetary disebabkan oleh pemanasan yang lebih besar pada permukaan bumi dekat ekuator daripada kutub utara dan selatan. Hal ini menyebabkan udara hangat di daerah tropis naik dan mengalir melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir kembali ke ekuator di dekat permukaan bumi.
Gambar 2.1 Angin planetary dalam atmosfer bumi Arah angin dipengaruhi oleh rotasi bumi. Udara hangat menuju kutub di atas atnosfer diasumsikan kea rah timur (di kedua hemisfer), yang menyebabkan timbulnya prevailing westerlies. Pada saat yang sama, inersia udara dingin bergerak ke ekuatordekat permukaan bumi menyebabkannya bergerak kea rah barat menghasilkan northeast trade winds
25
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 di hemisfer utara dan southeast trade winds di hemisfer selatan. Angin local disebabkan dua mekanisme. Yang pertama adalah perbedaan panas antara daratan dan air, dan yang kedua karena hill and mountain sides. 2.2.
ISSN 0216-7492 dihadapkan ke arah angin dengan bantuan ekor. Mills dijaga saat menghadang angin kencang dengan memindahkan canvas pelindung rotor.
Sejarah Energi Angin
Manusia sudah lama memimpikan untuk mengkonversikan energi angin ke energi mekanis, bahkan akhir-akhir ini ke energi listrik. Dahulu energy kinetic angin digunakan untuk menggerakkan kapal, yaitu dengan layar. Kincir angin (wind mill ), yang lebih baru, telah digunakan beberapa ribu tahun lalu. Referensi terbaru tentang wind mill terdapat dalam tulisan Arab dari abad IX sesudah masehi yang menjelaskan kincir angin yang dioperasikan di perbatasan Persia dan Afganistan sudah digunakan sejak beberapa abad sebelumnya. Dilain pihak energy angin dimanfaatkan manusia sebagai sumber tenaga untuk menggiling butir gandum (padi) dan memompa air. Selama perubahan dayaguna dari peralatan berat dan sederhana ini hingga mesin canggih dan berdayaguna sekarang, teknologi menjalani variasi tahap perkembangan. Yang terakhir mendokumenstasikan desain windmill sejak dari 200 sebelum masehi. Penduduk Persia menggunakan windmill untuk menggiling butir gandum (padi) selama periode ini. Saat itu mesin sumbu vertikal memiliki layar/sudu dengan buntelan dari sejenis bulu atau kayu. Penggiling batu disambungkan ke poros vertikal. Layar/sudu dilekatkan ke poros pusat menggunakan penopang horizontal. Ukuran layar menggunakanmaterial yang difabrikasi, biasanya panjang 5 m dan tinggi 9 m. Pada abad ke-13, grinding mills biji gandum (padi) telah dikenal disebagian besar wilayah Eropa. Francis mengangkat teknologi ini pada 1105 A.D dan Inggris pada 1191 A.D. Sangat berbeda dengan desain sumbu vertikal Persia, mills (penggiling) Eropa memiliki sumbu horizontal. Post mills ini dibangun dengan struktur baik. Menara berbentuk bulat atau plygonal dan dibangun dari kayu atau batu. Rotor secara manual
Gambar 2.2 windmills kuno Desainer Belanda, Jan Adrienzoon, perintis dalam pembuatan mills ini. Mereka membuat banyak perbaikan desain dan menemukan beberapa bentuk mills. Contohnya adalah Tjasker dan Smock mills. Rotor dibuat dari profil airfoil sederhana untuk memperbaiki efisiensi. Windmills ini mencapai Amerika pada pertengahan tahun 1700 melalui penghuni tetap Belanda. Kemudian disusul perkembangan wind mill pemompa air, yang diputuskan sebagai salah satu penerapan energi angin yang paling sukses. Sehingga disebut turbin angin Amerika bersudu banyak yang muncul pada sejarah turbin angin pada pertengahan 1800.
