commit to user
i
DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45° KAPASITAS 100 WATT
UNTUK SALA VIEW HOTEL
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh:
RIFQI MUHTAR ATSNAWI NIM. I0411035
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
iv
MOTTO
“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada
Tuhanmu”. (Q.S Al Insyirah : 6-8)
“Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri”
(Q.S. ArRa’ad : 11)
“Kamu adalah apa yang kamu yakini” (Rica Rachmania)
commit to user
v
PERSEMBAHAN
Dengan segala puja dan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa dan atas dukungan dan do’a dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada:
Tuhan YME, karena hanya atas izin dan karuniaNyalah maka skripsi ini dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do’a.
Bapak dan Ibu saya, yang telah memberikan dukungan moril maupun materi serta do’a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah lantunan do’a dan tiada do’a yang paling khusuk selain do’a yang terucap dari orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk kalian bapak ibuku.
Bapak dan Ibu Dosen pembimbing, penguji dan pengajar, yang selama ini telah tulus dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan saya, memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya, agar saya menjadi lebih baik. Terimakasih banyak Bapak dan Ibu dosen, jasa kalian akan selalu terpatri di hati.
Saudara saya (Kakak dan Adik), yang senantiasa memberikan dukungan, semangat, senyum dan do’anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk kalian.
Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa, tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan
commit to user
vi
Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua. Akhir kata saya persembahkan skripsi ini untuk kalian semua, orang-orang yang saya sayangi. Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk kemajuan ilmu pengetahuan di masa yang akan datang, Aamiin
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Panyayang, dengan ini kami panjatkan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah melimpahkan rahmat-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel”.
Adapun skripsi “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel” ini telah kami usahakan semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan dari banyak pihak, sehingga dapat memperlancar proses pembuatan makalah ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT, selaku Dosen Pembimbing II yang turut serta memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST.,MT., Bapak Eko Prasetya B, ST.,M.T., dan Ibu Indri Yaningsih, ST.,MT. selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.
4. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.
6. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir.
7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
commit to user
viii
8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal administrasi.
9. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku atas do’a restu, nasihat, motivasi, dukungan material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi.
10. Rekan-rekan seperjuangan di Mecheng 11, kakak tingkat dan adik tingkat di Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!!
11. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan pembelajaran berharga yang akan selalu saya ingat.
12. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang tidak bias penulis sebutkan satu-persatu.
Akhirnya penyusun mengharapkan semoga dari skripsi “Desain Turbin Angin Tipe Savonius dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt untuk Sala View Hotel” ini dapat diambil manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap pembaca. Selain itu, kritik dan saran dari Anda kami tunggu untuk perbaikan makalah ini nantinya.
Surakarta, 8 Maret 2016
commit to user
ix
DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45° KAPASITAS 100 WATT
UNTUK SALA VIEW HOTEL Rifqi Muhtar Atsnawi
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Kebutuhan akan energi saat ini sangatlah tinggi. Hal ini dikarenakan banyak pertumbuhan industri, gedung, dan perumahan. Hal tersebut apabila dibiarkan akan menyebabkan kelangkaan energi. Salah satu upaya untuk menanggulanginya adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan, seperti pemanfaatan turbin angin. Tugas akhir ini akan membahas mengenai perancangan turbin angin tipe Savonius kapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk produksi energi. Berdasarkan analisa hasil perhitungan yang telah dilakukan didapat kecepatan angin pada Sala View Hotel sebesar 7,06 m/det. Nilai koefisien daya (Cp) sebesar 0,18 dan tip speed ratio (λ) yang digunakan adalah 1. Nilai aspect ratio (α) dan
overlap ratio (β) sebesar 1,5 dan 0,2, maka didapatkan dimensi untuk luas sapuan
turbin sebesar 2,74 m2 dengan menggunakan sudu berbentuk twist 45° sebanyak dua sudu dengan diameter sudu sebesar 0,75 m. Sehingga dimensi untuk tinggi (H) dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,03 m dan 1,35 m.
Kata kunci: Kebutuhan energi, energi terbarukan, perancangan, turbin angin, Savonius .
commit to user
x
DESIGN OF 450 TWISTED SAVONIUS WIND TURBINE WITH 100 WATT
CAPACITY AT SALA VIEW HOTEL
Rifqi Muhtar Atsnawi
Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstract
Nowadays the need of energy is very high because there are so many industries, buildings, and housing need major energy source. If that problem is ignored it will cause crisis energy. An effort to resolve it, is to utilize renewable energy such as the wind turbines. This paper will discuss the design of the type Savonius wind turbines with a capacity of 100 Watts that can be used for energy production. Based on the analysis results have been carried out wind speed obtained at Sala View Hotel is 7.06 m / s. The value of the power coefficient (Cp) of 0.18 and tip speed ratio (λ) used is 1. The value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β) of 1.5 and 0.2, then obtained for the sweep area of the turbine dimensions of 2.74
m2 with using 45° blade twist and a blade diameter of 0.75 m. So the dimensions
for height (H) and a rotor diameter (D) turbine is 2.03 m and 1.35 m.
