Wind turbine design Di Indonesia

(1)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dewasa ini penggunaan energi listrik diperlukan sekali oleh masyarakat yang sudah maju maupun yang sedang berkembang dalam skala yang besar, namun diusahakann dengan biaya yang serendah mungkin. Di Indonesia sendiri energi alternatif tersedia banyak sekali untuk menghasilkan energi listrik. Salah satu contoh energi alternatif yang dapat dipilih adalah angin, karena angin terdapat dimana-mana sehingga mudah didapat serta tidak terlalu membutuhkan biaya yang besar. Beberapa wilayah di Indonesia disinyalir dapat berkontribusi besar terhadap penggunaan pembangkit listrik tenaga bayu/angin (PLTB). PLTB perlu dikembangkan terutama daerah pantai atau laut, yang memiliki kecepatan angin yang stabil. Energi angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan kincir angin atau wind turbine.

Pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan rasio cadangan/produksi pada tahun tersebut. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga di hampir semua negara berpacu untuk membangkitkan energi dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan. (DESDM, 2005)

(2)

(LAPAN) pada 120 lokasi menunjukkan, beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/detik, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa.

Tabel 1.1 Pengelompokkan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi potensial

KELAS Kec. Angin (m/s)

Daya Spesifik

(W/m2₎ Kapasitas_(kW) Lokasi

Skala Kecil 2,5 – 4,0 < 75 s/d 10 Jawa, NTB, NTT, Skala Besar > 5,0 >150 >100 Sulsel, NTB, NTT,

Panta Selatan Jawa (LAPAN, 2005)

Cara kerjanya adalah ketika angin berhembus angin akan menbuat rotor berputar karena efek dari bentuk penampang rotor yang berbentuk foil. Kemudian poros rotor tersebut tersambung dengan poros generator. Karena energi listrik tidak dapat dihasilkan secara langsung oleh alam maka untuk memanfaatkan angin ini diperlukan sebuah alat yang bekerja mengkonversikan energi mekanik angin menjadi energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir angin (wind turbine). Kincir angin ini akan menagkap energi angin dan menggerakan generator yang nantinya akan menhasilkan energi listrik. Kincir angin yang akan kami rancang adalah kincir angin dengan poros vertikal dengan jenis Savonius dan jenis Giromill. Sebuah kincir angin dapat ditingkatkan efisisensinya untuk mendapatkan koefisien daya yang maksimal.

Koefisien daya yang maksimal ini akan meningkatkan jumlah daya (watt) yang dihasilkan sehingga untuk menghasilkan daya tertentu cukup dengan menambah atau mengurangi jumlah sudu pada kincir angin.

1.2 Tujuan

Tujuan dilakuakan perancangan kincir angin (wind turbine) ini adalah sebagai berikut:

a. Sebagai pemenuh mata kuliah tugas perancagan

b. Untuk meningkatkan dan mengembangkan kreatifitas mahasiswa dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi (IPTEK)

c. Untuk memperkenalkan energi alternatif kepada masyarakat di Indonesia d. Memahami koefisien daya yang dihasilkan kincir

(3)

f. Mengetahui daya yang dihasilkan dari dua buah kincir angin sumbu vertikal dengan jenis yang berbeda.

1.3 Metodologi Perancangan

Gambar 1.1 Diagram Alir Metodologi perancangan Studi Literatur

Perencanaan Mekanisme Gerak

Pengukuran dimensi pabrikan seperti generator bearing, dan rotor

Penggambaran komponen-komponen pada Inventor / Solid Works dan diasembling

Verivikasi mekanisme gerak dan komponen apakah bermasalah dengan model

nyata

No

Ya

Melakukan Pengujian

(4)

1.4 Sistematika Penulisan

Laporan tugas perancangan ini dibagi menjadi 5 bab. Bab pertama berisi tentang pendahuluan yang menjelaskan perihal dilaksanakanya tugas perancangan ini meliputi latar belakang masalah, tujuan dilaksanakan perencanaan kincir angin, metodologi penulisan yang digunakan serta sistematika penulisan yang kami gunakan.

Bab kedua berisi mengenai dasar teori yaitu menjelaskan mengenai teori yang berkaitan dengan vertical wind tubine terutama jenis Savonius dan jenis Giromill.