Gambar 2.3 Thatched Dutch Windmill
26
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 Rotor relatif kecil, Diameter berkisar satu hingga beberapa meter, yang digunakan pada aplikasi ini. Tujuan utama yaitu memompa air dari beberapa meter di bawah permukaan lahan pertanian. Pemompa air ini, dengan sudu yang terbuat dari bahan logam dan desain teknik yang lebih baik sehingga meningkatkan produktifitas pertanian. Era pembangkit energi listrik diawali pada akhir tahun 1900-an. Turbin angin modern pertama kali, khusus didesain untuk pembangkit energi listrik, yang dibangun di Denmark tahun 1890. Turbin menyuplai energi listrik ke daerah pedesaan. Selama pada peride yang sama, turbin angin yang besar pembangkit energi listrik memiliki rotor 17 m yang dibangun di Cleveland, Ohio. gearbox Pada pertama kalinya, menaikkan putaran digunakan pada desain tersebut. Sistem ini beroperasi selama 20 tahun, menghasilkan energi listrik dengan daya 12 kW. 2.3. Prinsip Energi Angin Dari sejumlah energi matahari yang terserap oleh bumi, 20% atau 2.106 Watt diserap oleh atmosfer. Penyerapan enegi panas ini dapat memanaskan atmosfer. Penyerapan energi panas ini dapat memanaskan atmosfer bumi yang merupakan suatu penyimpanan energi termal, sebagai gerak konveksi dari atmosfer yang merupakan suatu konversi ke energi kinetik meskipun jumlahnya tidaklah begitu besar. Hubbert melakukan perkiraan bahwa konveksi arus yang di timbulkan oleh lautan dan atmosfer bergabung membentuk suatu energi yang besarnya 3,7.1014 Watt. Menurut Willet, yang juga dikutip oleh Putman, energi angin dapat memberikan daya sebesar 2.1013 Watt . Bila 1% dari perkiraan daya menurut Willet dimanfaatkan, suatu daya sebesar 2.1011 Watt akan diperoleh, yang merupakan 3% dari kebutuhan energi dunia tahun 1972. Tenaga total 2.3.1. Tenaga total angin adalah sama dengan laju energy kinetik aliran yang datang, KEi.[10]
Ptot = mKEi= m .
(2.1)
ISSN 0216-7492 Dimana : Ptot = tenaga total, Watt atau ft-lbf M = laju aliran massa, kg/s atau lbm/jam Vi = kecepatan aliran, m/det atau ft/jam Gc = faktor konversi = 1,9 kg (N.s2) atau 4,17.108 lbm-ft/lbf-jam Laju aliran massa diberikan oleh persamaan kontinuitas : M = ρ A Vi Dimana ρ = massa jenis angin, kg/m3 atau lbm/ft3 A = luas penampang melintang aliran, m2 atau ft2 Sehingga[11] :
Ptot =
(2.2)
2.4 Dasar Teori Turbin Angin Turbin angin merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik maupun energi listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. 2.5 Jenis – Jenis Turbin Angin 2.5.1. Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya paralel terhadap permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara dan diarahkan menuju dari arah datangnya angin untuk dapat memanfaatkan energi angin. Rotor turbin angin kecil diarahkan menuju dari arah datangnya angin dengan pengaturan baling – baling angin sederhana sedangkan turbin angin besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah rotor turbin
27
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492
mengarah pada angin. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin sumbu horizontal mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift, seperti terlihat pada gambar
Gambar 2.8 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara[21] Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi: 1. Turbin angin satu sudu (single blade) 2. Turbin angin dua sudu (double blade) 3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)
Gambar 2.13 Turbin angin Darrieus [27] 2. Turbin angin Savonius Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’.
