PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN
SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER 3,5
METER
TUGAS SARJANA
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh
Adi Andriyanto
13102131
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
Adi Andriyanto
Program Studi Teknik Mesin 13102131
Fakultas Tenik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung
Abstrak
Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber daya energi fosil serta efek negatif yang ditimbulkan 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 dipilih dalam tugas sarjana ini adalah turbin angin sumbu horizontal tiga sudu berdiameter 3,5 meter upwind dengan pengarah ekor. 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 perancangan dan eksperimental. Perhitungan menggunakan program komputer dilakukan untuk memprediksi kondisi aliran pada penampang airfoil sudu dan memperkirakan sudut serang optimum untuk menghasilkan rasio lift/drag terbesar. Simulasi aliran juga digunakan untuk memprediksi kondisi aliran pada rotor, nilai torsi rotor, nilai pembebanan pada rotor akibat kondisi aliran tersebut, dan memprediksikan nilai sudut pitch optimum pada kondisi operasi tertentu dan bentuk geometri sudu tertentu.
Pengujian kinerja turbin angin dilakukan untuk mendapatkan karakteristik daya turbin angin terhadap kecepatan angin dan memperoleh nilai cut in speed turbin angin.
Final Project
Title Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter
3,5 meter
Adi Andriyanto
Major Mechanical Enginering 13102131
Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung
Abstract
The increasing of energy need, limitation of fossil energy resource, and environmental negative effects of using fossil energy resource cause to be necessary to use renewable energy resources. Wind energy is one of many kind renewable energy resources.
Wind energy can be extracted by using of wind turbine. The type of wind turbine in this final project is 3.5 meters of diameter three blades horizontal axis upwind wind turbine with tail. The design process tends to manufacturability aspect and wind turbine performance to extract wind power.
The research method is combination of experimental and design. Computer program calculation is used to predict flow condition through airfoil cross section and to predict optimum angle of attack that provides the highest lift to drag ratio. Flow simulation is also used to predict flow condition through the wind turbine rotor, value of rotor torque, loading condition of rotor, and to predict maximum pitch angle at determined operation condition.
Wind turbine performance testing is performed to get the power versus wind speed characteristic curve of wind turbine and to get cut in speed value.
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji dan syukur hanya bagi Allah SWT atas karunia-Nya yang tidak terbatas. yang telah memberikan kemudahan dalam proses pengerjaan laporan tugas sarjana ini. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Nabi Muhammad saw, keluarganya, para sahabatnya, dan para pengikutnya hingga akhir zaman.
Terima kasih kepada ayah dan bunda atas kasih sayang, sokongan, dan perhatiannya yang tulus dan tidak pernah putus sejak penyusun berada dalam kandungan hingga laporan tugas sarjana ini selesai dibuat, juga doa yang dipanjatkan setiap saat. Tidak lupa terima kasih juga untuk adik-adik yang memotifasi dan mendoakan.
Tugas sarjana ini dapat dilaksanakan berkat dukungan dan keterlibatan banyak pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Kemas Rifian yang telah membimbing dengan sangat baik dan memberikan fasilitas pengerjaan tugas sarjana.
2. Bapak I Made Astina selaku kordinator tugas sarjana Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung.
3. Bapak Suryana yang telah membantu kebutuhan administrasi tugas sarjana. 4. Rekan-rekan lab gambar yang membantu pembuatan turbin angin diantaranya
Sucipto, Bambang Ismail, Adi Rahadian, Rukmin, Alex, dan rekan lainnya. 5. Staf Departemen Teknik Mesin yang menemani pengerjaan tugas sarjana
diantaranya bapak Ridwan, bapak Dede, bapak Usep, bapak Jupri, bapak Ade, bapak Ian, bapak Edi dan staf lainnya.
