1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Turbin angin sumbu vertikal tipe helix semula dirancang dengan desain 2 sudu dengan dimensi 2,1 m x 1,8 m. Kekurangan turbin angin 2 sudu yang disimpulkan oleh perancang setelah dilakukan pengujian di Gadang ialah : pada kecepatan angin 8 m/s, poros turbin yang terhubung dengan poros generator menghasilkan putaran diatas 63 rpm. Pada putaran ini poros turbin tidak senter dan mengalami goyangan pada bagian atas poros saat berputar akibat dorongan dari penampang turbin yang dilalui angin melebihi batas maksimum turbin dalam menerima angin yaitu 7 m/s, mengalami robek pada bagian fiber atau penampangnya pada kecepatan angin 8 m/s akibat penampang terlalu besar, putaran poros yang dihasilkan turbin 2 sudu rendah dibanding dengan 3 sudu(Doni,dkk. 2011).
2 generator, turbin 3 sudu mampu menerima kecepatan angin maksimal 15 m/s, penumpu turbin 2 sudu yang semula menggunakan tower, pada turbin 3 sudu diubah menggunakan penumpu jenis rooftop dengan 4 kaki flange pengunci yang bisa dipasang di atap rumah atau area luar rumah tanpa memerlukan tempat yang luas, tahan akan turbulensi sehingga cocok untuk angin berkecepatan rendah seperti yang ada di Indonesia.
Maka dirancang turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix 3 sudu dengan daya yang dihasilkan adalah 29 watt, putaran poros yang dihasilkan stabil dan seimbang, angin yang diterima lebih banyak dan penampang blade tidak mengalami kerusakan saat menerima tekanan angin lebih dari kecepatan 5 m/s. Dengan demikian desain menjadi lebih kuat, mudah dalam perakitan dan pengangkutannya pada transportasi.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dirumuskan berdasarkan latar belakang di atas adalah bagaimana merancang sudu turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix (3 sudu) dengan kriteria yang murah, mudah dibuat serta handal dalam penggunaannya.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dalam penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan gambar desain turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix (3 sudu).
3 1.4 Manfaat Penulisan
Dalam setiap penulisan pasti memiliki manfaat baik untuk penulis dan untuk khalayak umum, adapun manfaat dari penulisan ini yang dapat dirasakan oleh khalayak umum adalah :
1. Sebagai referensi untuk pembuatan turbin ini berkaitan dengan belum banyaknya data tentang turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix (3 sudu).
2. Didapatkan suatu sistem konversi energi angin menjadi listrik yang cocok dengan kondisi angin di indonesia yang menghasilkan kecepatan angin rata-rata 5 m/s.
3. Dari segi ekonomi, apabila telah menggunakan sumber energi listrik utama (PLN), dapat juga digunakan sebagai alternatif penunjang kebutuhan energi listrik rumah tangga yang tentunya akan menghemat biaya pengeluaran tagihan listrik dalam jangka panjang. 4. Penggunaan turbin angin sudu tipe helix juga bermanfaat sebagai
4 1.5 Batasan Masalah
Mengingat banyaknya permasalahan yang akan timbul, maka agar lebih mempermudah pembahasan dan pemahaman serta hasilnya mengarah pada tujuan yang diinginkan diperlukan adanya pembatasan masalah. Oleh karena itu dalam penulisan ini yang akan dibahas, yaitu :
PERANCANGAN SUDU TURBIN ANGIN SUMBU
VERTIKAL ROOFTOP TIPE HELIX (3 SUDU)
DENGAN DAYA 29 WATT
SKRIPSI
Diajukan Kepada
Universitas Muhammadiyah Malang
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Strata Satu (S1) Jurusan Teknik Mesin
Disusun Oleh :
ENGGAR PRAMUGIATMO
07510009
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
ii
LEMBAR PENGESAHAN
PERANCANGAN SUDU TURBIN ANGIN SUMBU
VERTIKAL ROOFTOP TIPE HELIX (3 SUDU)
