PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 1500 WATT DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN KEBUMEN

(1)

commit to user

i

PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 1500 WATT

DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN KEBUMEN

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

IBNU KHAMDAN ALMASUUN

NIM. I0411027

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

commit to user

ix

PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL

1500 WATT DI PANTAI WISATA SUWUK KABUPATEN

KEBUMEN

Ibnu Khamdan Almasuun

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta Indonesia

E-mail: ibnukhamdan_u@rocketmail.com

ABSTRAK

Kebutuhan energi di Indonesia terus meningkat seiring dengan pertumbuhan

ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri. Menjadi sumber energi utama, bahan

bakar fosil telah menyebabkan banyak masalah lingkungan. Untuk mengatasi

masalah tersebut dibutuhkan pengembangan sumber energi terbarukan. Diantara jenis

energi terbarukan energi angin memperlihatkan kemajuan yang pesat. Terletak pada

wilayah dengan potensi energi angin yang baik, pantai suwuk kabupaten kebumen di

pilih sebagai tempat perancangan turbin angin sumbu

horizontal

dengan kapasitas

1500 watt. Data kecepatan angin diperoleh dari PLTH Pandansimo, Bantul,

Yogyakarta pada ketinggian 50 m selama dua tahun dari bulan juni 2013 sampai juni

2015. Data angin diolah dengan metode statistik distribusi weibull dan diperoleh

kecepatan rata-rata Vm = 5.87 m/s, parameter k = 2.36, serta parameter kecepatan

angin c = 6.63 m/s. Desain

blade

turbin angin di hitung munggunakan teori

Blade

Element Momentum

(BEM) dengan

air foil

NACA 4412, NACA 23012, NREL S822,

dan NREL S833 sebagai dasar pemilihan airfoil. Dari hasil perancangan deperoleh

desain turbin angin dengan

blade airfoil

naca 4412, daya 1,55 kW, diameter rotor D =

3.2 m, luas sapuan rotor A= 8.042 m

2

dan tinggi hub 15 m tehadap permukaan tanah.

Kata kunci: perancangan

,

turbin, angin, sumbu horizontal, 1500 watt, pantai.

(3)

commit to user

x

1500 WATT HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE DESIGN

AT SUWUK BEACH KABUPATEN

KEBUMEN

Ibnu Khamdan Almasuun

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta Indonesia

E-mail: ibnukhamdan_u@rocketmail.com

Abstract

Indonesia energy needs will continue to grow along the economic growth and

energy consumption itself. As main energy source, the fossil fuel has been causing a

lot of environmental problem. To solve the environmental problem requires the

development of renewable energy. Among the several renewable energy, the wind

power generation has shown the greatest progress. Suwuk beach is located in wind

energy potential site and chosen as design site of 1500 watt horizontal axis wind

turbine. The wind speed data was obtained from the PLTH Bantul-Yogyakarta. It was

recorded by anemometer at height of 50 m above ground over 2 year’s periods from

June 2013-June 2015. The wind speed data was calculated by Weibull statistical

method. The results shows that the mean wind speed Vm= 5.87 m/s, parameter k=

2.36, and wind speed parameter c= 6.63 m/s. The airfoil NACA 4412, NACA 23012,

NREL S822, and NREL S833 was calculated by Blade Element Momentum Theory

(BEM). The final result of wind turbine design uses NACA 4412 airfoil as blade,

output power 1,55 kW, diameter of rotor D= 3,2 m, swept area of rotor A= 8.042 m

2

_,

and 15 m hub height.

(4)

commit to user

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Segala puji hanya untuk Allah, Rabb Semesta Alam. Rabb yang telah mempermudah

segalaurusaan dan persoalan. Sebagai rasa syukur kehadirat Allah SWT, karya ini saya

persembahkan bagi . . .

Ayah dan ibu tercinta yang disetiap sujudnya selalu terselip doa bagi penulis serta adik yang

selalu memberikan dukungannya.

Dosen-dosen Teknik Mesin UNS yang telah bersedia membagi ilmunya.

Sabahat dan teman-teman MechEng 2011 semua yang berbagi Ilmu, memberi semangat, dan

keceriaannya kepada penulis.

Teman-temanku yang membantu meringankan penyusunan skripsi, dan seluruh keluarga besar

Teknik Mesin FT UNS.

