SIMULASI KEKUATAN STRUKTUR KAYU PINUS TERHADAP PEMBEBANAN PADA TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL SKALA MIKRO

SIMULASI KEKUATAN STRUKTUR KAYU PINUS TERHADAP PEMBEBANAN PADA TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL

SKALA MIKRO

SKRIPSI

DEVI DIRGANTINI NIM. 11170970000085

PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2021 M / 1442 H

i Pembimbing I

Anugrah Azhar, M.Si NIP. 19921031 201801 1 003

Pembimbing II

Dr. Ambran Hartono, M.Si NIP. 19710408 200212 1 002 LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING

SIMULASI KEKUATAN STRUKTUR KAYU PINUS TERHADAP PEMBEBANAN PADA TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL

SKALA MIKRO

SKRIPSI

Diajukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si)

DEVI DIRGANTINI NIM. 11170970000085

Menyetujui,

Mengetahui,

Ketua Program Studi Fisika

Tati Zera, M.Si.

NIP. 19690608 200501 2 002

ii

Pembimbing II

Dr. Ambran Hartono, M.Si NIP. 19710408 200212 1 002 Penguji I

Arif Tjahjono, M.Si NIP. 19751107 200701 1 015

Penguji II

Biaunik Niski Kumila, M.S NIP. 19910513 201903 2 011

LEMBAR PENGESAHAN UJIAN

Skripsi yang berjudul Simulasi Kekuatan Struktur Kayu Pinus Terhadap Pembebanan Pada Turbin Angin Sumbu Horizontal Skala Mikro yang telah disusun oleh Devi Dirgantini dengan NIM 11170970000085 telah diujikan dan dinyatakan lulus dalam sidang munaqasyah Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta pada 24 Juni 2021. Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Program Studi Fisika.

Jakarta, 24 Juni 2021 Menyetujui,

Mengetahui, Pembimbing I

Anugrah Azhar, M.Si NIP. 19921031 201801 1 003

Ketua Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi

Tati Zera, M.Si.

NIP. 19690608 200501 2 002 Dekan Fakultas Sains dan Teknologi

UIN Syarif Hidayatullah Jakarta

Nashrul Hakiem, S.Si., M.T., Ph.D NIP. 19710608 200501 1 005

iii

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertandatangan di bawah ini :

Nama : Devi Dirgantini NIM : 11170970000085

Dengan ini menyatakan bahwa skripsi yang berjudul Simulasi Kekuatan Struktur Kayu Pinus Terhadap Pembebanan Pada Turbin Angin Sumbu Horizontal Skala Mikro adalah benar merupakan karya saya sendiri dan tidak melakukan tindakan plagiat dalam penyusunannya. Adapun kutipan yang ada dalam penyusunan karya ini telah saya cantumkan sumber kutipannya dalam skripsi.

Demikian pernyataan ini dibuat untuk dipergunakan seperlunya.

Jakarta, 24 juni 2021

Devi Dirgantini

11170970000085

iv

ABSTRAK

Bilah inverse taper dibuat dengan material kayu pinus dan dilengkapi dengan airfoil NACA 4418, bilah dirancang menggunakan SolidWorks dan dilakukan uji simulasi performa menggunakan Qblade. Dalam penelitian ini, kita fokus pada gagasan dalam merancang turbin angin sumbu horizontal skala mikro untuk kecepatan angin maksimal di Indonesia. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bilah inverse taper memiliki daya dorong optimal sebesar 161 N pada kecepatan putar 716 rpm dan mencapai torsi optimal sebesar 23 Nm pada putaran 358 rpm. Bilah inverse taper juga dapat menghasilkan daya output optimal sebesar 1025 Watt pada kecepatan putar 573 rpm yang dapat mengekstraksi energi angin sebesar 49%.

Simulasi performa juga dilakukan untuk menginvestigasi kekuatan struktur pada bilah menggunakan SolidWorks dan hasilnya menunjukkan bahwa bilah inverse taper memiliki tegangan optimal sebesar 32,73 MPa pada pembebanan 271,2 N. Nilai optimal faktor keamanan dan displacement pada bilah diperoleh masing-masing sebesar 6,3 pada pembebanan 53,7 N dan 103,1 mm pada pembebanan 356,9 N. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa bilah inverse taper yang dibuat dengan material kayu pinus dan dilengkapi dengan airfoil NACA 4418 dapat diterima untuk diimplementasikan pada turbin angin karena memiliki faktor keamanan dan kekuatan struktur yang baik untuk kecepatan angin maksimal di Indonesia.