commit to user
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
SURAT TUGAS ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN MOTTO ... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
KATA PENGANTAR ... vii
ABSTRAK ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xv
DAFTAR NOTASI ... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ... xix
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Tujuan Penelitian ... 2 1.5 Manfaat Penelitian ... 2 1.6 SistematikaPenulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia ... 4
2.2 Definisi Energi Angin ... 5
2.3 Kondisi Arah Aliran Angin di Wilayah Perkotaan ... 6
2.3.1 Distribusi Weibull untuk Kecepatan Angin ... 7
2.3.2 Estimasi Energi Angin yang Tersedia ... 8
2.4 Pengertian Turbin Angin... 9
2.5 Jenis Turbin Angin ... 9
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (HAWT) ... 10
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ... 10
commit to user
xii
2.5.2.2 Turbin Angin Savonius ... 11
2.6 Desain Turbin Savonius ... 12
2.6.1 Beberapa Hal yang dapat Menambah Performa Turbin Savonius ... 12 2.6.1.1 Jumlah Sudu ... 12 2.6.1.2 Bentuk Bucket ... 13 2.6.1.3 Aspect Ratio ... 16 2.6.1.4 Overlap Ratio ... 17 2.6.1.5 Endplate ... 17
2.6.2 Parameter yang Bersangkutan dalam Pendesainan Turbin Savonius ... 17
2.6.2.1 Daya Turbin ... 18
2.6.2.2 Nilai putaran rotor (ω), Tip speed ratio (TSR) dan Power Coefficient (Cp) ... 18
2.6.2.3 Torsi ... 20
2.6.2.4 Poros ... 20
2.6.2.5 Pasak ... 21
2.6.2.5 Bantalan Atau Bearing ... 23
2.6.2.7 Sistem Transmisi Daya ... 23
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ... 24
3.1 Prosedur Penelitian ... 24
3.1.1 Studi Literatur ... 24
3.1.2 Pemilihan Lokasi ... 24
3.1.3 Mengumpulkan Data Kecepatan Angin ... 24
3.1.4 Pengolahan Data Kecepatan Angin ... 24
3.1.5 Perancangan Desain Turbin Angin ... 25
3.2 Penetapan Parameter Turbin Angin Savonius yang Akan didesain 25 3.3 Membuat Rancangan Turbin Angin... 25
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 26
4.1 Potensi Kecepatan Angin ... 26
4.1.1.Perhitungan Data Kecepatan Angin ... 26
commit to user
xiii
4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin Rata-Rata, Deviasi Standar
dan Nilai Parameter Bentuk (k) dan Parameter Skala(c) ... 29
4.1.4.Fungsi Probabilitas dan Kumulatif Distribusi Weibull ... 30
4.1.5.Potensi Energi Angin ... 31
4.1.6.Grafik Windrose Data Kecepatan Angin ... 32
4.2 Desain Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° ... 33
4.2.1.Perhitungan Rotor Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° 33 4.2.2.Perhitungan Luas Area Sapuan ... 34
4.2.3.Perhitungan Dimensi Sudu ... 34
4.2.4.Perhitungan Diameter Endplate ... 35
4.2.5.Perhitungan Diameter Sudu pada Rotor ... 35
4.2.6.Perhitungan Torsi dan Kecepatan Sudut ... 37
4.2.7.Perhitungan Diameter Poros... 37
4.2.8.Perhitungan Dimensi Pasak ... 42
4.3 Pemilihan Bearing ... 43
4.4 Perancangan Transmisi Turbin ... 48
4.5 Pemilihan Generator ... 49
4.6 Prediksi Performa Turbin ... 50
4.6.1.Perhitungan Saat Kondisi Start ... 50
4.6.2. Perhitungan Saat Kondisi Charging ... 52
4.7 Rangka ... 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 54
5.1 Kesimpulan ... 54
5.2 Saran ... 54 DAFTAR PUSTAKA
commit to user
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Profil kecepatan angin di perkotaan ...6
Gambar 2.2 Beberapa contoh turbin angin ...9
Gambar 2.3 Contoh turbin angin tipe horizontal ...10
Gambar 2.4 Contoh turbin angin tipe vertikal ...11
Gambar 2.5 Contoh turbin angin tipe vertikal jenis Savonius ...12
Gambar 2.6 Grafik pengaruh jumlah sudu ...13
Gambar 2.7 Savonius dengan profil semi circular ...14
Gambar 2.8 Savonius dengan profil twist ...14
Gambar 2.9 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Cp ...15
Gambar 2.10 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Ct ...15
Gambar 2.11 Tampak atas dan samping dari turbin dengan twist (a) 0° (b) 45° (c) 90° (d) 135° ...16
Gambar 2.12 Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin ...17
Gambar 2.13 Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio ...19
Gambar 2.14 Pasak...22