(5)

commit to user

iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN

Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal-hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia derajat kesarjanaan saya dicabut.

Surakarta, 18 Januari 2016

(6)

commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan rahmat serta hidayah-Nya sehingga penulis mampu melaksanakan dan

menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Perancangan Turbin Angin Sumbu

Horizontal 1500 Watt Di Pantai Wisata Suwuk Kabupaten Kebumen” dengan baik.

Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar

Sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

Selama mengerjakan Tugas Akhir ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan

tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh

karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih

kepada semua pihak atas segala bentuk bantuan dan perhatian selama penulis

menyelesaikan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada:

1. Ayah, Ibu dan adikku atas do’a restu, nasihat, motivasi, dukungan material dan

spiritual dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang senantiasa

memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Akhir

ini.

3. Bapak Eko Prasetya B, ST., M.T., selaku Dosen Pembimbing II yang turut serta

memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT dan Bapak DR Eng Syamsul Hadi

ST.,MT selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang

membangun.

5. Bapak Tri Istanto ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan

sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret

ini.

(7)

commit to user

viii

6. Bapak DR Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.

7. Bapak DR Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir.

8. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

9. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal

administrasi.

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.

Pada akhirnya penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Tugas Akhir ini

masih jauh dari kata sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan

penulis. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

membangun dari semua pihak supaya menjadi masukan yang berguna bagi penulis

untuk memperbaiki dan menyempurnakan penulisan lain yang akan datang. Akhir

kata, penulis berharap semoga laporan Tugas Akhir ini dapat berguna dan bermanfaat

bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Surakarta, 18 Januari 2016

(8)

commit to user

V

HALAMAN MOTTO

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.”

(QS Al Insyiroh : 5 – 6)

“Sesungguhnya Alloh tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan

yang ada pada diri mereka sendiri”

(Q.S. Ar Ra’ad : 11)

“Tujuan dari ilmu adalah mengamalkannya. Ilmu yang HAKIKI adalah merefleksikannya dalam

kehidupan, bukan yang bertengger di kepala”

(Imam asy-Syafi’i)

“Kita adalah umat yang dihitung dengan waktu. Umat yang satu menit saja, akan dievaluasi.

Umat yang melihat bahwa siang dan malam akan memangkas Umurnya.”

(Dr. A’idh Al-Qarni, M.A.)

Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan hal yang harus

dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah mereka menyukainya atau tidak.

(9)

commit to user

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...i

HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ...ii

HALAMAN PENGESAHAN ...iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ...iv

HALAMAN MOTTO ...v

HALAMAN PERSEMBAHAN ...vi

KATA PENGANTAR ...vii

ABSTRAK ...ix

DAFTAR ISI ...xi

DAFTAR GAMBAR ...xiv

DAFTAR TABEL ...xvi

DAFTAR LAMPIRAN ...xviii

DAFTAR SIMBOL ...xix

DAFTAR AKRONIM...xxi BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1.Latar Belakang ... 1 1.2.Rumusan Masalah ... 3 1.3.Batasan Masalah ... 3 1.4.Tujuan Penelitian ... 4 1.5.Manfaat Penelitian ... 4 1.6.SistematikaPenulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1. Pengertian Angin ... 5

2.2. Potensi Energi Angin ... 6

2.3. Daya Angin ... 7

2.4. Ekstrapolasi Kecepatan Angin Beda Ketinggian ... 9

2.5. Distribusi Frekuensi dan Parameter Kecepatan Angin ... 9

2.6. Turbin Angin ... 13

2.7. Klasifikasi Turbin Angin ... 13

(10)