6. Martha Noviantini atas doa dan dukungannya.
Penulis menyadari adanya kesalahan dalam penulisan laporan kerja praktek ini, oleh karenanyapenulis mohon maaf atas ketidaksempurnaan yang mungkin terkandung dalam laporan. Penulis juga mohon saran dan kritik agar kekurangan yang ada bisa diperbaiki. Akhirnya penulis mengharap agar laporan kerja praktek ini dapat memberikan manfaat kepada banyak pihak.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR i
DAFTAR ISI ii
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 5
Bab II Tinjauan Pustaka 7
2.1 Energi Angin 7
2.1.1 Asal Energi Angin 7
2.1.2 Pengukuran Angin 7
2.1.3 Pengaruh ketinggian instalasi terhadap kecepatan angin 8 2.1.4 Dimana Sebaiknya Menempatkan Turbin Angin 9
2.2 Jenis-Jenis Turbin Angin 11
2.2.1 Turbin Angin Sumbu vertikal 12
2.2.2 Turbin Angin Aksial 13
2.3 Prinsip Konversi Energi Angin 15
2.3.1 Teori Momentum Elementer Betz 15
2.3.2 Koefisien Daya 18
2.3.3 Gaya Aerodinamik Pada Rotor 20
2.4 Merancang Rotor 21
2.4.1 Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu 21
2.4.2 Tip speed ratio 22
2.4.3 Profil Airfoil 23
2.4.4 Geometri Sudu 24
2.4.5 Fenomena Stall 26
2.5 Analisis Aliran Dengan Fluent 27
2.5.1 Pembuatan Grid dengan Gambit 28
2.5.2 Analisis aliran dengan fluent 28
2.6 Sistem Transmisi Daya 29
2.6.1 Pemilihan Sistem Transmisi Daya 29
2.7 Perancangan Konstruksi Turbin Angin 30
2.7.1 Sudu 31 2.7.2 Batang sudu 31 2.7.3 Hub 31 2.7.4 Generator 32 2.7.5 Rangka/base 33 2.7.6 Ekor 33 2.7.7 Menara 33 2.7.8 Yaw mechanism 34 2.7.9 Hidung 34 2.8 Sistem Kelistrikan 35
2.8.1 Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan 35
2.8.2 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai 36 2.8.3 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan Tanpa Baterai 36
2.8.4 Sistem Kelistrikan Tanpa Baterai 37
Bab III Perancangan Turbin Angin 3 Sudu 38
3.1 Metode Penelitian 38
3.1.1 Tahapan Penelitian 38
3.2 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin 39
3.2.1 Menentukan Kecepatan Angin Nominal 39
3.2.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor 40
3.3 Perancangan Rotor 41
3.3.1 Diameter Rotor 41
3.3.3 Pemilihan Bahan untuk Komponen-Komponen Rotor 42 3.3.4 Batasan Profil Airfoil Berdasarkan Keterbuatan 42
3.3.5 Simulasi Profil Airfoil 43
3.3.6 Pemilihan Bentuk Sudu 44
3.3.7 Perancangan Geometri Sudu 44
3.4 Pemodelan Geometri dengan Program Gambit 45
3.5 Pemodelan Aliran dengan Fluent 46
3.5.1 Pemilihan Formulasi Simulasi Aliran 47
3.5.4 Nilai Sudut Pitch Optimum 47
3.5.5 Momen Torsi pada Sumbu Sudut Pitch 49
3.6 Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin 49
3.6.1 Rotor 50
3.6.2 Permanen Magnet Generator (PMG) 52
3.6.3 Base dan Yaw mechanism 54
3.6.4 Side Furling 55
3.6.5 Ekor 56
3.6.6 Sistem Pengereman 57
3.6.7 Tiang dan Mekanisme Pendirian 58
3.6.8 Nacelle 58
3.6.9 Data Komponen 59
3.6.10 Perakitan Turbin Angin 60
Bab IV Analisis dan Pengujian 61
4.1 Analisis Simulasi Aliran pada Profil Airfoil 61 4.1.1 Data Hasil Perhitungan Simulasi Aliran pada Profil Airfoil 61
4.1.2 Pemilihan sudut pitch 62
4.2 Analisis Simulasi Aliran pada Rotor 66
4.2.1 Data Perhitungan Simulasi Aliran 66
4.2.2 Pemilihan Sudut Pitch Sudu 67
4.2.3 Pengaruh Sudut Pitch terhadap Keluaran Daya 67
4.2.4 Analisis Kondisi Aliran pada Rotor 68
4.2.5 Kondisi Pembebanan Pada Rotor 68
4.3 Pengujian Kinerja Turbin Angin 69
4.3.1 Perlengkapan Pengujian 70