Gambar 2.9 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu [23] 2.5.2. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya tegak lurus terhadap permukaan tanah. Jika dilihat dari efisiensi turbin, turbin angin sumbu horizontal lebih efektif dalam mengekstrak energi angin dibanding dengan turbin angin sumbu vertikal. Jika dilihat dari prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dibagi menjadi dua bagian yaitu: 1. Turbin angin Darrieus
Gambar 2.15 Turbin angin Savonius 3.
PERANCANGAN ROTOR TURBIN SAVONIUS 3.1 Parameter yang Digunakan Dalam Perancangan Untuk merancang rotor turbin angin yang diperlukan untuk pengujian, datadata yang diketahui, dipilih, dan diharapkan adalah 1. Data-data yang diketahui a. Kecepatan angin (v) = 7,6 m/s b. Suhu udara sekitar (T) = 300C c. Daya rencana (P) = 132 Watt
28
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 d. Faktor konversi (gc) = 1,9 kg/(N.s2) 2. Data-data yang dipilih a. Tebal sudu = 3 mm b. Jenis sudu = lengkung 4. Perhitungan Luas Rotor Rotor merupakan elemen utama turbin angin karena pada rotor inilah sudu turbin diasembly. Adapun tenaga total aliran angin yang mengalir adalah sama dengan laju energy kinetic aliran yang datang yang dirumuskan dengan :
NNNNNNNN. (3.1)
Dimana: = massa jenis angin = 1,1514 (kg/m3) A = luas rotor turbin (m2) Vi = kecepatan aliran angin = 7,6(m/s) gc = factor konversi = 1,9 kg/(N.s2) Ptot = tenaga Total = 132 Watt
dalam perhitungan ini diasumsikan suhu udara saat pengujian adalah sebesar 30oC. Tabel 3.1 Interpolasi Antara Suhu dan Massa Jenis Udara T (K) ρ (kg/m3) 300
1,1774
303
1,1514
350
0,9980
! ""#$% Jadi luas rotor turbin adalah 0,99 m2
Gambar 3.1 Rotor Savonius
ISSN 0216-7492 3.3.1. Perhitungan Tenaga Maksimum Turbin &'( ) N..............................(3.2)
*
)
&'( *( + 0,99x = 78,03 Watt
3.4.
Perhitungan Efisiensi Teoritis Ideal Rotor , ### -./NNNNNNNN(3.3) ,010 23 3 Dengan kata lain turbin angin dapat mengkonversikan tidak lebih dari 60% dari tenaga total angin menjadi tenaga berguna. 3.5.
Perhitungan Dimensi Sudu Dalam merancang sudu pada turbin savonius ini terdiri atas 2 bagian yaitu diameter rotor dan panjang rotor (D&t). untuk itu dalam perancangan ini dipilih perbandingan diameter rotor dan panjang rotor (D/t) sebesar 0,8. Luas rotor adalah 0,99 m2 4 32## Lrotor = D x t D = 0,8 t 0,99 = 0,8t x t 0,99 = 0,8t2 t = 1,1 m = 1100 mm Maka panjang sudu turbin adalah 1100 mm Dan diameter turbin adalah D = 0,8 x 1,1 = 0,88 m 5 0,9 m Karena jenis bentuk sudu yang akan direncanakan adalah lengkung, maka digunakan rumus mencari luas panjang busur pada lingkaran (busur AB).