Kata Kunci: Turbin Angin Sumbu Horizontal, Inverse Taper, Simulasi Kekuatan Struktur

v

ABSTRACT

The inverse blade tapper, made by pinewood, and equipped by NACA 4418 airfoil, had been designed by using SolidWorks and had been tested by performing the simulation using Qblade. In this research, we are focusing on the idea to design a horizontal axis micro wind turbine for maximum wind speed in Indonesia. Our results show that the inverse taper blade has the optimum thrust of 161 N at the rotating speed of 716 rpm and reach the optimum torque of 23 Nm at a rotating speed of 358 rpm. The inverse taper blade has also the optimum output power of 1025 Watt at a rotating speed of 573 rpm which can convert 49% of the wind energy. We also perform the simulation to investigate the structural strength of the blade using SolidWorks and obtain the optimum stress of 32,73 MPa at the load of 271,2 N. The optimum safety factor and displacement of the blade are 6,3 at the load of 53,7 N, and 103,1 mm at the load of 356,9 N, respectively. Our results show that inverse blade tapper, made by pinewood, and equipped by NACA 4418 airfoil is still acceptable to be implemented as a blade of the wind turbine due to its good safety factor and structural strength for the maximum wind speed in Indonesia.

Keywords: Horizontal Axis Wind Turbine, Inverse Taper, Structural Strength Simulation

vi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “ Simulasi Kekuatan Struktur Kayu Pinus Terhadap Pembebanan Pada Turbin Angin Sumbu Horizontal Skala Mikro “. Skripsi ini disusun sebagai syarat dalam menyelesaikan studi sarjana di Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah.

Terselesaikannya skripsi ini tiada lain atas bantuan, bimbingan, serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua orang tua penulis yang selalu memberikan dukungan, do’a, dan semangat.

2. Bapak Anugrah Azhar, M.Si, dan Bapak Ambran Hartono M.Si selaku dosen pembimbing skripsi.

3. Bapak Nashrul Hakiem, S.Si., M.T, Ph.D selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Syarif Hidayatullah Jakarta.

4. Ibu Tati Zera, M.Si selaku Ketua Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi UIN Syarif Hidayatullah Jakarta.

5. Bapak Ricky Elson B.Eng., M.Eng., selaku pimpinan PT. Lentera Bumi Nusantara yang telah memberikan kesempatan dan ilmu pengetahuan kepada penulis terkait turbin angin.

6. Ibu Inayah N. Zahra, S.T, M.T, selaku Chief Executive Officer PT. Lentera Bumi Nusantara beserta staf pembimbing yang telah memberikan izin kepada penulis untuk mempelajari ilmu turbin angin.

7. Yudi Kuntara, S.T dan Salas Bima Asar selaku alumni senior dari PT. Lentera Bumi Nusantara yang telah memberikan pertolongan dan bimbingan kepada penulis.

vii

8. Khoirun Annisa Raisiyah selaku rekan penelitian yang telah memotivasi serta memberikan saran membangun kepada penulis.

9. Teman-teman Program Studi Fisika 2017 khususnya fisika material yang selalu memberikan dukungan dan motivasi kepada penulis.

10. Seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung.

Penulis menyadari penyusunan skripsi ini tidak luput dari kesalahan, oleh karenanya penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca agar penelitian ini menjadi lebih baik di masa yang akan datang. Dengan demikian, penulis juga berharap skripsi ini dapat bermanfaat serta menginspirasi pembaca.