4.3.2 Prosedur pengujian 72
4.3.3 Data Hasil Pengujian 73
4.3.4 Analisis Pengujian 77
Bab V Kesimpulan dan Saran 81
5.1 Kesimpulan 81
5.2 Saran 82
DAFTAR PUSTAKA 83
LAMPIRAN-LAMPIRAN 85
LAMPIRAN-A Model rotor turbin angin dalam Fluent 85
LAMPIRAN-B Foto-foto pengujian 86
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 (m)
vw Kecepatan angin (m/s)
n Kecepatan putaran rotor (rpm)
ω Kecepatan sudut (rad/s)
α Sudut serang (°)
β Sudut pitch 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
CD Koefisien drag
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Flagging, vegetasi menentukan kelas kekuatan angin 8
Gambar 2.2 Pengaruh ketinggian terhadap daya 9
Gambar 2.3 Daerah gangguan turbulensi angin oleh bangunan 11 Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal 13 Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind 14 Gambar 2.6 kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas 17 Gambar 2.7 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara 19 Gambar 2.8 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara 21 Gambar 2.9 Nilai koefisien daya dan tip speed ratio berbagai turbin angin 23
Gambar 2.10 Fenomena stall 26
Gambar 2.11 Struktur dasar Fluent 27
Gambar 2.12 Sistem kelistrikan lepas jaringan 35 Gambar 2.13 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai 36 Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai 37
Gambar 2.15 Sistem kelistrikan tanpa baterai 37
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan dan pembuatan turbin angin 39 Gambar 3.2 Profil airfoil untuk penampang sudu 43
Gambar 3.3 Penampang badan sudu 46
Gambar 3.4 Turbo volume setelah melalui proses meshing 46 Gambar 4.1 Rasio lift/drag terhadap sudut serang 62 Gambar 4.2 Kontur tekanan statik pada sudut serang 5° dengan 64 Gambar 4.3 Kontur Energi kinetik turbulensi (m2/s2) pada sudut serang 5° 64 Gambar 4.4 Kontur Tekanan statik pada sudut serang 20° 65 Gambar 4.5 Kontur energi kinetik turbulensi (m2/s2) pada sudut serang 20° 65 Gambar 4.6 Diagram alir pengujian turbin angin 70 Gambar 4.7 Multimeter (AVOmeter) dan beban listrik berupa lampu 71
Gambar 4.8 Instalasi turbin angin 71
Gambar 4.10 Grafik tegangan output pada kondisi tanpa pembebanan 74 Gambar 4.11 Data pengukuran daya dengan beban 27 W dan 47 W 76
Gambar 4.12 Data pengukuran putaran 77
Gambar A Model rotor turbin angin dalam Fluent 85
Gambar B.1 Pemasangan instalasi turbin angin 86
Gambar B.2 Kegiatan pencatatan data pengujian 86
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Indeks deformasi Griggs-Putnam 8
Tabel 3.1 Daya rotor maksimum pada diameter 3,5 meter 40
Tabel 3.2 Spesifikasi turbin angin 41
Tabel 3.3 Variabel yang digunakan dalam simulasi profil airfoil 43
Tabel 3.4 Distribusi Panjang Chord 45
Tabel 3.5 Formulasi yang digunakan dalam simulasi aliran 3D rotor 47 Tabel 3.6 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun 48
Tabel 3.7 Spesifikasi PMG Ginlong 53
Tabel 3.8 Daftar komponen turbin angin 59
Tabel 4.1 Data hasil simulasi aliran pada profil airfoil 61 Tabel 4.2 Data hasil perhitungan simulasi aliran pada rotor 66 Tabel 4.3 Torsi, gaya aksial, dan keluaran daya rotor 68
Tabel 4.4 Perlengkapan pengujian 70
Tabel 4.5 Data pengukuran tegangan tanpa beban 74 Tabel 4.6 Data pengukuran pada pembebanan 27 W 75 Tabel 4.7 Data pengukuran pada pembebanan 47 W 75 Tabel 4.8 Data pengukuran putaran rotor terhadap kecepatan angin 76