Mencari nilai R pada lingkaran dengan phytagoras, menggunakan rumus sehingga :
29
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492
R2 = 62 + 7 89 , 4R2 = 4 x 242,52 + R2 3R2 = 235.225, R = 280 mm Mencari panjang Busur AB:
:
: L = ;: <8, L = ;: 23 L = 586,13 mm
Gambar 3.2 Penampang sudu Savonius
Gambar 3.3 Rotor Savonius tampak atas
Coefisien 3.5.1. Perhitungan Performance (CP) Turbin Koefisien daya merupakan perbandingan daya angin yang mampu diekstrak sudu turbin yang diukur dari besarnya energy listrik yang dihasilkan generator dengan daya angin teoritis. Koefisien daya (Cp) dikenal juga sebagai keefektifan rotor turbin dalam memanfaatkan energy kinetic angin. Sehingga dapat dirimuskan sebagai berikut [28]: , => ? A NNNNNNNNN..N(3.4)
@ B
Dimana : Cp = koefisien daya P = daya rencana = 132 Watt ρ = massa jenis udara ( pada suhu T = 300C) = 1,1514 kg/m3 V = kecepatan angin = 7,6 m/s A = luas rotor turbin = 0,99 m2 Sehingga :
=> ? A
C D(7*;9 :++
EF ! G%HG
3.5.2. Perhitungan Tip Speed Ratio (λ) Tip Speed Ratio (TSR) merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin dengan kecepatan angin yang melalui sudu rotor tersebut. Untuk turbin Savonius memiliki nilai koefisien daya maksimum pada nilai tip speed ratio berada dibawah 1. Adapun TSR dapat dirumuskan sebagai berikut [29] : JK I L NNNNNNN(3.5) Dimana : λ = tip speed ratio M = kecepatan sudut = 2π rad/sec r = jari-jari rotor turbin = 0,45 m v = kecepatan angin = 7,6 m/s sehingga :
NO:DC I *; , I = 0,372 3.5.3. Perhitungan Putaran yang Dihasilkan Turbin Besarnya RPM rotor secara langsung dipengaruhi oleh kecepatan angin rancangan dan diameter. Untuk kecepatan tangensial ujung rotor yang sama, maka pengecilan diameter akan secara langsung mengakibatkan kenaikan RPM. Dengan demikian kenaikan kecepatan angin rancangan akan bersesuaian dengan kenaikan RPM rancangan [30]. QR 8P 3 S4NNNNN (3.6) Dimana : RPM = banyak putaran yang dihasilkan (rpm) I = tip speed ratio = 0,372 v = kecepatan angin = 7,6 m/s D = diameter turbin :* ##O#*; Sehingga : 8P 3 S(:DC 8P 3#TUV
3.5.4. Perhitungan Torsi pada Turbin (T) Perkalian antara kecepatan putar dengan torsi menghasilkan daya. Untuk kecepatan putar yang sama, semakin besar torsi yang diberikan sudu, maka akan semakin besar daya yang diserap, demikian juga sebaliknya. Sehingga torsi dapat dirumuskan sebagai berikut[31] : :,
W SX,YNNNNN.NN(3.7) Dimana : T = torsi (Newton)
30
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 P = daya rencana = 132 Watt RPM = putaran turbin = 120 rpm Sehingga : :(
W S( : , W = 1,050 Newton 3.6.
Perhitungan Dimensi Poros Poros yang digunakan pada turbin ini akan mengalami beban puntir dan beban lentur, namun yang paling besar adalah momen puntir akibat putaran,untuk itu maka digunakan poros transmisi. Perhitungan kekuatan poros didasarkan pada momen punter khususnya untuk poros kopling. Maka daya yang direncanakan adalah [32] : Pd = fc. PNNNNNNN(3.4) Dimana : Pd = daya perencanaan fc = factor koreksi P = daya masukan = 132 Watt Tabel 3.2 Jenis-jenis berdasarkan daya ditransmisikan Daya Yang Akan Ditransmisikan Daya rata-rata yang diperlukan Daya maximum yang diperlukan Daya normal
faktor yang
koreksi akan
Fc 1,2 – 2,0 0,8 – 1,2 1,0 – 1,
Sehingga : Pd = 132 x 1,2 = 158,4 Watt Bahan untuk poros turbin dipilih dari bahan S-45C karena tahan terhadap keausan dan banyak dijual dipasaran. Kekuatan tariknya Z 2[\/VV . Untuk bahan S-C factor keamanan Sf1 = 6,0 dan Sf2 = 1,3 – 3,0. Maka tegangan geser ijin untuk bahan poros dapat dihitung dengan persamaan [33] ^_ NNNNNN. (3.5) Z' `a?(`a
Dimana : Z' = tegangan geser ijin bahan (kg/mm2) Z = kekuatan tarik bahan (kg/mm2) Sf1 = factor keamanan untuk batas kelelahan punter yang harganya 6,0 untuk bahan S- C Sf2 = factor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan seperti adanya alur pasak pada poros, harganya 1,3-3,0
ISSN 0216-7492 dalam perencanaan diambil harganya 1,8. C) Sehingga :Z' ;( C
Z' 2 #[\/VV
Dari perhitungan diatas diperoleh momen punter poros yang dihitung dengan persamaan [34] : , PU 3C bNNN.(3.6) ?