Jakarta, 24 juni 2021 Penulis,

Devi Dirgantini NIM 11170970000085

viii

DAFTAR ISI

ABSTRAK iv

ABSTRACT v

KATA PENGANTAR vi

DAFTAR ISI viii

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR TABEL xii

BAB IPENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Rumusan Masalah 4

1.3 Batasan Masalah 5

1.4 Tujuan Penelitian 5

1.5 Manfaat Penelitian 6

1.6 Sistematika Penulisan 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8

2.1 Energi Angin 8

2.1 Teori Momentum Elemen Betz 9

2.3 Turbin Angin Skala Mikro 11

2.4 Bilah Turbin Angin 13

2.4.1 Airfoil 15

2.4.2 Karakteristik Lift dan Drag 17

2.5 Perancangan Bilah Turbin Angin 17

2.5.1 Parameter Perancangan Bilah Turbin Angin 18 2.5.2 Pemilihan Material Bilah Turbin Angin 20

2.5.3 Sifat- Sifat Mekanik Kayu 20

2.5.4 Kayu Pinus 22

2.6 Simulasi Kekuatan Struktur 23

2.6.1 Teori Dasar Metode Finite Elemen 23

2.6.2 Komponen Simulasi Kekuatan Struktur 24

ix

2.6.3 Parameter Simulasi Kekuatan Struktur 25

2.7 Qblade 29

2.8 SolidWorks 2018 31

BAB III METODE PENELITIAN 33

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 33

3.2 Alat dan Bahan Penelitian 33

3.3 Tahapan Penelitian 33

3.4 Pengolahan Data Penelitian 35

3.4.1 Pemilihan Airfoil 35

3.4.2 Perancangan Geometri Bilah Inverse Taper 36 3.4.3 Pemodelan 3D Dan Simulasi Bilah Inverse Taper 41

3.4.4 Perancangan 3D Bilah Inverse Taper 45

3.4.5 Simulasi Kekuatan Struktur Bilah Inverse Taper 52

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 57

4.1 Performa Bilah 57

4.2 Hasil Simulasi Kekuatan Struktur 61

BAB V PENUTUP 70

5.1 Kesimpulan 70

5.2 Saran 71

DAFTAR PUSTAKA 72

LAMPIRAN 73

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Model aliran dari Teori Momentum Beltz 9

Gambar 2.2 Ekstraksi energi pada turbin angin 111

Gambar 2.3 Turbin angin HAWT 122

Gambar 2.4 Turbin angin VAWT 133

Gambar 2.5 Bilah jenis taper, taperless, dan inverse taper 144

Gambar 2.6 Airfoil 155

Gambar 2.7 Lift dan Drag 177

Gambar 2.8 Tip Speed Ratio terhadap Cp 199

Gambar 2.9 Modul Qblade 30

Gambar 2.10 Pemodelan bilah pada Qblade 30

Gambar 2.11 Analisis struktur pada SolidWorks 32

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 34

Gambar 3.2 Input nomor seri airfoil 35

Gambar 3.3 Kurva perbandingan Cl/Cd terhadap alpha 36

Gambar 3.4 Input geometri bilah 41

Gambar 3.5 Hasil desain 3D bilah pada Qblade 42

Gambar 3.6 Simulasi performa bilah pada Qblade 42

Gambar 3.7 Kurva thrust terhadap kecepatan putar untuk nilai pembebanan 43

Gambar 3.8 Perancangan koordinat bilah 44

Gambar 3.9 Lembar kerja pemodelan 45

Gambar 3.10 Input koordinat bilah 46

Gambar 3.11 Plane bilah 46

Gambar 3.12 Move, rotate, scale, dan garis trailing edge 47

Gambar 3.13 Pembuatan persegi pangkal 48

Gambar 3.14 Pembuatan garis reference 48

Gambar 3.15 Pemodelan 3D elemen bilah 49

xi

Gambar 3.16 Pemodelan 3D persegi pada pangkal bilah 50

Gambar 3.17 Pemodelan 3D pangkal bilah 50

Gambar 3.18 Cutting pangkal bilah 51

Gambar 3.19 Pembuatan lubang pada pangkal bilah 51 Gambar 3.20 Pembuatan hub rotor pada pangkal bilah 51 Gambar 3.21 Hasil desain 3D bilah inverse taper pada SolidWorks 52 Gambar 3.22 Setting fitur simulasi kekuatan struktur 53

Gambar 3.23 Input data sheet kayu pinus 54

Gambar 3.24 Area tumpuan 54

Gambar 3.25 Input nilai beban 55

Gambar 3.26 Proses meshing 56

Gambar 3.27 Hasil simulasi kekuatan struktur 56

Gambar 4.1 Kurva thrust terhadap kecepatan putar 57 Gambar 4.2 Kurva torsi terhadap kecepatan putar 58

Gambar 4.3 Kurva daya terhadap kecepatan putar 59

Gambar 4.4 Kurva Cp terhadap TSR 60

Gambar 4.5 Stress akibat pembebanan pertama 61

Gambar 4.6 Stress akibat pembebanan kedua 61

Gambar 4.7 Stress akibat pembebanan ketiga 62

Gambar 4.8 Grafik stress maksimum terhadap variasi pembebanan 62 Gambar 4.9 Grafik stress minimum terhadap variasi pembebanan 63 Gambar 4.10 Diplacement akibat pembebanan pertama 64 Gambar 4.11 Diplacement akibat pembebanan kedua 65 Gambar 4.12 Diplacement akibat pembebanan ketiga 65 Gambar 4.13 Grafik diplacement maksimum terhadap variasi pembebanan 66 Gambar 4.14 Factor of safety akibat pembebanan pertama 67 Gambar 4.15 Factor of safety akibat pembebanan kedua 67 Gambar 4.16 Factor of safety akibat pembebanan ketiga 68 Gambar 4.17 Grafik factor of safety terhadap variasi pembebanan 68