commit to user

xii

2.7.2.Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) ... 15

2.8. Prinsip Aerodinamika ... 16

2.9. Efisiensi Turbin Angin ... 19

2.10. Desain Blade ... 19

2.10.1. Menentukan panjang chord dan Bladetwist ... 20

2.10.1. Pemilihan airfoil ... 21

2.11. BladeElement Momentum (BEM) Theory ... 23

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ... 29

3.1.Tempat Penelitian... 29

3.2. Alat dan Bahan ... 29

3.3. Prosedur Perancangan 3.3.1.Studi Literatur ... 29

3.3.2. Pengumpulan Data Kecepatan Angin ... 29

3.3.3. Pengolahan Data Kecepatan Angin ... 28

3.3.4. Desain Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 31

3.3.5. Menggambar Desain Turbin Angin... 31

BAB IV ANALISA DAN PERANCANGAN ... 32

4.1.Analisa Potensi Angin ... 32

4.1.1.Lokasi Pengambilan Data ... 32

4.1.2.Lokasi Perancangan Turbin Angin ... 32

4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin ... 33

4.1.4.Menentukan Nilai Distribusi Frekuensi Kecepatan Angin 2 tahun ... 34

4.1.5.Perhitungan fungsi probabilitas dan kumulatif distribusi Weibull ... 35

4.1.6.Perhitungan Energi Angin ... 38

4.2.Perancangan Turbin Angin ... 39

4.2.1.Perhitungan Dimensi Rotor ... 40

4.2.1.1. Perhitungan Jari-Jari Rotor ... 40

4.2.1.2. Karakteristik Airfoil ... 40

4.2.1.3. Karakteristik Turbin Angin ... 42

(11)

commit to user

xiii

4.2.1.5. Analisis BEM ... 43

4.2.1.6. Perhitungan gaya aksial dan power pada blade turbin angin ... 46

4.2.2.Desain Komponen Turbin Angin ... 48

4.2.2.1. Perhitungan Disc Hub turbin angin ... 49

4.2.2.2. Ukuran Baut (Hub dengan blade) ... 51

4.2.2.3. Diameter Poros ... 53

4.2.2.4. Ukuran Pasak ... 57

4.2.2.5. Flange Hub rotor turbin angin ... 58

4.2.2.6. Perhitungan Bantalan ... 61

4.2.2.7. Pemilihan Generator ... 63

4.2.2.8. Perancangan Sistem Pemindah Tenaga Turbin ... 66

4.2.2.9. Ekor ... 71

4.2.2.8. Tower ... 71

4.2.3.Gambar 3D Desain Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 74

4.3.Spesifikasi Desain ... 75

4.4.Performa Turbin Angin ... 76

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 78

5.1. Kesimpulan ... 78

5.2. Saran ... 78 DAFTAR PUSTAKA

(12)

commit to user

xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1.1 Proyeksi Kebutuhan Listrik di Jawa per Sektor Tahun

2003 s.d. 2020 ... 1

Gambar 2.1 Sirkulasi udara Atmosfer ... 5

Gambar 2.2 Sirkulasi udara di pantai ... 6

Gambar 2.3 Aliran angin melalui silinder dengan luas A ... 8

Gambar 2.4 Pengaruh nilai k dan c terhadap karakteristik distribusi Weibull ... 10

Gambar 2.5 Instalasi Turbin Angin ... 13

Gambar 2.6 Instalasi HAWT ... 14

Gambar 2.7 Rotor Darrieus VAWT (a), Rotor Savonius VAWT (b) ... 15

Gambar 2.8 Sudut serang dan garis chord Airfoil ... 16

Gambar 2.9 Transformasi gaya lift dan drag ke dalam torsi dan gaya thrust... 17

Gambar 2.10 Perbandingan Cp dengan tip speed ratio airfoil NACA dengan airfoil Nrel ... 21

Gambar 2.11 Diagram kecepatan dan tekanan angin sebelum, selama, dan setelah melewati turbin angin ... 23

Gambar 2.12 Sudut kecepatan angin ... 24

Gambar 2.13 Diagram alir kerugian tip... 25

Gambar 2.14 Windmill Brake State Performance ... 27

Gambar 2.15 Diagram alir perhitungan analisis BEM ... 28

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 30

Gambar 4.1 Pantai Pandansimo Yogyakarta ... 32

Gambar 4.2 Pantai Wisata Suwuk Kebumen ... 33

Gambar 4.3 Grafik fungsi distribusi Weibull ... 37

Gambar 4.4 Grafik fungsi distribusi kumulatif Weibull ... 37

Gambar 4.5 Grafik potensi energi angin ... 38

Gambar 4.6 Grafik perandingan Cp airfoil NACA 23012, NACA 4412, NREL S822, NREL S33 ... 47