Dimana : Mp = momen punter (kg.mm) Pd = daya rencana turbin air terapung (kW) n = putaran rencana turbin (rpm) sehingga :
C)D( :cA
PU 3C
: PU #1285,68 kg.mm Perhitungan diameter poros dapat dilihat seperti rumus dibawah ini [35] : C d> e f . = . Wh1/3 ^.
Dimana : dp = diameter poros (mm) τa = tegangan geser yang diijinkan = 3,866 kg/mm2 Kt = factor koreksi terhadap momen punter yang besarnya : 1,0 jika beban dikenakan halus. 1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan. 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan. Cb = factor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur yang harganya 1,2-2,3. Sehingga : C d> [);; 2 2] / d> #18,27 ≈ 20 mm Dalam perancangan poros ini ditentukan panjang poros adalah 1500 mm, dengan asumsi mempertimbangkan panjang sudu dan safety factor dalam perancangan.
1.7 Pemilihan Bantalan Dalam pemilihan bantalan untuk poros turbin, digunakan bantalan bola radial. Sebanyak 4 buah. Panjang poros yang dirancang adalah 1500 mm. 1. Analis Gaya Analisa gaya yang terjadi pada poros dan kedua bantalan pendukung adalah sebagai berikut :
31
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492 RA + RB – Wp = 0, RA = Wp - RB = 3,68 – 0,030, = 3,65 kg Dari kedua gaya reaksi RA dan RB diambil harga terbesar sebagai resultan gaya radial Fr untuk keamanan konstruksi. Fr = RA = 3,65 kg Sedangkan resultan gaya aksial adalah : FA = Wp = 3,68 kg
Gambar 3.4 Analisa gaya pada bantalan pendukung poros Diagram benda bebas
Keterangan : WP = berat poros FA = gaya aksial FtB = gaya tangensial pada bantalan B FtA = gaya tangensial pada bantalan A RA = gaya reaksi pada bantalan A RB = gaya reaksi pada bantalan B Menentukan berat poros adalah : Wp = ρp . Vp Di mana : ρp = massa jenis bahan poros, untuk baja S45C adalah 7,83 × 10-6 kg/mm3 Vp = volume poros Vp =
π 4
2
.d p .L p
Untuk : dp = diameter poros = 20 mm Lp = panjang poros = 1500 mm. Vp =
π 4
(20 2 × 1500) = 471000 mm3.
