RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL UNTUK PENGISIAN BATERAI RADIO TRANSMITTER
TELEMETRY
TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada
Universitas Muhammadiyah Malang untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Teknik Mesin
OLEH :
MAS’UD FADCHUR ROCHMAN 201510120311056
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2019
ix
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’alah yaitu pemilik alam semesta dan dengan segala isinya. Atas rahmat-Nya dan hidayah-Nya yang telah dicurahkan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan
yang berjudul “RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SUMBU
VERTIKAL UNTUK PENGISIAN BATERAI RADIO TRANSMITTER TELEMETRY”, guna memenuhi persyaratan untuk menyelesaikan program starta 1 (S1) pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang.
Tugas akhir ini tidak akan tersusun tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak dalam segi moril maupun materil. Oleh karena itu segala ungkapan terima kasih dipersembahkan kepada:
1. Kedua orang tua saya, Bapak Rasikum dan Ibu Ngatinem yang selalu memberikan doa, restu, semangat serta bantuan material bagi penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
2. Bapak Ir. Trihono Sewoyo, MT. selaku dosen pembimbing I yang selalu memberikan saran, nasehat, semangat, dan perbaikan selama penyusunan tugas akhir ini.
3. Bapak Budiono, S.Si., MT. selaku dosen pembimbing II yang sangat membantu didalam memberikan bimbingan serta arahan dalam menyelesaikan tugas akhir.
4. Jajaran dosen dan staf Jurusan Teknik Mesin yang namanya tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah mengajar dan memberi bantuan kepada penulis selama pendidikan di Universitas Muhammadiyah Malang.
5. Teman-teman bimbingan yang selalu memberikan saran dan dukungan didalam penyusunan tugas akhir ini.
6. Keluarga besar Himpunan Mahasiswa Mesin (HMM) yang selalu memberikan motivasi dan dukungan dalam penyelesaian tugas akhir ini.
7. Keluarga Besar IKAMA LUTIM (Ikatan Keluarga Mahasiswa Luwu Timur) yang selalu memberikan bantuan, dukungan dan motivasi didalam penyusunan tugas akhir ini.
x
Dalam tugas akhir ini, diharapkan semoga memberikan banyak manfaat baik penulis sendiri ataupun bagi pembaca yang khususnya mahasiswa Universitas Muhammadiyah Malang.
.
Malang, 19 Oktober 2019 Penulis
Mas’ud Fadchur R.
vii
ABSTRAK
Fadchur, Mas’ud. 2019. Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Vertikal untuk Pengisian Baterai Radio Transmitter Telemetry. Tugas akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang.
Pembimbing: I. Ir. Trihono Sewoyo, MT., II. Budiono, S.Si., MT.
Kata Kunci: Turbin Angin, Baterai, Tegangan, Radio Transmitter Telemetry Penggunaan teknologi wireless atau nirkabel banyak diaplikasikan pada berbagai produk yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari, dalam pengoprasiannya membutuhkan sumber energi listrik yang berasal dari baterai, namun jika digunakan secara terus- menerus energi baterai akan habis oleh karena itu dibutuhkan sumber energi baru terbarukan yang dapat melakukan pengisian pada baterai, salah satunya memanfaatkan energi angin dengan menggunkan turbin angin. Penelitian ini merupakan salah satu bagian dari perancangan anemometer akusisi data, dengan melakukan pengembangan turbin angin sumbu vertikal untuk penyuplai energi pada radio transmitter telemetry yang merupakan komponen penting pada anemomater akusisi data. Dalam penelitian ini baterai dirancang mampu bertahan selama 168 jam untuk pengoprasian radio transmitter telemetry dan rancang bangun turbin angin sumbu vertikal untuk pengisian energi pada baterai. Dengan memilih baterai kering (accu) berkapasitas 12 V 5 Ah dengan beban alat 12 V 0,12 A, maka untuk bertahan selama 168 jam dibutuhkan 5 baterai dirangkai paralel.
Untuk sudu memakai tipe cup berjumlah 3 buah dan berdiameter 0,50 m. Data hasil pengujian turbin angin dapat menjelaskan bahwa kecepatan angin berbanding lurus dengan tegangan (V) yang dihasilkan, namun dalam pengujian ini tegangan yang dihasilkan belum sesuai yang direncanakan, sehingga dilakukan pengujian pada generator dan dengan menggunakan metode ekstrapolasi didapatkan kecepatan putar generator sebesar 1016,91 rpm untuk mencapai tegangan 12 volt.
viii
ABSTRACT
Fadchur, Mas’ud. 2019. Design Of Vertical Axis Wind Turbine For Charging Radio Transmtter Telemetry Battery. Tugas akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang. Pembimbing: I. Ir.