Bab ketiga berisi tentang proses perancangan. Di dalam bab tiga ini akan dijelaskan proses perancangan mulai dari perhitungan sampai pada tahap penggambaran komponen kincir angin dan penggabungan (assembling).

Bab ke empat berisi tentang pembahasan dan hasil pengujian vertical wind turbine jenis Savonius dan jenis Giromill.

(5)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Definisi Angin

Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan rendah. Apabila dipanaskan, udara memuai. Udara yang telah memui menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, tekanan udara turun karena udaranya berkurang. Udara dingin disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dikarenakan konveksi.

Gambar 2.1 Foto satelit gerakan angin. (Wikipedia, 2015)

Tenaga angin menunjuk pada pengumpulan energi yang berguna dari angin. Pada tahun 2005, kapasitas energi generator tenaga angin adalah 58.982 MW, hasil tersebut kurang dari 1% pengguna listrik dunia. Meskipun masih berupa sumber energi listrik minor dikebanyakan Negara, penghasil tenaga angin lebih dari empat kali lipat antara 1999 dan 2005.

(6)

Gambar 2.2 Peta energi angin di Indonesia (http://energialternatif.wordpress.com)

2.2 Asal Energi Angin

Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil, kecuali energi pasang surut dan panas bumi berasal dari matahari. Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 Kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi ini menerima daya 1,74 x 1.017 watt. Sekitar 1-2% dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka bumi.

Sebagaimana diketahui pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur atara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar katulistiwa yaitu busur 00_{adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari matahari}

dibanding daerah lainnya di Bumi.

Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 km dan akan tersebar kearah utara dan selatan.

(7)

Tabel 2.1 Kondisi Angin

(http://www.kincirangin.info/pdf/kondisi-angin.pdf)

2.3 Definisi Turbin Angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak digunakan di Denmark, Belanda, dan Negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. walaupun sampai saat ini penggunaan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Co: PLTD, PLTU, dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Co: batubara dan minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.

(8)

dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibelakang bagian turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Secara sederhana sketsa kincir angin adalah sebagai berikut:

Gambar 2.3 Sketas Sederhana Kincir Angin (http://2.bp.blogspot.com/2015/10/14/)

2.4 Jenis Turbin Angin

2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox

yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.

(9)

Gambar 2.4 Turbin Angin Sumbu Horizontal

(http://mudothink.blogspot.co.id/2015/03/pembangkit-listrik-energi-bayu.html)

Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH):

a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.

Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH):

a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

b. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.

c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.

d. TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.

e. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan landskape.

f. Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.

2.4.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

(10)

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida bisa saja tercipta pada saat kincir berputar.

Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak (turbulen) yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira – kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.

Turbin angin sumbu vertikal dalam menghasilkan energi listrik cenderung lebih rendah bia dibandingkan dengan turbin angin bersumbu horizontal. Hal ini terjadi karema secara teknis karakteristik coefisien daya (Cp) sudu dari turbin angin datar pada umumnya lebih rendah dibandingkan jika menggunakan profil sudu propeller. Dan pada kasus-kasus tertentu beberaoa turbin angin jenis ini tidak dapat beroperasi sendiri, sehingga membutuhkan motor kecil untuk menghidupkannya.

2.5 Jenis – Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal

Terdapat tiga jenis turbin angin bersumbu vertikal : 2.5.1 Savonius

(11)

Gambar 2.5 Turbin Angin Sumbu Vertikal Jenis Savonius

2.5.2 Darrieus

Turbin angin Darrius merupakan salah satu tipe turbin angin poros tegak yang menggunakan sudu profil propeller. Dalam aplikasinya turbin angin darrius pada umumnya memerlukan kecepatan angin awal yang lebih tinggi untuk start up. Dengan kondisi demikian, seringkali tipe turbin angin darrius memerluan penggerak mula (prime mover) untuk start up, dan penggerak mula aka berhenti setelah dicapai batas minimum untuk menggerakan turbin secara mandiri.

Gambar 2.6 Turbin Angin Sumbu Vertikal Tiper Darrieus

(12)

2.5.3 Giromill

Turbin angin Girromill mempunyai konstruksi dan karakteristik yang mirip dengan tipe Darrius, bedanya hany pada posisi rotor dimana untuk turbin angin Giromill, sudu sama – sama menggunakan profil propeller dan dipasang tegak sejajar dengan poros. Sedangkan pada tipe darrius , sudu propeller dipasangkan melengkung . Keduanya dalam aplikasinya turbin angin darrius pada umumnya memerlukan kecepatan angin awal yang lebih tinggi untuk start up dan kadangn memerlukan penggerak mula (prime mover) untuk start up, dan penggerak mula aka berhenti setelah dicapai batas minimum untuk menggerakan turbin secara mandiri.