Maka berat poros: Wp = 7,83 × 10-6 . 471000 = 3,68 kg. Dari kesetimbangan statik, diperoleh : ∈MA = 0, RB (1200) – 3,68(10) = 0 ;) 8k :: 333#[\, ∈Fy = 0
2. Penentuan Beban Ekivalen Statik dan Dinamik Beban ekivalen statik diperoleh dari : P0 = X0 . F1 + Y0 . Fa Atau, P0 = F1 Di mana : P0 = beban eqivalen statik (kg) X0 = faktor radial = 0,6 karena ada gaya radial yang bekerja Y0 = faktor aksial = 0,5 untuk bantalan radial gaya aksial, untuk bantalan Fa = pendukung poros ini adalah = 3,68 kg Maka : P0 = (0,6 × 3,65) – (0,5 × 3,68) = 0,35 kg. Untuk beban ekivalen dinamik diperoleh : P = x . v . Fr + y Fa Di mana : P = beban ekivalen dinamik (kg) x = faktor radial, untuk roda radial beralur dalam baris tunggal adalah 0,6. v = viskositas = 1 Sehingga : P =(0,6×1×3,65) + (0,5 × 3,68)= 4,03 kg. 3. Penentuan Basic Statik Load Rating dan Dinamik Load Rating Besar statik load rating adalah sebanding dengan beban ekivalen statik, sehingga : C0 = P0= 0,35 kg Sedangkan untuk basik dinamik load rating dapat diperoleh dari : C = P × L1/3 Di mana : C = basic dinamik load rating (kg) P = beban ekivalen dinamik yaitu 4,03 kg L = umur bantalan yang direncanakan dalam 4 tahun 35.040 jam Maka : C = (4,03 × 35.040)1/3 = 52,07 kg 4. Pemilihan Bantalan Dari perhitungan di atas dan dari data-data pada bab-bab sebelumnya,
32
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 maka bantalan yang direncanakan harus memenuhi syarat-syarat berikut: Diameter lubang (d) : 30 mm Basic statik load rating : 0,35 kg Basic dinamik load rating : 52,07 kg Kecepatan putaran maximum (n) : ≥ 6000 rpm Oleh karena itu dipilih nomor bantalan 6206 dengan ukuran luar d = 30 mm, D = 62, B = 16 dan r = 1,5 .
ISSN 0216-7492 Diameter luar sudu pengarah : 1,98/1,2 = 1,65 m atau 1650 mm, Dengan jumlah sudu pengarah ada 4 buah berbentuk lengkung. Bahan yang digunakan adalah Alumunium.
Tabel 3.3 Nomor bantalan
Gambar 3.5 Sudu pengarah 3.9 Perancangan Rangka dan Kaki Turbin Turbin angin ditopang dengan kaki dan rangka dimana bagian ini merupakan hal yang sangat penting dimana dalam meletakkan semua bagian-bagian utama turbin.
1.8 Perancangan Sudu Pengarah Dalam merancang sudu pengarah ini, didasarkan pada ukuran dari dimensi rotor turbin. Adapun fungsinya yaitu untuk mengarahkan aliran angin ke sudu rotor turbin agar angin dapat diektrak efektif oleh rotor turbin. Adapun luas dari sudu pengarah yang direncanakan adalah: Lsudu pengarah = 2 x Lrotor turbin = 2 x 0,99 = 1,98 m2 Adapun panjang dan diameter dari sudu pengarah ditentukan berdasarkan dari panjang rotor dan diameter turbin sehingga dapat ditentukan sebagai berikut : Panjang turbin = 1100 mm Panjang sudu pengarah = 1200 mm Diameter turbin = 900 mm Diameter dalam sudu pengarah = 1050 mm
1. Perancangan rangka Adapun dalam perancangan rangka turbin ini, ukuran-ukurannya didasarkan pada ukuran diameter rotor, panjang rotor dan diameter dalam dari sudu pengarah. Selain itu juga dengan clearance mempertimbangkan (kelonggaran) antara sudu pengarah dan rotor sebesar 2 cm.
Gambar 3.6 Penampang rotor Adapun panjang rangka bagian atas adalah Lrangka = Dsudu pengarah – 2(20) = 1050 – 40 = 1010 mm
33
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 Sedangkan panjang rangka bagian samping adalah1200 mm ini didasarkan pada panjang rotor turbin yaitu sebesar 1100 mm.