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian...25
Gambar 4.1 Grafik fungsi probability density ...30
Gambar 4.2 Grafik fungsi distribusi cumulative ...31
Gambar 4.3 Grafik Windrose ...32
Gambar 4.4 Desain Turbin Angin Savoius dengan Twist 45° ...33
Gambar 4.5 End-plate ...35
Gambar 4.6 Sudu Savonius dengan Twist 45° ...36
Gambar 4.7 Skema turbin angin Savonius ...39
Gambar 4.8 Ilustrasi aliran udara di perkotaan ...40
Gambar 4.9 Pasak...42
Gambar 4.10 Bantalan bolt flange mounted bearing ...48
Gambar 4.11 Generator NE – 100S ...50
Gambar 4.12 Performa Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal ...53
Gambar 4.13 Rangka ...53
commit to user
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pengelompokan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi
potensial ... 5
Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasaran dan nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas berdasarkan lokasi yang berbeda ... 7
Tabel 2.3 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ... 22
Tabel 4.1 Contoh data kecepatan angin pada bulan Januari 2013 ... 26
Tabel 4.2 Contoh data kecepatan angin bulan Januari 2013 pada ketinggian 45 m ... 28
Tabel 4.3 Arah angin selama dua tahun ... 32
Tabel 4.4 Parameter-parameter dalam menentukan dimensi turbin... 34
Tabel 4.5 Daftar Nilai Safety Factor ... 38
Tabel 4.6 Nilai koefisien drag ... 39
commit to user
xvi
DAFTAR NOTASI
A luas area (m2) AR aspect ratio
As luas sapuan untuk rotor turbin Savonius (m2)
At luas sapuan rotor turbin (m2)
C kapasitas beban dinamik
c parameter skala distribusi Weibull C0 kapasitas beban statik
Cd koefisien Drag
Cp koefisien daya turbin D diameter turbin angin (m) Df diameter endplate (m) dp diameter poros (m)
Ds diameter rotor turbin angin (m) e jarak antara dua sudu turbin (m) E energi kinetik (Nm)
Ed energi per satuan waktu
Et energi selama satu satuan waktu
F(V) fungsi cumulative distribusi Weibull
f(V) fungsi probability density distribusi Weibull
Fd gaya drag (N)
H tinggi turbin angin (m)
H1 ketinggian pengukuran angin oleh badan meteorologi (10 m) H2 ketinggian tempat yang ingin dilakukan observasi (m) Hs tinggi rotor turbin angin Savonius (m)
k parameter bentuk distribusi Weibull
Km faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan bending Ks faktor keamanan untuk bearing
Kt faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan torsi l panjang pasak (m)
commit to user
xvii
Lh umur bantalan/bearing M momen (N.m)
M massa udara yang bergerak (kg) mb massa sudu (kg)
Me momen bending (N.m)
N kecepatan putar (rpm)
N safety factor
P daya (Watt)
Pt daya yang dihasilkan turbin (Watt) R jari jari turbin angin (m)
r jari jari rotor turbin Savonius (m) Sy tegangan yield material (N/m2) t tebal pasak (m)
T torsi yang dihasilkan oleh turbin angin (N.m) Te momen puntir (N.m)
V kecepatan angin (m/s2)
V1 kecepatan angin yang diukur Badan Meteorologi (m/s) V2 kecepatan angin yang diukur pada ketinggian Z2 (m/s)
VE besar kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimum (m/s) Vf kecepatan angin yang sering muncul selama satu periode waktu (m/s) Vm kecepatan rata rata (m/s)
W beban radial ekivalen dinamik w lebar pasak (m)
WA beban aksial (N) WR beban radial (N) X faktor beban radial Y faktor rotasi
Z1 nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi Badan Meteorologi Z2 nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi yang ingin diketahui α1 kekasaran permukaan di lokasi Badan Meteorologi
α2 kekasaran permukaan di lokasi yang ingin diketahui δ overlap ratio
commit to user
xviii
λ tip speed ratio
ρ massa jenis udara (kg/m3), σ solidity
σ standar deviasi
σd tegangan tarik ijin material untuk desain (N/m2) τd tegangan geser ijin material untuk desain (N/m2) ω kecepatan sudut putar turbin angin (rad/s)
commit to user
xix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Kecepatan Angin ... 59
Lampiran 2. Hasil perhitungan VEmax per bulan ... 71
Lampiran 3. Hasil Pengolahan Data Kecepatan Angin perbulan Selama Dua Tahun ... 71
Lampiran 4. Hasil Perhitungan Arah Angin ... 71
Lampiran 5. Tabel Standar Ukuran Pasak ... 72
commit to user