Gambar 2.7 Turbin Angin Sumbu Vertikal Tiper Giromill

Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV): a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

b. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

c. TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

d. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkaran TASH.

e. YASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10 km/jam (6 m.p.h)

(13)

rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak disaat angin berhembus (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit).

i. TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah. j. Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.

Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal:

a. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir angin berputar.

b. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.

c. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

d. Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyangganya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meninggatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.

2.6 Analisa Angin dan Desain Kincir Angin Sumbu Vertikal

2.6.1 Perhitungan Luas Rotor

Yang pertama kali ditentukan ialah dimensi turbin. Dimensi turbin akan mempengaruhi banyaknya angin yang akan diterima untuk menghasilkan energi. Namun sebelum masuk ke dimensi, kita tentukan terlebih dahulu berapa daya yang akan kita rencanakan. Perencanaan daya ini adalah suatu masalah dan akan diselesaikan dengan analisa-analisa matematis. Merancang turbin bukan hal yang sembarangan. Setelah masalah didapatkan maka solusi mulai dicari dengan diawali mencari dimensi turbin rotor. Ada parameter-parameter yang harus kita tentukan terlebih dahulu, antara lain :

(14)

Setelah ditentukan parameter-parameter di atas, kemudian mulai menentukan luas rotor dengan menggunakan persamaan di bawah ini.

Ptot=₂1_g cρA Vi

3

(2.1)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.)

Dimana:

Ptot = Daya yang direncakan

gc = faktor konversi

ρ = Massa jenis udara 1.23 kg/m3

A = Luas rotor

V = kecepatan aliran angin

2.6.2 Perhitungan Tenaga Maksimum Turbin

Setiap turbin memiliki kemampuannya masing-masing. Tidak mungkin dipaksakan untuk mencapai apa yang kita inginkan. Namun tenaga maksimum turbin juga tidak sembarangan ditentukan, harus melalui perhitungan matematis. Persamaan yang digunakan adalah

Pma x=₂₇8_g cρA Vi

3

(2.2)

Pmax _{= tenaga maksimu turbin}

2.6.3 Perhitungan Efisiensi Teoritis

Semua hal di dunia ini tidak mungkin bekerja dengan efisiensi 100%, pasti harus ada yang dikorbankan. Pengorbanan tersebut untuk mencapai kebutuhan yang diinginkan. Secara teoritis perhitungannya menggunakan :

ɳturbin= Pmax

Ptot (2.3)

ɳturbin = efisiensi teoritis turbin

2.6.4 Perhitungan Dimensi Sudu

(15)

L=D x t (2.4)

L = Luas rotor D = Diameter turbin T = tinggi turbin

2.6.5 Perhitungan Coefisien of Performance (Cp) Turbin

Koefisien daya merupakan perbandingan daya angin yang mampu diekstrak sudu turbin yang diukur dari besarnya energi listrik yang dihasilkan generator dengan daya angin teoritis. Koefisien daya (Cp) dikenal juga sebagai keefektifan rotor turbin dalam memanfaatkan energy kinetic angin. Sehingga dapat dirimuskan sebagai berikut :

CP=P/(1₂ρ V3A) (2.5)

Dimana,

Cp = koefisien daya

P = daya yang direncanakan

ρ = massa jenis udara 1.1514 kg/m3

V = kecepatan aliran udara A = Luas rotor

2.6.6 Tip Speed Ratio (λ)

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu,

tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift

akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag. Tipe speed ratio dihitung dengan persamaan:

λ=ωr_v (2.6)

(16)

ω = kecepatan sudut ( 2π rad/s) r = jari-jari rotor turbin

v = kecepatan angin

2.6.7 Perhitungan Putaran Yang Dihasilkan Turbin

Dari TSR di atas kita akan mendapatkan putaran yang dapat dihasilkan oleh turbin. Pentingnya putaran dari turbin akan mempengaruhi besarnya daya yang akan dihasilkan. Berikut persamaan yang digunakan,

RPM = 60_πDλV (2.7)

Dimana :