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Geometri bilah (1) 37

Tabel 3.2 Geometri bilah (2) 38

Tabel 3.3 Geometri bilah (3) 38

Tabel 3.4 Geometri bilah (4) 40

Tabel 3.5 Variasi pembebanan 43

Tabel 3.6 Data sheet kayu pinus 53

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penggunaan sumber energi di dunia hingga saat ini masih bergantung pada sumber energi tak terbarukan. Hal tersebut menyebabkan ketersediaan sumber energi tak terbarukan semakin menipis. Sehingga, diperlukan upaya pemanfaatan sumber energi alternatif yang dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi tersebut dikenal sebagai energi terbarukan yang meliputi cahaya matahari, air, biogas, biomassa, panas bumi, dan gelombang laut. Salah satu potensi energi terbarukan yang tengah berkembang pesat di era saat ini adalah energi angin. Indonesia memiliki potensi energi angin dengan kecepatan angin rata-rata berkisar antara 3-5 m/s dan mampu menghasilkan total daya hingga 9290 MW. Namun, pemanfaatan energi angin di Indonesia baru mencapai 1%, padahal ketersediaan energi angin sangat melimpah [1]. Oleh karena itu, pemanfaatan energi angin perlu ditingkatkan salah satunya melalui pengembangan turbin angin. Dalam pengembangan turbin angin, tentunya diperlukan perancangan bilah turbin angin yang sesuai dengan kondisi angin di Indonesia.

Arisandi et al. [2] telah melakukan penelitian mengenai rancang bangun turbin angin sumbu horizontal dengan bilah tipe taperless. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah mulai berputar pada saat kecepatan angin 6 m/s dan dapat menghasilkan tegangan listrik sebesar 15 volt. Rahman et al. [3] telah melakukan penelitian mengenai rancang bangun dan uji prestasi turbin angin sumbu horizontal dengan bilah tipe taper. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah mulai berputar pada saat kecepatan angin 8,7 m/s. Bilah hasil perancangannya tidak cocok digunakan di daerah-daerah tepi pantai Padang karena kecepatan rata-rata angin di pantai Padang berkisaran antara 2 m/s sampai 8 m/s. Sedangkan Martin dan Hatta [4] melakukan

2

penelitian mengenai perancangan bilah inverse taper untuk kecepatan angin rendah.

Berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi, bilah dapat berputar pada kecepatan 5 m/s dan mampu menghasilkan torsi sebesar 16 Nm dan daya 202 watt. Dari ketiga jenis bilah tersebut, yang sesuai dengan kondisi kecepatan rata-rata angin di Indonesa adalah bilah jenis inverse taper.

Aji [5] melakukan penelitian mengenai rancang bangun bilah tipe inverse taper menggunakan kayu mahoni pada turbin angin sumbu horizontal skala kecil dengan airfoil S1210. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah tipe inverse taper memiliki keluaran daya dengan cut-in sebesar 1,35 m/s dan mampu beroperasi pada kecepatan angin rendah. Musyarofah [6] melakukan penelitian mengenai rancang bangun bilah tipe inverse taper menggunakan kayu mahoni dengan airfoil SG4062.

Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah tipe inverse taper menghasilkan peformansi sudu yang baik dengan daya yang dihasilkan dalam pengujian selama tiga hari yaitu 525,39 Wh, 721,67 Wh, dan 513,77 Wh. Kuntara [7] melakukan penelitian mengenai rancang bangun bilah tipe taper, taperless, dan inverse taper menggunakan kayu mahoni. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah inverse taper menghasilkan daya listrik tertinggi daripada bilah lainnya. Energi listrik yang diperoleh bilah jenis inverse taper sebesar 5246,15 Wh dengan perolehan daya listrik rata-rata 1311,53 Wh per hari. Energi listrik yang diperoleh perhari bilah jenis taper sebesar 3596,03 Wh dengan perolehan daya listrik rata-rata 899 Wh per hari.

Sedangkan energi listrik yang diperoleh bilah jenis taperless sebesar 2619,87 Wh, dengan perolehan daya listrik rata-rata 654,96 Wh per hari. Hal ini membuktikan bahwa bilah tipe inverse taper memiliki performa yang baik daripada bilah tipe taper dan taperless. Sehingga, bilah tipe inverse taper dapat dipilih untuk perancangan turbin angin dalam penelitian ini.

Perancangan bilah turbin angin bergantung pada penggunaan material.