Trihono Sewoyo, MT., II. Budiono, S.Si., MT.
Keyword : Wind Turbines, Battery, Voltage, Radio Transmitter Telemetry
The use of wireless technology is widely applied to a variety of products used in everyday life, in its administration requires an electrical energy source that comes from batteries, but if used continuously the battery energy will be depleted therefore new renewable energy sources are needed that can be charging the battery, one of which utilizes wind energy by using wind turbines. This research is one part of the design of the data acquisition anemometer, by developing a vertical axis wind turbine to supply energy to the radio transmitter telemetry which is an important component in the data acquisition anemometer. In this study the battery was designed to last 168 hours for the operation of radio transmitter telemetry and the design of a vertical axis wind turbine for charging energy in the battery. By choosing a 12 V 5 Ah dry battery (battery) with a 12 V 0.12 A tool load, to last for 168 hours 5 parallel batteries are needed. For blades using 3 types of cup and 0.50 m in diameter. Data from the wind turbine test results can explain that the wind speed is directly proportional to the voltage (V) produced, but in this test the resulting voltage is not as planned, so that the generator is tested and using the extrapolation method the generator rotational speed is 1016.91 rpm to reach a 12 volt voltage.
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
POSTER ... ii
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ... iii
LEMBAR ASISTENSI ... iv
LEMBAR SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIASI ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvi
DAFTAR GRAFIK ... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 5
1.3 Tujuan Penelitian ... 5
1.4 Batasan Masalah ... 6
1.5 Manfaat Penelitian ... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1 Penelitian Terdahulu ... 7
2.2 Angin ... 10
2.3 Kecepatan Angin ... 10
2.4 Kerugian Yang Ditimbulkan Angin ... 15
2.5 Turbin Angin ... 16
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 16
2.5.1.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal .... 17
xii
2.5.1.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Horizontal . 17
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 18
2.5.2.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 21
2.5.2.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 21
2.6 Pemilihan Tempat ... 23
2.7 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 24
2.7.1 Rotor ... 24
2.7.1.1 Sudu (blade) ... 24
2.7.1.2 Poros ... 25
2.7.2 Generator ... 25
2.7.3 Charger Controller ... 27
2.7.4 Penyimpan Energi ... 28
2.8 Perencanaan Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 28
2.8.1 Perhitungan Luas Rotor ... 28
2.8.2 Penentuan Daya Baterai ... 29
2.8.3 Daya Yang Dihasilkan Generator ... 29
2.8.4 Daya Yang Dihasilkan Turbin ... 30
2.8.5 Performance Coefisien Turbin ... 30
2.8.6 Tip Speed Ratio ... 31
2.8.7 Gaya Dorong ... 32
2.8.8 Kecepatan Linear Ujung Sudu (Tip Velocity) ... 32
2.8.9 Kecepatan Sudut (Angular Velocity) ... 32
2.8.10 Tegangan Bending Pada Sudu (σb) ... 32
2.8.11 Perhitungan Dimensi Poros Turbin ... 33
2.9 Metode Perancangan ... 33
BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ... 37
3.1 Perancanagan Alat ... 37
3.1.1 Daftar Persyaratan Desain ... 37
3.1.2 Identifikasi Masalah ... 40
3.1.3 Struktur Fungsi ... 42
3.1.4 Prinsip Kerja ... 43
3.1.5 Kombinasi dan Susunan Konsep ... 44
xiii
3.1.6 Pemilihan Konsep Varian ... 46
3.2 Desain Perangkat Keras ... 46
3.2.1 Cup Penangkap Angin ... 48
3.2.2 Bentuk Sudu Turbin ... 48
3.2.3 Rumah Poros ... 49
3.2.4 Penutup Body ... 50
3.2.5 Body Turbin ... 50
3.3 Proses Pengerjaan ... 51
3.3.1 Alat yang digunakan ... 51
3.3.2 Bahan yang digunakan ... 51
3.3.3 Proses Pengerjaan ... 52
3.3.4 Proses Finishing ... 56
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 58
4.1 Konsep Desain ... 58
4.2 Penentuan Daya Alat ... 58
4.3 Penentuan Kebutuhan Baterai ... 61
4.4 Penentuan Daya Generator ... 62
4.5 Perhitungan Dimensi Sudu Turbin ... 63
4.5.1 Kecepatan Linear Ujung Sudu (Tip Velocity) ... 64