(13)

commit to user

xv

Gambar 4.7 Penampang hub ... 49

Gambar 4.8 Diagram benda bebas penampang hub akibat gaya berat.. 51

Gambar 4.9 Diagram benda bebas penampang hub akibat gaya sentrifugal ... 53

Gambar 4.10 Diagram benda bebas poros ... 54

Gambar 4.11 Pasak... 57

Gambar 4.12 Flange hub rotor ... 59

Gambar 4.13 Generator ... 63

Gambar 4.14 Grafik Power Generator ... 65

Gambar 4.15 Flexible coupling... 66

Gambar 4.16 Gaya tahan pada karet bushes ... 68

Gambar 4.17 Momen bantalan potongan x-x ... 69

Gambar 4.18 Diagram Benda Bebas Tower ... 72

Gambar 4.19 Tower Hidrolik... 73

Gambar 4.20 Desain 3D Rotor Turbin Angin ... 74

Gambar 4.21 Desain 3D Rotor Turbin Angin tampak samping ... 74

Gambar 4.22 Desain 3D Rotor Turbin Angin total ... 75

(14)

commit to user

xix

DAFTAR SIMBOL

a

-

Faktor gangguan aksial

a’

-

Faktor gangguan tangensial

A

m^2

Luas, daerah sapuan

blade

turbin angin

B

-

Jumlah

blades

C

D

-

Koefisien

Drag

C

L

-

Koefisien

Lift

C

P

-

Koefisien Daya

C

y

-

Koefisien gaya aksial

C

x

-

Koefisien gaya tangensial

C

m

Panjang

Chord

C

m/s

Parameter kecepatan angin

( )

-

Probabilitas kecepatan angin

( )

-

Distribusi kumulatif kecepatan angin

F

a

N

Gaya aksial pada rotor

F

L

N

Gaya

Lift

F

D

N

Gaya

Drag

F

t

N

Gaya tangensial pada rotor

k

-

Parameter keadaan angin

P

blade

W

Daya yang dihasilkan rotor

r

m

Jari-jari terhadap potongan

blade

R

m

Jari-jari rotor

T

Nm

Torsi

T

h

N

Thrust

u

m/s

Tangential Wind Speed in Rotor Plane

V

m/s

Kecepatan angin pada bidang Rotor

V

1

m/s

Kecepatan angin

Upstream

Rotor

V

3

m/s

Kecepatan angin

Downstream

Rotor

w

m/s

Kecepatan angin

Relative

(15)

commit to user

xx

α

deg

Angle of Attack

β

deg

Pitch Angle

dari

Blade

terhadap bidang Rotor

φ

deg

Angle of Relative Wind

terhadap bidang Rotor

ω

s-1

Kecepatan Angular Rotor

ρ

kg/m

3

Kerapatan Udara

-

tip speed ratio

(16)

commit to user

xxi

DAFTAR AKRONIM

BEM

Blade Element Momentum

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine

NACA

National Advisory Committee for Aeronautics

NREL

National Renewable Energy Laboratory

VAWT

Vertical Axis Wind Turbine

(17)

commit to user

xvi

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Pengelompokkan potensi energi angin, pemanfaatan dan

lokasi Potensial ... 1

Tabel 2.1 Daya per satuan luas tersedia dari angin kondisi steady .... 5

Tabel 4.1 Frekuensi kecepatan angin selama 2 tahun... 34

Tabel 4.2 Nilai karakteristik distribusi weibull ... 36

Tabel 4.3 Nilai dan ... 36

Tabel 4.4 Potensi Energi angin 2 tahun ... 39

Tabel 4.5 Karakteristik Airfoil ... 41

Tabel 4.6 Geometri Blade ... 43

Tabel 4.7 Spesifikasi Generator ... 63

Tabel 4.8 Power keluaran Generator ... 64

(18)

commit to user

xviii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Perhitungan Blade Element Momentum airfoil NACA 4412 Lampiran 2 Perhitungan Kecepatan Angin (1 Januari 2014)

Lampiran 3 Tabel standar ukuran pasak

Lampiran 4 Tabel standar ukuran safety factor

Lampiran 5 Tabel harga nilai X dan Y untuk bearing beban dinamik

Lampiran 6 Tabel kekuatan material

Lampiran 7 Tabel standar ukuran pipa

Lampiran 8 Tabel Material baut

Lampiran 9 Bearing