Irfansyah dan Firman [8] telah melakukan penelitian mengenai perancangan bilah turbin angin horizontal dengan variasi material yang terdiri dari kayu meranti, fiberglass, dan pipa PVC. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa material kayu

3

memiliki performa tertinggi yaitu menghasilkan putaran 181 rpm pada kecepatan 2 m/s dan menghasilkan putaran poros 390 rpm pada kecepatan angin 4,5 m/s.

Sedangkan performa terendah terdapat pada material pipa PVC yaitu menghasilkan putaran 97 rpm pada kecepatan angin 2 m/s dan menghasilkan putaran poros 251 rpm pada kecepatan angin 4,5 m/s. Multazam dan Mulkan [9] melakukan penelitian mengenai rancang bangun turbin angin sumbu horizontal menggunakan material kayu pinus dan fiber untuk meningkatkan performa Permanent Magnet Generator (PMG).

Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa turbin angin berbahan kayu pinus mampu menghasilkan tegangan lebih tinggi yaitu 12,15 volt daripada turbin angin berbahan fiber yang hanya menghasilkan tegangan sebesar 11,48 volt. Nilai tegangan yang dihasilkan bilah kayu pinus mampu meningkatkan output PMG sehingga dapat digunakan untuk mengoperasikan beban listrik. Hal ini membuktikan material kayu pinus memiliki performa yang baik sehingga dapat dipilih untuk perancangan turbin angin dalam penelitian ini.

Perancangan bilah turbin angin seringkali tidak memperhatikan faktor keamanan sebelum diimplementasikan di lapangan. Dahlan [10] melakukan penelitian membuat bilah taperless berbahan kayu mahoni dan pinus tanpa melakukan analisis kekuatan struktur terlebih dahulu. Sehingga dari hasil pengujian di lapangan, bilah berbahan kayu mahoni mengalami keretakan. Sedangkan Gibran et al. [11] melakukan penelitian turbin angin sumbu horizontal bilah taperless berbahan kayu pinus serta melakukan analisis kekuatan struktur pada material bilah menggunakan perangkat lunak SolidWorks yang didukung dengan Finite Elemen Method (FEM). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah yang dirancang memiliki nilai keamanan yang baik yaitu sebesar 5,43 sehingga bilah tersebut layak untuk diimplementasikan. Handoko [12] melakukan penelitian rancang bangun bilah semi inverse taper berbahan kayu mahoni dengan variasi rasio pelebaran chord.

Analisis kekuatan struktur dilakukan sebelum bilah diimplementasikan di lapangan.

Hasil analisis menunjukkan bahwa bilah memiliki nilai Factor Of Safety (FOS) atau faktor keamanan sebesar 31,608 pada kecepatan angin 10 m/s. Hal ini menunjukkan

4

bahwa bilah aman pada kondisi input gaya yang diberikan dan mampu menahan beban 31,608 kali lebih besar dari gaya input. Terbukti dalam pengujiannya, bilah tersebut dapat bekerja dengan baik dan tidak mengalami patah atau retak. Hal ini menunjukkan bahwa analisis kekuatan struktur menggunakan perangkat lunak yang didukung dengan Finite Elemen Method (FEM) mampu memberikan validitas keamanan dari bilah yang dirancang.

Menurut Prasetyo et al. [13] analisis kekuatan struktur penting dilakukan untuk mengetahui kemampuan material dalam menahan beban maksimum sehingga dapat diketahui tingkat keamanan dari desain bilah yang dirancang. Hasil analisis menggunakan perangkat lunak menurut Agustiawan et al. [14] akan lebih cepat diperoleh dibandingkan dengan hasil analisis dengan perhitungan manual. Selain itu, menurut Yasmin (2008) [15] bahwa analisis struktur dengan bantuan komputer memberikan informasi yang akurat. Selain itu, hasil uji analisis desain menggunakan perangkat lunak juga dapat menampilkan data berupa titik-titik pembebanan pada bilah yang mengalami pembebanan paling kecil, pembebanan sedang, dan pembebanan paling besar.

Dari deskripsi yang telah dipaparkan, penulis tertarik untuk melakukan penelitian mengenai simulasi kekuatan struktur kayu pinus terhadap pembebanan pada turbin angin sumbu horizontal skala mikro. Bilah yang dirancang dalam penelitian ini adalah bilah tipe inverse taper. Simulasi kekuatan struktur dilakukan menggunakan software support analisis desain yaitu SolidWorks 2018 berbasis Metode Elemen Hingga atau Finite Elemen Method (FEM) dengan tujuan untuk mengetahui kemampuan bilah bermaterial kayu pinus dalam menahan beban yang diberikan.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

5

1. Bagaimana merancang bilah tipe inverse taper pada turbin angin sumbu horizontal menggunakan material kayu pinus?

2. Bagaimana simulasi kekuatan struktur material kayu pinus terhadap pembebanan bilah tipe inverse taper pada turbin angin sumbu horizontal?