4.5.2 Menghitung Jari-Jari Sudu (blade) ... 65
4.5.3 Gaya Dorong ... 66
4.5.4 Menghitung Tegangan Bending Sudu (σb) ... 66
4.5.5 Perhitungan Coefesien Performace (CP) Turbin ... 68
4.5.6 Perhitungan Dimensi Poros Turbin ... 69
4.6 Perhitungan Daya Poros Turbin ... 72
4.7 Daya yang Dihasilkan Generator ... 73
4.8 Pengujian Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ... 74
BAB V PENUTUP ... 80
5.1 Kesimpulan ... 80
5.2 Saran ... 81
xiv
DAFTAR PUSTAKA ... 83 LAMPIRAN
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Turbin Angin Vertikal Sudu Helix ... 2
Gambar 1.2 Rangkain Pengisian Daya Pada Baterai Untuk Pengoprasian Anemometer Akusisi Data ... 4
Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal... 17
Gambar 2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 19
Gambar 2.3 Turbin Darrieus ... 20
Gambar 2.4 Turbin Savoinus ... 21
Gambar 2.5 Bentuk Sudu Tipe Cup ... 25
Gambar 2.6 Bentuk Poros ... 25
Gambar 2.7 Generator ... 26
Gambar 2.8 Kaidah Tangan Kanan Fleming... 27
Gambar 2.9 Charger Controller ... 27
Gambar 2.10 Baterai Kering (accu) ... 28
Gambar 2.11 Diagram Alir Perancangan Menurut Pahl And Beitz ... 36
Gambar 3.1 Diagram Blok Fungsi Keseluruhan ... 42
Gambar 3.2 Diagram Blok Fungsi ... 43
Gambar 3.3 Prinsip kerja Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 44
Gambar 3.4 Layout Isometri Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ... 46
Gambar 3.5 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Vertikal tipe Cup... 47
Gambar 3.6 Cup Penangkap Angin ... 48
Gambar 3.7 Sudu Turbin angin tipe Cup ... 49
Gambar 3.8 Rumah Poros ... 49
Gambar 3.9 Penutup Body ... 50
Gambar 3.10 Body Turbin ... 50
Gambar 3.11 Cup Penangkap Angin ... 53
Gambar 3.12 Sudu Turbin Angin Tipe Cup ... 54
Gambar 3.13 Poros dan Generator ... 55
Gambar 3.14 Body Utama Turbin ... 56
Gambar 4.1 Pengukuran Arus ... 59
Gambar 4.2 Pengukuran Tegangan ... 60
Gambar 4.3 Rangkaian Paralel Baterai ... 62
xvi
Gambar 4.4 Gaya Angin Terhadap Sudu ... 65
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Skala Beaufort ... 11 Tabel 3.1 Daftar Persyaratan Spesifikasi Desain ... 37 Tabel 3.2 Kombinasi Sub-Fungsi yang Didasarkan pada Diagram Blok Sub- Fungsi ... 44 Tabel 4.1 Faktor Koreksi Berdasarkan Daya yang Akan Ditransmisikan ... 70 Tabel 4.2 Data Kecepatan Angin Terendah yang dapat Memutar Tubin
Angin ... 76 Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Turbin Angin ... 77 Tabel 4.4 Data Pengujian Generator ... 78
xviii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Pengujian Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ... 77 Grafik 4.2 Pengujian Generator ... 79
83
DAFTAR PUSTAKA
Amsor dan Iskandar R, “Performasi Turbin Angin Poros Vertikal Tipe Savonius 2 Tingkat untuk Pengisian Baterai sebagai Penerangan Lampu Perahu Nelayan Kota Padang”, Universitas Andalas, Padang 2017.
Anwar S,”Rancang Bangun Pembangkit Litrik Tenaga Angin pada Stasiun Pengisian ACCU Mobil Listrik”, Tugas Akhir Diploma Elektronika ITS, 2008.
Aytanto F, I Made M, dan Made N,”Pengaruh Kecepatan Angin dan Variasi Jumlah Sudu terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Horizontal”, Teknik Mesin Universitas Mataram, 2013.
Budiono,”Perancangan Perangkat Pengisian Battery Dengan Menggunakan Solar Panel”, Pusat Penelitian UMM, 2005.
Chairany dan Sugiyanto, “Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Savonius untuk Sistem Penerangan Perahu Nelayan”, Diploma III Teknik Mesin UGM.
Hau E, “Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, and Economics”, Edisi Kedua, Germany: Springer, 2006.
Laporan Kementrian Energi Dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia (ESDM) RI tahun 2017.
Putranto A, Andika P, dan Arief Z,”Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal untuk Penerangan Rumah Tangga”, Tugas Akhir Diploma III Teknik Mesin UNDIP, 2011.
Sewoyo T,”Perancangan Turbin Angin dengan Sudu Tipe Helix untuk Pengisian Battery”, Laporan penelitian, Puskareka FT-UMM, 2008.
Sularso dan Kiyokatsu Suga,”Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin”, Cetakan kesebelas (Hal. 6-10), 2004.
Tim peneliti Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)