ISSN 0216-7492 Adapun massa turbin adalah 25 kg dan daya angin adalah 253.165 Watt. Maka gaya yang terjadi adalah: Wb = 25 x 9,81 = 245,25 N FA = 253.165 / 7,61 = 33.267 N Dapat disimpulkan bahwa gaya berat turbin (242,25 N) jauh lebih besar dari pada gaya dorong angin (33.267 N), sehingga turbin ini aman. 4. Perancangan Sistem Transmisi 4.1 Menentukan Parameter Awal Perancangan Transmisi Roda Gigi
Gambar 3.7 Rangka turbin 2. Perancangan kaki Dalam merancang kaki turbin ini ditentukan bentuk kaki adalah berbentuk persegi 8 dengan menggunakan bahan besi siku ukuran 4x4. Adapun tinggi kaki ditentukan berdasarkan ukuran panjang dari poros, poros perantara, dan spasi antara bagian-bagian yang lainnya.
Gambar 3.8 Kaki turbin 3. Analisa gaya yang terjadi Adapun gaya-gaya yang terjadi pada saat turbin beroperasi adalah gaya berat pada turbin angin dan gaya dorong angin.
Pada sistem transmisi ini direncanakan dengan menaikan putaran sebanyak 2 kali, poros perantara yang digunakan sebanyak satu, dan menggunakan 4 buah roda gigi dengan ukuran yang berbeda dengan total kenaikan putaran 1:8. Data-data yang diketahui : 1. Diameter pinion (d1) = 100 mm 2. Diameter perantara = 34 mm (d2) = 90 mm (d3) 3. Diameter yang digerakan= 30 mm 4. Modul =4 Dengan demikian perbandingaan putaran yang terjadi antara keempat roda gigi adalah : l l (# l? sehingga m ?#l ? ? 33##3 #TUV m Karena roda gigi 2 dan 3 seporos maka n2 = n3 = 352,94 rpm n l l ( lA sehingga mD Al A A n n 3## mD 3 2#TUV 3 Jadi putaran yang terjadi pada alternator adalah sebesar 1058 rpm dan pada turbin adalah 120 rpm.
FA 4.3
WB Gambar 3.9 Gaya yang terjadi pada turbin
Perhitungan Gigi Dari MasingMasing Roda Gigi Untuk menghitung jumlah gigi dapat dirumuskan dengan [36]: l o &NNNNNNNNN (4.1) Dimana : z = jumlah gigi d = diameter lingkaran jarak bagi (mm) m = modul
34
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492
Sehingga:
:: D o D , o D 2 # 5
o
+: D
# 5 , oD
: D
# 5 2
4.4 Perhitungan Jarak Sumbu Poros Untuk menghitung jarak antara sumbu poros dan jarak poros perantara dengan generator dapat dirumuskan sebagai berikut [37] : r sr pq ? VNNNNNNNNN(4.2) Dimana : pq = jarak antara sumbu poros (mm) t = jumlah gigi pinion = 25 t = jumlah gigi perantara = 9 m = modul = 4 Sehingga :
Cs+ pq , pq 2#uu
Untuk jarak antar poros perantara dengan generator yaitu [38] : r sr p A n VNNNNNN(4.3)
Dimana : p = jarak antara sumbu poros (mm) t = jumlah gigi perantara = 23 tD = jumlah gigi pada generator = 8 m = modul Sehingga :
s) p , p mm 4.5
Perhitungan Diameter Lingkaran Kepala Untuk mencari diameter lingkaran kepala pada roda gigi dapat dirumuskan sebagai berikut [39] : dk1 = (z1 + 2) m NNNNNNN(4.4) Dimana : dk1 = diameter lingkaran kepala (mm) z1 = jumlah gigi = 25 m = modul Sehingga : dk1 = 108 mm dk1 = (25 + 2) x 4, dk2 = (z2 + 2) m, dk2 = (9 + 2) x 4 dk2= 44 mm dk3 = (z3 + 2) m, dk3 = (23 + 2) x 4 dk3 = 100 mm dk4 = (z4 + 2) m, dk4 = (8 + 2) x 4 dk4 = 40 mm