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Perancangan bilah turbin angin sumbu horizontal dengan tiga bilah. Jenis bilah yang dirancang adalah bilah tipe inverse taper dengan airfoil tipe NACA 4418 menggunakan material kayu pinus.

2. Analisis performa pada bilah diketahui dari hasil simulasi menggunakan perangkat lunak Qblade.

3. Analisis kekuatan struktur material kayu pinus pada bilah tipe inverse taper dengan airfoil tipe NACA 4418 dilakukan menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2018.

1.4 Tujuan Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah di atas, maka tujuan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Merancang bilah tipe inverse taper pada turbin angin sumbu horizontal menggunakan material kayu pinus.

2. Mengetahui kekuatan struktur material kayu pinus terhadap pembebanan bilah tipe inverse taper pada turbin angin sumbu horizontal.

6 1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat menjadi referensi bagi mahasiswi fisika untuk mempelajari perancangan turbin angin. Selain itu, dapat menambah wawasan khususnya bagi mahasiswi fisika perminatan material dalam menganalisis ketahanan material untuk bilah tubin angin.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini tersusun atas lima bab dengan uraian sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang landasan teori penelitian yang meliputi informasi mengenai bilah turbin angin, perancangan bilah turbin angin, dan analisis kekuatan struktur bilah turbin angin.

BAB III METODE PENELITIAN

Bab ini berisi tentang langkah penelitian yang meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan dan bahan penelitian, serta tahapan penelitian.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil penelitian berupa data yang diolah meliputi hasil perhitungan geometri bilah, perancangan bilah, dan simulasi kekuatan struktur material bilah terhadap pembebanan. Kemudian data tersebut dianalisis dan dibahas.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

7

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian serta saran untuk penelitian selanjutnya.

8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Angin

Dalam ilmu fisika, yang namanya energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat pula dimusnahkan, tetapi energi dapat diubah satu bentuk ke bentuk energi lainnya.

Contohnya dalam aplikasi turbin angin, dimana energi kinetik dapat diubah menjadi energi listrik. Proses konversi energi tersebut terjadi saat angin menumbuk bilah pada turbin angin yang kemudian menyebabkan rotor berputar. Hasil dari putaran tersebut diteruskan ke sistem kinerja pembangkit tenaga angin sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Timbulnya energi tersebut dikarenakan angin adalah udara yang memiliki massa dan pergerakannya memiliki kecepatan sehingga dapat dinyatakan sebagai energi kinetik. Energi kinetik pada angin dirumuskan sebagai berikut [5]:

𝐸_𝑘 =1

2𝑚𝑣² (2.1)

Jika diketahui 𝜌 = ^𝑚

𝑉 , dimana 𝜌 adalah massa jenis, 𝑚 adalah massa benda, dan 𝑉 adalah volume. Maka persamaan energi kinetik di atas dapat ditulis sebagai berikut [5]:

𝐸_𝑘= 1

2𝜌𝑉𝑣² (2.2)

Karena volume udara yang mengalir merupakan perkalian antara luasan area A yang dilewati selama jarak dan unit waktu tertentu, maka dapat ditulis sebagai berikut [5]:

9 𝑉 = 𝐴 . 𝑑

𝑡 (2.3)

Sehingga daya atau energi angin per satuan waktu dapat diperoleh sebagai berikut [5]:

𝑃 =1

2𝜌𝐴𝑣³ (2.4)

Persamaan (2.4) menunjukkan bahwa besarnya daya angin dipengaruhi oleh densitas udara, kecepatan angin yang melewati bilah turbin, dan luas sapuan bilah [5].

2.1 Teori Momentum Elemen Betz

Gambar 2.1 Model aliran dari Teori Momentum Beltz (Hau, 2006) [16].