DENGAN DAYA 29 WATT
SKRIPSI
Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh
Gelar Sarjana Teknik Mesin Strata Satu (S1)
Jurusan Teknik Mesin
Disusun Oleh :
ENGGAR PRAMUGIATMO 07510009
Telah diperiksa, disetujui, dan disahkan oleh :
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
(Ir. Trihono Sewoyo, MT) (Ir. M. Lukman, MT) Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin UMM
iii
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127
Fax. (0341) 460782 Malang 65144
Lembar Asistensi Tugas Akhir
Nama : Enggar Pramugiatmo
NIM : 07510009
Bidang Keahlian : Konstruksi
Judul : Perancangan Sudu Turbin Angin Sumbu Vertikal Rooftop Tipe Helix (3 Sudu) Dengan Daya 29 watt Dosen Pembimbing I : Ir. Trihono Sewoyo, MT
Dosen Pembimbing II : Ir. M. Lukman, MT
No Tanggal Catatan Asistensi
Paraf Dosen
Pembimbing I
Dosen Pembimbing II 1 9 - 6 - 2011 Persetujuan Judul TA
2 17 - 10 - 2011 Revisi Latar belakang BAB I 3 25 - 10 - 2011 ACC BAB I
4 28 - 10 - 2011 Revisi BAB II 5 3 - 11 - 2011 ACC BAB II 6 10 - 11 - 2011 Revisi BAB III 7 23 - 11 - 2011 ACC BAB III 8 28 - 11 - 2011 Revisi BAB IV 9 6 - 12 - 2011 ACC BAB IV 10 14 - 12 - 2011 BAB V
Malang, 17 Januari 2012 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
(Ir. Trihono Sewoyo, MT ) (Ir. M. Lukman, MT) Mengetahui
Jurusan Teknik Mesin
iv
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : Enggar Pramugiatmo
Nim : 07510009
Tempat / Tanggal Lahir : Malang, 02 Maret 1989
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Instansi : Universitas Muhammadiyah Malang
Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa :
1. Tugas Akhir dengan Judul :
“Perancangan Sudu Turbin Angin Sumbu Vertikal Rooftop Tipe Helix (3 Sudu) Dengan Daya 29 watt “ Adalah hasil karya saya, dan dalam naskah tugas akhir ini tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diiajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik disuatu perguruan tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, baik sebagian atau keseluruhan, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber kutipan dan daftar pustaka.
2. Apabila ternyata didalam naskah tugas akhir ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur “PLAGIASI”, saya bersedia “TUGAS AKHIR INI DIGUGURKAN” dan “GELAR AKADEMIK YANG TELAH SAYA PEROLEH DIBATALKAN”, serta diproses sesuai ketentuan yang berlaku.
3. Tugas Akhir ini dijadikan sumber pustaka yang merupakan “ HAK BEBAS
ROYALTY NON EKSLUSIF”.
Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya untuk digunakan sebagaimana mestinya.
Malang, 9 Januari 2012
Dengan Hormat,
v
“PERANCANGAN SUDU TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL ROOFTOP TIPE HELIX (3 SUDU) DENGAN DAYA 29 WATT”
Oleh : Enggar Pramugiatmo (07510009) Email : bully_indo@yahoo.com
Pembimbing I : Ir.Trihono Sewoyo,MT, Pembimbing II : Ir. M. Lukman, MT Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-128 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
ABSTRAKSI
Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) rooftop tipe helix (3 Sudu) dengan daya 29 watt telah didesain dengan desain kecepatan angin 5 m/s berdasarkan data angin di Indonesia. Geometri sudu dipilih pipa besi berdiameter 18 mm dengan pertimbangan bahwa sudu ini lebih mudah dibuat dan bahan mudah didapat serta lebih ringan dibanding sudu dari plat. Turbin angin ini dipasang di permukaan cor seperti atap gedung atau atap rumah.
Tujuan dalam perancangan turbin ini adalah untuk mendapatkan gambar desain turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix (3 sudu), dan mendapatkan prosedur perancangan sudu turbin angin sumbu vertikal rooftop tipe helix (3 sudu).