RPM = banyak putaran yang dihasilkan λ = Tip Speed Ratio

V = kecepatan angin D = Diameter rotor

2.6.8 Torsi

Torsi adalah perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Namun kita juga bisa mendapatkan nilai torsi yang diibutuhkan dari nilai daya yang kita rencanakan. Yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

T=_πRPM30P

(2.8)

Dimana :

T = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm) P = daya yang direncanakan

2.6.9 Dimensi Poros (Pd)

Dalam memilih poros turbin juga tidak boleh sembarangan, semua ada aturannya. Dengan menggunakan persamaan :

(17)

Ketika :

P = daya yang direncanakan fc = faktor koreksi

untuk faktor koreksi kita bisa mengguanakan data berikut ini,

2.6.10 Tegangan geser

Tegangan geser merupakan salah satu penunjang faktor keamanan maka dari itu ini harus diperhatikan. Dengan rumus berikut kita dapat mengetahui tegangan geser yang diijinkan oleh material.

τa= τb

Sf1x Sf2 (2.9)

τa = tegangan geser ijin bahan (kg/mm2) τb = kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

Sf1 = faktor keamanan untuk batas keleahan puntir yang harganya 6,0 untuk

bahan S-C

Sf2 = faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan seperti adanya

alur pasak pada poros, harganya 1,3-3,0. Dalam perencanaan harga yang diambil

2.6.11 Momen Puntir

Momen puntir terjadi ketika shaft menahan gaya puntir dari rotor turbin. Seberapa kuatkah shaft atau poros menahan momen puntir, berikut cara mengetahuinya.

Mp = 9,74 x 105 Pd

(18)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.) Mp = momen puntir

Pd = daya rencana turbin angin terapung

N = putaran turbin rpm

2.6.12 Diameter Poros

Setelah mengetahui momen puntir dari poros maka sekarang kita menentukan diameter poros yang boleh digunakan pada turbin.

dp=[5.1_τ

a Kt.Cb.T]

1

3 _(2.11)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.) dp = diameter poros (mm)

τa = tegangan geser ijin bahan (kg/mm2)

Kt = faktor koreksi terhadap momen puntir yang besarnya 1.0 jika

dikenakan halus

1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan 1.5 – 3.0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan

Cb = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur yang

harganya 1.2 – 2.3

2.6.13 Pemilihan Bantalan A. Berat poros

Untuk menentukan bantalan yang akan dipakai sebelumnya kita harus mengetahui berat dari poros itu sendiri. Seperti inilah persamaannya,

Wp = ρp . Vp (2.12a)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.) Wp = berat poros

ρp = massa jenis bahan poros

B. Volume poros

(19)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.) Vp = volume poros

Lp = panjang poros

2.6.14 Kesetimbangan statik

Untuk menentukan bantalan bearing dari faktor gaya, maka yang harus diperhatikan adalah,

∈MA = 0, RB (1200) – Wp (10) = 0

RA + RB – WP = 0, (2.13a)

RA = WP – RB

Fr = RA

FA = WP

Penentuan Beban Ekivalen Statik dan Dinamik

Beban ekivalen statik diperoleh dari :

Po = Xo . F1 + Yo . Fa (2.13b)

Atau, Po = F1

Di mana :

Po = beban eqivalen statik (kg)

Xo = faktor radial = 0,6 karena ada gaya radial yang bekerja

Yo = faktor aksial = 0,5 untuk bantalan radial

Fa = gaya aksial, untuk bantalan pendukung poros

(20)

Di mana :

P = beban ekivalen dinamik (kg)

x = faktor radial, untuk roda radial beralur dalam baris tunggal adalah 0,6. v = viskositas = 1

Menentukan basic static load rating and dinamik load rating. Besar statik load rating adalah sebanding dengan beban ekivalen statik, sehingga : Co = Po

Sedangkan untuk basik dinamik load rating dapat diperoleh dari :

C = P × L1/3 _(2.13d)

Di mana :

C = basic dinamic load rating (kg) P = beban ekivalen dinamik

L = umur bantalan yang direncanakan dalam 4 tahun 35.040 jam

Setelah melewati beberapa kualifikasi di atas, maka bearing sudah dapat dipilih yakni dengan klasifikasi sebagai berikut :