Teori momentum elemen Betz atau Betz limit adalah teori yang melatarbelakangi perancangan turbin angin. Teori ini menjelaskan tentang aliran kecepatan angin bebas yang mengalami pembelokan ketika melalui rotor. Hal tersebut disebabkan oleh putaran rotor yang dapat menghasilkan perubahan kecepatan angin pada arah tangensial yang dapat mengakibatkan total energi angin menjadi berkurang [16]. Untuk mengetahui besarnya energi atau daya yang dihasilkan oleh turbin angin maka dapat dihitung dengan cara mengetahui selisih antara daya angin

10

sebelum dan sesudah melewati turbin angin sebagaimana yang ditampilkan pada gambar 2.1 [17]. Gambar tersebut menjelaskan bahwa berkurangnya kecepatan angin disebabkan karena sebagian energi kinetik diserap oleh turbin angin. Pada keadaan tersebut, energi kinetik diubah menjadi daya angin (𝑃_𝑡). Daya angin yang diekstrak oleh turbin angin dirumuskan sebagai berikut [17]:

𝑃 = 𝑃₁ − 𝑃₄ =1

2𝜌(𝐴₁𝑉₁³− 𝐴₄𝑉₄³) = 1 2𝜌 (8

9𝐴₁𝑉₁³ ) (2.5)

Untuk mempermudah perhitungan, persamaan (2.5) diubah ke dalam bentuk lain dengan menggunakan variabel 𝐴₂ atau terkait dengan luas area sapuan turbin angin sebagai berikut [17]:

𝑃 =1 2𝜌 [8

9 (2

3𝐴₂𝑉₁³)] = 1 2𝜌 (16

27 𝐴₂𝑉₁³) (2.6) Pada persamaan (2.6) terdapat konstanta 16/27 atau = 0.593 yang disebut sebagai koefisien Betz atau Betz limit. Konstanta tersebut menunjukkan efisiensi maksimum dari turbin angin yang dapat dinyatakan sebagai koefisien power (Cp). Cp adalah koefisien yang digunakan untuk menentukan besarnya daya turbin angin yang dihasilkan. Besarnya nilai Cp dipengaruhi oleh faktor loss energi yang terjadi pada sistem kinerja turbin angin sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.2. Oleh karena itu, daya turbin angin dapat dirumuskan sebagai berikut [18].

𝑃𝑡 = 𝐶𝑝 . 𝑃 (2.7)

11

Gambar 2.2 Ekstraksi energi pada turbin angin [7]

2.3 Turbin Angin Skala Mikro

Turbin angin skala mikro adalah turbin angin yang didirikan pada luas area berkisar 200 m² dengan kapasitas energi maksimum yang dihasilkan berkisar 50 kW.

Turbin angin skala mikro membutuhkan kecepatan angin rata-rata minimal antara 4,0 hingga 4,5 m/s untuk menghasilkan daya listrik agar dapat digunakan untuk kebutuhan rumahan [12]. Adapun, ukuran turbin angin yang dapat digunakan berkisar antara 1 hingga 7,5 meter [17]. Untuk membangun turbin angin skala mikro, terdapat dua jenis turbin angin yang dapat digunakan berdasarkan bentuk dan cara kerjanya yaitu turbin angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan turbin angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Kedua jenis turbin angin tersebut memiliki keunggulan masing-masing. Secara umum, HAWT adalah jenis turbin angin yang mayoritas digunakan untuk turbin angin skala mikro.

HAWT memiliki desain bilah yang mirip seperti propeller serta memiliki putaran pada sumbu vertikal. Pada turbin angin jenis ini, shaft rotor dan generator yang terletak pada puncak tower harus diarahkan ke arah angin yang bertiup. Selain itu, turbin ini menggunakan wind plane yang diletakkan di bagian rotor untuk menggerakan bilah. Kelebihan dari HAWT adalah mampu menangkap energi angin

12

lebih maksimal karena letak towernya yang tinggi menyebabkan turbin angin ini mampu mengekstrak energi angin lebih banyak sehingga efisiensi yang dihasilkan akan lebih tinggi [19]. Turbin angin HAWT terbagi atas dua tipe yaitu upwind dan downwind. Keduanya memiliki perbedaan pada penempatan rotor. Tipe upwind memiliki rotor yang berhadapan dengan angin. Sedangkan tipe downwind memiliki rotor yang ditempatkan dibelakang tower [10].

Gambar 2.3 Turbin angin HAWT [20].

Sedangkan turbin angin VAWT memiliki putaran pada sumbu horizontal dan shaft rotor vertikal. Turbin angin jenis ini tidak perlu diarahkan ke arah angin bertiup dan cocok untuk daerah yang memiliki arah angin variatif. Untuk pengaplikasiannya, maintenance turbin angin VAWT lebih mudah dibandingkan turbin angin HAWT.