Turbin angin tipe helix dengan jumlah baling-baling 3 sudu di desain untuk disesuaikan dengan kondisi kecepatan angin yang rendah. Instalasi pemasangan pada atap rumah atau atap gedung, beberapa asumsi akan di gunakan untuk merancang baling-baling berbentuk helix, karena keterbatasan data. Turbin angin ini di hubungkan dengan generator tipe fluksi aksial 3 fasa (AFPMG – Axial Flux Permanent Magnet Generator). Generator ini sesuai dengan turbin angin karena memiliki putaran rendah dan dapat terhubung langsung dengan poros utama turbin sehingga menghilangkan kerugian akibat transmisi dan menggunakan penumpu jenis rooftop sehingga tidak memerlukan lahan yang luas untuk mendirikan karena sistem penguat pada kaki penumpu berupa flange yang diperkuat dengan baut dan mur.
vi
“DESIGNED BLADE OF THE ROOFTOP VERTICAL AXIS WIND TURBINE (3 BLADE) HELIX TYPE WITH POWER 29 WATTS”
By : Enggar Pramugiatmo (07510009) Email : bully_indo@yahoo.com
Advisor I : Ir.Trihono Sewoyo,MT, Advisor II : Ir. M. Lukman, MT Faculty of Engineering Department of Mechanical Engineering University of
Muhammadiyah Malang
Tlogomas roadway Number. 246 phone . (0341) 464318-128 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
ABSTRACT
Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) 3 blade helix type rooftop with power 29 watt have been designed with the design wind speed at 5 m/s based on wind data in Indonesia. Blade geometry selected diameter steel pipe 18 mm with the consideration that the blade is more easily made, easily available materials and also more easy different blade from plate. This wind turbine is pair in cast surface like factory roof or house roof.
The purpose of designed this turbine is gived draw design of vertical axis wind turbine ( 3 blade) helix type rooftop, and gived design procedure about the blade of vertical axis wind turbine (3 blade) helix type rooftop.
Wind turbine helix type with the total 3 propeller blades are designed to according with the conditions of low wind speed. Pair installation of house roof, some assumptions will be used to design a propeller-helix shaped, because of limited data. This wind turbine generator in connecting with the 3 phase axial flux type (AFPMG - Axial Flux Permanent Magnet Generator). This generator according with wind turbines because it has low speed can connect directly to the main turbine shaft eliminating transmission losses, and used to kind rooftop tower not needed wide place to building because tower foot lasing system on flanges strenght needed with bolts and nuts.
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi Rabbil Alamin, Segala Puji Bagi-Mu Ya Allah, Pemberi Cinta Paling Hakiki, Yang Senantiasa Menyiapkan Rencana Sempurna untuk hamba-Mu ini, Puji syukurku atas-Mu yang telah memberikan kesehatan, kekuatan, iman, serta memberi petunjuk atas segala kebuntuan. Tak ada habisnya jika diri ini mengingat seluruh cinta dan kebaikan yang Engkau berikan, Ya Allah. Penulis merasa bersyukur dengan terselesaikannya tugas akhir ini dengan tema “Perancangan Sudu Turbin Angin Sumbu Vertikal Rooftop Tipe Helix (3 Sudu) Dengan Daya 29 watt”, setelah hampir setahun waktu berlalu.
Satu pelajaran penting yang penulis dapatkan adalah “Sesuatu yang memudahkanmu akan menurunkan semangat juangmu.”
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih setulus -tulusnya atas segala dukungan, bantuan, bimbingan, kritik serta saran dari beberapa pihak selama proses berjalannya skripsi ini dari awal hingga akhir. Penghargaan dan rasa terima kasih sudah selayaknya diberikan kepada :
1. ALLAH SWT.
2. Kedua Orang Tua atas segala doa, cinta, perhatian, serta dukungan yang diberikan untuk penulis.
viii
7. Team turbin helix (Ulum Oktavianto, Ananta Dedy Putraf) terima kasih atas kerjasamanya selama proses awal dan akhir.
8. Team turbin lenz (Wiramartas Rachmat, Rica Budi Valianto, Rizqi Hadi’i).
9. Team penumpu rooftop (Puja Kharisma, Mashud Badarudin).
10.Team Generator I (Muhamad Lutfi, Nur Aziz Riadi, Riska Arif Bachtiar, Candra Fajar Prasetya).