Gambar 4.1 Susunan roda gigi yang dirancang 4.6
Perhitungan Tinggi Gigi (Kedalaman Pemotongan) Untuk menghitung tinggi gigi pada roda gigi dapat dirumuskan sebagai berikut [40] : H = 2m + Ck................(4.5) Dimana : H = tinggi gigi (mm) M = modul = 4 Ck = kelonggaran puncak = 0,25 x m, sehingga = 1 Sehingga : H = 2x4 + 1, = 9 mm 4.7
Perhitungan Poros Perantara Adapun pemilihan poros perantara yang digunakan yaitu sama dengan poros turbin baik ukuran diemeternya dan bahannya, tetapi panjangnya yang berbeda hal ini diasumsikan bahwa beban yang ditimbulkan sama dalam proses pensimulasian. Sehingga : Diameter = 20 mm Bahan = S-45 C dengan perlakuan dingin Untuk mencari panjang (l) maka dirumuskan dengan [41] : w.x.ln
v C)D.y NNNNNNN(4.6) Dimana : l = panjang poros z = defleksi puntiran = 0,25 0 G = modulus geser = 8,3 x103 (kg/mm2) d = diameter poros = 20 mm T = momen punter = 1285,68 kg.mm Sehingga : v
: C#(#)( :A ( :n , C)D#(# )C;)
v #442 mm
35
Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013
ISSN 0216-7492
5. KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA 5.1.1 Hasil Perancangan Rotor Turbin 1. Luas (A) : 0,99 m2 2. Diameter turbin (D) : 900 mm 3. Panjang sudu (t) : 1100 mm 4. Lebar sudu (l) : 586,13 mm 5. Coefisien Performance (Cp): 0,5275 6. Tip Speed Ratio (λ) : 0,372 7. Putaran yang dihasilkan : 120 rpm 8. Bahan Sudu : Alumunium 9. Jenis Sudu : Lengkung 10. Diameter Poros (d> ): 20 mm 11. Panjang poros (l) : 1500 mm 12. Bahan poros : S-45C 13. Nomor bantalan : 6206 14. Jenis bantalan :bantalan bola 15. Panjang sudu pengarah : 1200 mm 16. Diameter dalam sudu pengarah: 1050 mm 17. Diameter luar sudu pengarah: 1650 mm
18. Bahan sudu pengarah: Alumunium 5.1.2 Hasil Perancangan Transmisi 1. Sistem transmisi yang dipakai: Roda gigi 2. Diameter pinion (d1): 100 mm 3. Diameter perantara : 34 mm (d2) (d3) : 90 mm 4. Diameter yang digerakan : 30 mm 5. Modul :4 : 25 6. Jumlah Gigi (Z1) : 23, (Z4) : 8 (Z2) : 9, (Z3) 7. Bahan roda gigi: besi tuang 8. Jarak sumbu poros (ao): 68 mm 9. Jarak sumbu poros dengan generator (a1) : 62 mm 10. Diameter lingkaran kepala(dk1): 108 mm, (dk2) : 44 mm, (dk3) : 100 mm (dk4) : 40 mm 11. Tinggi gigi (H) : 9 mm 12. Diameter poros perantara (D): 20 mm 13. Panjang (l) : 442 mm 14. Bahan poros : S-45C
[1] Pudjanarsana, Astu dan Djati Nursuhud. 2006. Mesin Konversi Energi.Yogyakarta : Andi Offset. [2] Eggleston, David dan Forrest S. Stoddard. 1987. Wind Turbine Engineering Design. New York : Van Nostrad Reinhold Company. [3] Djojodihardjo, Harijono dan Jens Peter Molly. 1983. Wind Energy Systems. Bandung : Penerbit Alumni. [4] Sularso dan Kiyokatsu Suga. 2004. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : PT. Pradnya Paramita [5] Atmadi, sulistyo dan Ahmad Jamaludin.Peneliti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan, LAPAN. [6] Nelson. Vaughn. 2009. Renewable Energy and the Environment. New York : Taylor and Francis Group.
36
