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 Perancangan
dan Pembuatan Turbin
Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu
Berdiameter 3,5 meter Dengan
Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan
Sudut Pitch
Fransiscus Lungan
Program Studi
Teknik Mesin
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.
Final Project
Title Horizontal
Axis Wind Turbine Designing
and Manufacturing With Three Bladed
Rotor in 3,5 metres on Diameter With
Cutting Modification and Pitch Angle
Adjusting
Fransiscus Lungan
Major 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
i
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.
ii
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
iii
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. Prinsip Konversi Energi Angin 6
2.1.1. Teori Momentum Elementer Betz 6
2.1.2. Koefisien Daya 9
2.1.3. Gaya Aerodinamik pada Rotor 10
2.2. Jenis-Jenis Turbin Angin 12
2.2.1. Turbin Angin Sumbu Vertikal 12
2.2.2. Turbin Angin Aksial 14
2.3. Merancang Rotor 15
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
iv 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. Sistem Kelistrikan 28
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
v
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
vi
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
vii
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
viii
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
ix
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