11.Team Generator II (Dhita Angga Kusuma, Hendy Wahyu Oktaviyanto, Totok Sardianto, Arif Tri Cahyono).
12.Seluruh rekan – rekan teknik mesin angkatan 2007. 13.Kakak tingkat teknik mesin angkatan 2006.
Sekali lagi, terima kasih untuk semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung telah membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini, kebaikan yang kalian berikan semoga dibalas-Nya dengan lebih banyak kebaikan.
Akhirnya penulis berharap, semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan dapat menambah wawasan bagi penulis dan bagi pembaca umumnya. Semoga Allah SWT senantiasa membimbing kita menuju jalan-Nya dan melimpahkan rahmat serta hidayah-Nya. AMIN...
Malang, 9 Januari 2012
ix DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR JUDUL... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
LEMBAR ASISTENSI ... iii
LEMBAR SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT...iv
ABSTRAKSI INDONESIA ... v
ABSTRAKSI INGGRIS ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR. ... xiii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Rumusan Masalah ...2
1.3 Tujuan Penelitian ...2
1.4 Manfaat Penulisan...3
1.5 Batasan Masalah ...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konversi Energi Angin ...5
2.2 Turbin Angin ...5
2.2.1 Macam – Macam Dan Jenis Turbin Angin ...6
x
2.2.1.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ...7
2.2.2 Kecepatan Angin ... 10
2.2.2.1 Macam-Macam Angin ... 15
2.2.2.2 Kerugian yang Di timbulkan Oleh Angin ... 16
2.3.3 Bagian – Bagian Turbin Angin Tipe Helix ... 18
BAB III METODE PERANCANGAN 3.1 Prosedur Perancangan Turbin Angin Tipe Helix ... 29
3.1.1 Penentuan Kebutuhan Pengguna ... 30
3.1.2 Perumusan Desain Turbin Angin Helix ... 30
3.1.2.1 Sudu Helix ... 30
3.1.2.2 Naf (Hub) ... 31
3.1.2.3 Poros... 31
3.1.2.4 Evaluasi Perancangan ... 32
3.1.3 Penetapan Konsep ... 32
3.1.4 Pemilihan Konsep Terbaik ... 32
3.1.5 Analisa Rekayasa ... 32
3.1.6 Pemilihan Komponen... 33
3.2 Penilaian Kebutuhan ... 33
3.3 Diagram Alir Proses Perancangan dan Kebutuhan ... 34
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Konsep Desain ...36
4.2 Penentuan Daya Lampu ...36
4.2.1 Pengukuran Arus ...37
xi
4.3 Penentuan Daya Generator...42
4.4 Perhitungan Sudu Helix ...44
4.4.1 Perhitungan Dimensi Sudu Helix ...44
4.4.2 Gaya Hambat ...49
4.4.3 Torsi ...50
4.4.4 Kecepatan Sudut ...52
4.4.5 Kecepatan Linier Ujung Sudu ...53
4.4.6 Putaran Rotor Blade ...53
4.5 Gaya Angin yang Bekerja Pada Tumpuan ...56
4.6 Perancangan Pipa Penumpu Rooftop...58
4.7 Pengaruh Tekanan Angin Dengan Program Komputer ...66
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...69
5.2 Saran ...70 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
GAMBAR DESAIN
RIWAYAT HIDUP
NASKAH PUBLIKASI
xii
DAFTAR TABEL
2.1 Skala beaufort ...11
2.2 Data Klimatologi... 12
2.3 Syarat –syarat kondisi dan angin ...14
2.4 Pasangan kumparan – magnet generator 3 fasa ...21
3.5 Daftar Persyaratan ...35