Pemilihan bantalan

Berdasarkan dari

Diameter lubang (d) : xxx mm

Basic statik load rating : xxx kg

Basic dinamik load rating : xxx kg

Kecepatan putaran maximum (n) : ≥ xxx Rpm,

(21)

2.6.15 Perancangan Sudu Pengarah

Dalam merancang sudu pengarah ini, didasarkan pada ukuran dari dimensi rotor turbin. Adapun fungsinya yaitu untuk mengarahkan aliran angin ke sudu rotor turbin agar angin dapat diektrak efektif oleh rotor turbin. Adapun luas dari sudu pengarah yang direncanakan adalah:

Lsudu pengarah = 2 x Lrotor turbin (2.14)

Untuk perancangan turbin savonius kali ini kita menggunakan transmisi sistem Belt-Pulley. Tidak seperti biasanya yang menggunakan sistem roda gigi.

2.6.16 Penetapan Diameter Pulley V-Belt Data awal yang diketahui:

a. Diameter pulley penggerak (D1) = 50 mm b. Diameter pulley yang digerakkan (D2) = 8 mm c. Putaran pulley penggerak (n1) = 119 rpm d. Motor yang digunakan = 20 watt

n2=

D1x n1

D2 (4.15a)

(Napitupulu, Farel H dan Siregar, Surya. 2013. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius. Medan : Teknik Mesin USU.) Kemudian menghitung kecepatan keliling pulley penggerak

Vp=πx D₆₀₀₀₀1n1 (4.15b)

Setelah itu kita bisa menghitung gaya keliling yang timbul pada pulley penggerak.

F = 102_Vpx N (4.15c)

Tegangan yang timbul pada V-belt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

(22)

Dimana :

Ф = 0.9 faktor tarikan untuk V-belt (tetapan)

σ0 = 12 (kg/cm2) tegangan awal untuk V-belt (tetapan) (Ir. Wayan Barata, 1998)

Untuk dapat melakukan pemilihan V-bel t yang akan digunakan juga perlu mengetahui luas penampang V-belt yang kemudian digunakan untuk memilih jenis V-belt yang akan digunakan menggunakan tabel diameter V-belt.

A =Vp_K (4.15e)

Setelah diketahui luas penampang V-belt maka kita bisa memilih jenis V-belt yang akan kita pakai dalam sitem transmisi pada model turbin savonius ini. Untuk perhitungan reliability (umur pemakaian) V-belt tidak dihitung dikarenakan

perancangan ini hanya bertujuan untuk mengetahui apakah turbin dapat menghasilkan listrik atau tidak.

(23)

BAB III

PROSES PERANCANGAN

3.1 Pendahuluan

Dalam pembuatan satu mesin pada umunya, terutama mesin turbin, aspek desain memegang peranan yang sangat penting. Sebelum suatu alat dibuat dan diujikan, alat tersebut perlu didesain oleh perancangannya supaya dapat diketahui gambaran awal mengenai alat-alat tersebut. Dengan desain dapat diketahui bentuk alat, komponen komponen mesin yang digunakan, letak kelemahan, titik kritis, hubungan dengan mesin lain, dan mekanisme penggunaan alat ketika sudah jadi. Desain awal ini dapat menjadi pijakan untuk langkah berikiutnya dalam pembuatan alat.

Turbin angin memiliki beberapa komponen, seperti ; sudu rotor, hub, generator, mekanisme yaw, nacella, ekor turbin, dan tiang penyanggah. Komponen-komponen turbin angin dalam Tugas Perancangan ini dirancang dan dibuatka barangnya. Sedangkan generator yang digunakan sebagai penghasil energi listrik merupakan produk jadi yang berupa permanent magnet generator ( PMG) yang mempunyai spesifikasi khusus, sehingga kapasitas listrik dan dayanya sudah tertentu. Untuk mentransmisikan putaran dan torsi dari sudu rotor terhadap poros generator, pangkal rotor akan dihubungkan ke generator menggunakan pulley sehingga dapat menghasilkan energi listrik.

Pada perancangan ini kami mencoba menggabungkan antara dua jenis turbin dengan sudu yang berbeda yaitu tubin savionus dan turbin giromill. Hal ini dimaksudkan agar daya yang dihasilkan bisa berlipat ganda berdasarkan teori yang telah diasumsikan.

3.2 Perancangan Sudu

(24)

dengan poros. Gerak putar dari sudu akan diteruskan ke generator melalui pulley yang kemudian akan menghasilkan energi listrik. Oleh karena putaran pada sudu akan mempengaruhi dalam pembangkitan daya, maka konstruksi sudu pun harus dibuat sebaik mungkin.