4.6 Pengukuran tegangan menggunakan 4 Lampu ...40
4.7 Pengukuran tegangan menggunakan 5 Lampu ...41
4.8 Hasil perhitungan karakteristik blade ...55
4.9 Karakteristik dinamika beban bantalan ...64
xiii
DAFTAR GAMBAR
2.1 Turbin angin sumbu horizontal ... 6
2.2 Turbin angin sumbu vertikal ... 8
2.3 Perbandingan arah angin yang diterima TASH & TASH ... 9
2.4 Alat pengukur kecepatan angin... 10
2.5 Grafik Betz limit. ... 13
2.6 Aliran turbulen angin...16
2.7 Sudu helix... 18
2.8 Titik keseimbangan turbin... 19
2.9 Naf... 20
2.10 Bantalan gelinding rol kerucut baris tunggal... 21
2.11 Susunan generator fluksi aksial ... 22
2.12 Tiang penyangga yang diperkuat sling baja... ... 23
2.13 Tiang penumpu jenis rooftop... .. 24
2.14 Battery kering... 27
3.15 Turbin angin tipe helix 3 sudu... ... 29
3.16 Sudu helix... 20
3.17 Naf tampak dari atas... 31
3.18 Poros tengah pada blade... 31
3.19 Diagram alir perancangan dan pembuatan... ... 34
4.20 Pengukuran arus... 37
4.21 Pengukuran tegangan... 39
xiv
4.23 Perbandingan luasan teoritik dengan luasan sebenarnya... 48
4.24 Dimensi desain sudu helix... 49
4.25 Koefisien hambat (Cd)pada sudu helix... 51
4.26 Tinggi penumpu... 55
4.27 Blade helix ketika terkena beban angin... 57
4.28 Gaya angin dan gaya akibat beban blade pada penumpu... 58
4.29 Momen Inersia pada pipa berdinding tipis ... 58
4.30 Reaksi tumpuhan pipa tangan rooftop...60
4.31 Tegangan geser tiang rooftop...61
4.32 Tegangan bending tiang rooftop...62
4.33 Simulasi tekanan angin pada pipa tangan penumpu. ... 66
4.34 Simulasi tekanan angin pada tiang penumpu... 67
DAFTAR PUSTAKA
1. Adam. Ferry, dkk“Perancangan, Pembuatan Dan Pengujian Turbin Angin Tipe Helix Sebagai Lampu Penerangan Jalan” 2010.
2. BMG,“ Stasiun Klimatologi Karangploso”,2008
3. Doni,dkk”Perancangan, Pembuatan Dan Pengujian Turbin Angin Tipe Helix Untuk Lampu Penerangan Jalan” 2011.
4. Modul Praktikum ANSYS UMM, 2007.
5. Piggot H, "The Permanent Magnet Generator (PMG): A Manual for Manufacturers and Developers", Scoraige Wind Electric, 2001.
6. Popov, E.P. “Mekanika Teknik (Mechanics of Material)”, Erlangga, Jakarta. 1996.
7. Ramdani. “Analisa Tower Jenis Guyed Tilt Up Pada Turbin Angin Sumbu Vertikal Sudu Tipe Helix Dengan Program Berbasis F.E.M” 2011.
8. Steven Fahey, “ Basic Principles Of the Homemade Axial Flux Alternator”, 2006.
9. Timoshenko & Gere, “ Mekanika Bahan “, Edisi 2, Erlangga, Jakarta, 1996.
10.Toomey M, “Individual Trade Study for Table Energy System”, February 29, 2009.
11.Wakil El, “Power Plant Technology”, Mc Graw-Hill,Inc.,USA,1987. 12.http://www.DuniaListrik.com, 2008.
15.http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin. 16.http://www.aerolapan.com.
17.http://www.helixwind.com.
18.http://www.ilmu-pengetahuan-geografi.html, 2008. 19.http://www.id.wikipedia.org.
20.http://www.google.com/skala beaufort. 21.http://www.google.com/turbulent flow. 22.http://www.google.com/Betz limit. 23.http://www.rise.org.au 2008.