Pada konstruksi turbin angin ini material yang digunakan untuk sudu adalah berbahan plastik. Selain karena segi ekonomis bahan tersebut juga ringan dan gampang dijumpai dipasaran. Dibandingkan dengan material logam yang sangat sulit untuk dibentuk berdasarkan bentuk airfoil dan harus di cutter dan alat serut

3.3 Proses Pembuatan

3.3.1 Alat dan bahan

3.3.1.1 Alat yang digunakan

Peralatan bantu yang digunakan adalah sebagai berikut:

a. Mesin bor.

Mesin bor digunakan untuk melubangin komponen-komponen yang akan dipasangi dengan mur dan baut.

b. Gunting plat.

Gunting plat digunakan untuk memotong selimut sudu turbin savonius yang terbuat dari bahan plastik yang cukup tebal (canoplastict).

c. Palu.

Palu digunakan untuk membantu dalam perakitan dan digunakan untuk memasang shaft ke dalam bearing.

d. Rol meter.

Rol meter merupakan stasiun listrik yang digunakan untuk power suply.

e. Mistar baja.

Mistar baja digunakan sebagai alat ukur dimensi.

f. Gergaji besi.

Gergaji besi digunakan untuk memotong kayu sesuai dengan dimensi yang sudah ditentukan.

(25)

Kunci ring digunakan untuk perakitan atau assembly alat. h. Kunci pas.

Kunci Pas digunakan untuk perakitan atau assembly alat. i. Kunci inggris.

Kunci inggris digunakan untuk perakitan atau assembly alat. j. Kunci shock.

Kunci shock digunakan untuk perakitan atau assembly alat. k. Tang.

Tang digunakan untuk mengencangkan mur pada bagian yang terdapat pemasangan mur dan baut.

l. Amplas.

Amplas digunakan untuk menghaluskan permukaan dudukan turbin yang terbuat dari kayu.

m. Lampu LED

Lampu LED digunakan sebagai indikator bahwa turbin dapat menghasilkan listrik dan menyalakan lampu.

n. Perlengkapan lainnya

3.3.1.2 Bahan yang akan dikerjakan

Bahan yang digunakan adalah sebagai berikut:

a. Besi pejal S45C. b. Pulley belt.

(26)

3.3.2.1 Pengerjaan Rangka Utama

1. Bentuk Rangka yang akan dibuat

Rangka dibuat sekuat mungkin berbentuk persegi panjang agar bisa menopang poros turbin dan tempat dudukan dari generator.

Gambar 3.1 Rangka penopang turbin

2. Langkah Pengerjaan

a. Mempersiapkan alat-alat yang akan digunakan, seperti, gergaji besi, gerinda, palu, dan mesin bor.

b. Memotong kayu segi empat sesuai ukuran yang sudah ditentukan, yaitu untuk penyangga poros turbin dan tingginya disesuaikan.

c. Menghaluskan bekas potongan dengan mesin gerinda agar hasil potongan tersebut tidak kasar.

d. Membuat penyangga horizontal bagian atas.

e. Membuat penyangga horizontal bagian bawah dan memaku tiap sudutnya f. Mengencangkan bagian penyangga vertikal di setiap sudut penyangga

segiempat bagian atas, kemudian mengelasnya dengan penyangga horizontal bagian bawah.

g. Membuat dan memasang alat ukur yang sudah terpasang pada dudukan, dengan cara dipotong sesuai ukuran dan dibor.

3.3.2.2 Pengerjaan Komponen Utama Turbin

1. Poros

(27)

center terhadap benda kerja. Setelah itu dipasang pahat ke dalam rumah pahat secara center. Dengan mengatur kecepatan mesin bubut yang sesuai, kemudian besi profil bulat tersebut dibubut dengan arah memanjang (dikurangi diameternya) sampai diameter yang dikehendaki dengan memberi toleransi agar diameter poros tersebut dapat masuk ke dalam lubang bantalan yang direncanakan. Setelah diameter yang diinginkan sesuai maka mesin bubut dimatikan, kemudian benda kerja yang ada ragum dilepas dengan menggunakan kunci shock.

Gambar 3.2 Poros (shaft) 2. Sudu

Pertama membuat mal dengan ukuran yang telah ditentukan yaitu sudu turbin dibuat dengan menggambar dua buah lingkaran dengan jari-jari r = 15 cm. Kemudian ujung salah satu lingkaran ditempatkan dibagian titik pusat lingkaran yang lainnya sehingga terbentuklah profil sudu turbin seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.2 di bawah. Diameter sudu turbin total yaitu sebesar 3r = 3 x 15 cm = 45 cm (0,45 m).

Gambar 3.3 Sudu turbin.

(28)

Sudu yang telah jadi, diperkuat dengan membuat kerangka yang ditempelkan pada belakang sudu menggunakan besi plat.

3. Lengan Sudu

Lengan sudu berfungsi untuk menopang profil atas dan bawah dari sudu. Lengan sudu dibuat dengan cara dari kayu untuk pemegang sudu yang diinginkan. Lengan sudu yang dibuat berjumlah 6 buah dengan ukuran tinggi 30 cm, panjang 25 mm dan lebar 10 mm. Pertama lengan sudu dibengkokkan sesuai ukuran yang diinginkan, kemudian dibor untuk penyambungan dengan sudu. Lubang tersebut berjumlah 2 buah pada setiap sudunya dengan diameter 4 mm.

(b) (b)

Gambar 3.4 (a) Lengan sudu tampak samping (b) Lengan sudu tampak atas.

4. Bantalan (bearing)

(29)

Gambar 3.5 Bantalan (bearing)

3.4 Proses Perakitan (assembly)

3.4.1 Diagram Alir Proses Perakitan (assembly)

Mulai

Menyiapkan komponen

Memasang pulley pada shaft

Memasang bantalan pada tengah rotor

Memasang poros (shaft)

Memasang rotor pada shaft

(30)

Gambar 3.6 Diagram alir Proses Perakitan

Proses perakitan merupakan suatu proses penggabungan komponen-komponen mesin atau bahan menjadi suatu kesatuan dengan memperhatikan urutan yang telah ditentukan, sehingga menjadi sebuah mesin yang siap digunakan sesuai yang diperhitungkan dan tujuan yang telah direncanakan.

Gambar 3.7 Assembly turbin angin savonius

Langkah awal untuk melakukan perakitan adalah melakukan pengecekan komponen-komponen yang hendak dirakit, menyiapkan alat bantu dalam perakitan komponen-komponen serta mempersiapkan langkah-langkah perakitan. Dengan langkah perakitan yang tepat akan mempermudah dan mempercepat proses perakitan itu sendiri serta menjamin keberhasilan rancangan.

3.4.2 Alat Bantu yang Digunakan

Peralatan bantu yang harus dipersiapkan dalam merakit komponen Turbin Angin adalah sebagai berikut:

a. Kunci ring 10, 12, 14. b. Kunci pas 10, 12, 14. c. Kunci inggris.

d. Obeng (+) dan (-).

Memasang belt pada

pulley

Memasang generator

Selesai

Full

(31)

e. Solder listrik. f. Palu.

3.4.3 Langkah Perakitan

Langkah perakitan Turbin Angin Savonius adalah sebagai berikut:

1. Mempersiapkan peralatan dan bahan yang akan dirakit.

2. Memasang poros turbin pada kerangka turbin, kemudian dibaut pada bagian bawah poros.

3. Memasang lengan dengan sudu turbin dengan baut.

4. Memasang lengan yang sudah terpasang dengan sudu pada poros turbin, dengan cara di shock terlebih dahulu dan di baut

5. Memasang generator dengan cara mengunci dengan mur-baut

6. Memasang control panel dengan menghubungkan kabel pada generator dan accu.

Berikut ini adalah gambar dari model turbin angin tipe savonius dengan dua buah sudu yang berbentuk setengah lingkaran sebelum dilakukan proses finishing.

Gambar 3.8 Model turbin angin sumbu vertikal tipe savonius

3.5 Bagian-bagian dan fungsi dari alat

(32)

Gambar 3.9 Bagian-bagian model turbin angin sumbu vertikal tipe savonius

1. Kopel

Digunakan untuk mengkopel shaft dengan sudu turbin.

Gambar 3.10 Kopel

2. Sudu

Sebagai alat pemutar turbin yang kemudian putaranya memutar poros yang diteruskan oleh belt ke generator.

8 7

(33)

Gambar 3.11 Sudu