Karena, letak towernya tidak tinggi sehingga generator dan komponen primer lainnya dapat diletakan dekat dengan permukaan tanah. Namun, kekurangan utama dari turbin angin VAWT adalah efisiensi yang dihasilkannya rendah karena towernya berada pada ketinggian yang rendah sehingga kecepatan angin yang diperoleh lebih sedikit akibatnya putaran yang dihasilkan lebih lambat [19]. Turbin angin VAWT terdiri atas dua tipe yaitu tipe dorong (savonius) dan tipe angkat (darrieus). Keduanya dibedakan berdasarkan besarnya TSR. Tipe dorong terjadi apabila TSR kurang dari 1 yang artinya bagian bilah cenderung mengalami gaya dorong. Sedangkan tipe angkat

13

terjadi apabila TSR lebih dari 1 yang artinya bagian bilah cenderung mengalami gaya angkat [10].

Gambar 2.4 Turbin angin VAWT [10]

2.4 Bilah Turbin Angin

Bilah merupakan bagian turbin angin yang berperan dalam menyapu aliran angin yang melewatinya. Kemampuan bilah dalam menangkap energi angin dipengaruhi oleh bentuk bilah. Secara umum, terdapat tiga macam bentuk bilah yaitu bilah taper dengan ujung yang lebih kecil dari bagian pangkalnya, bilah taperless dengan lebar ujung dan pangkal bilah yang sama, dan bilah inverse taper dengan ujung yang lebih besar daripada pangkalnya. Masing-masing jenis bilah tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda-beda. Pertama, bilah taper memiliki kekurangan yaitu torsi yang dihasilkan cukup rendah karena luas penampang pada ujung bilah berukuran kecil. Hal tersebut dapat mengakibatkan bilah jenis ini mengalami kesulitan saat berputar terutama pada kecepatan angin rendah.

Meskipun, keunggulan dari bilah jenis ini yaitu mampu menghasilkan putaran yang tinggi pada kecepatan angin yang tinggi. Namun sebaliknya, putaran yang terlalu cepat pada bilah dapat menyebabkan gangguan suara yang lebih kencang dan terkikisnya bagian leading edge pada bilah (Tang, 2012). Kedua, bilah taperless memiliki kelebihan yaitu torsi yang dihasilkan cukup besar karena luas penampang

14

bilahnya cukup luas. Kekurangan dari bilah ini ialah mudah menimbulkan gaya hambat yang menyebabkan bilah tidak dapat beroperasi maksimal pada kecepatan angin yang tinggi. Ketiga, bilah inverse taper memiliki kelebihan yaitu mampu berputar pada kecepatan angin yang rendah seperti kecepatan angin rata-rata di Indonesia. Torsi bilah jenis ini cukup besar dan memiliki gaya dorong yang lebih besar daripada bilah jenis taper dan taperless. Keunggulan bilah inverse taper ini memungkinkan untuk dipilih pada penelitian ini [18].

Gambar 2.5 Bilah jenis taper, taperless, dan inverse taper [7]

Selain bentuk bilah, jumlah bilah menjadi faktor penting dalam perancangan turbin angin. Turbin angin yang menggunakan bilah dengan jumlah banyak akan memiliki putaran yang lambat. Pengaruh lainnya adalah pada efisiensi yang dihasilkan. Penelitian oleh Hau (2013) menunjukkan bahwa kenaikan efisiensi dari desain 1-2 bilah adalah sekitar 10%, desain 2-3 bilah adalah sebesar 3-4%, dan desain 3-4 bilah adalah sebesar 1-2%. Desain dengan 1 atau 2 bilah menyebabkan bilah dapat bekerja pada kondisi TSR yang lebih tinggi dibandingkan desain 3 bilah.

Namun, kekurangannya ialah dapat menghasilkan gangguan suara yang lebih besar dan memiliki kondisi kerja aerodinamis yang tidak asimetris sehingga desain 3 bilah lebih banyak digunakan karena putaran yang dihasilkan lebih stabil [17].

15 2.4.1 Airfoil

Airfoil merupakan suatu objek yang digunakan dalam perancangan turbin angin, dimana apabila aliran fluida melewatinya akan menghasilkan efek aerodinamis berupa gaya angkat atau Coefisien lift (Cl) dan gaya hambat atau Coefisien drag (Cd).

Gaya angkat pada airfoil terjadi karena kecepatan aliran fluida pada permukaan bagian atas airfoil lebih lambat daripada kecepatan aliran fluida pada permukaan bawah. Sehingga, tekanan pada permukaan bagian atas lebih rendah dibandingkan dengan permukaan bagian bawah. Oleh karenanya, aliran fluida akan mengangkat airfoil dan terjadilah gaya angkat [12]. Salah satu jenis airfoil yang paling banyak digunakan saat ini adalah airfoil National Advisory Commitee for Aeronautics (NACA) [21].

Gambar 2.6 Airfoil [22]

Airfoil memiliki bagian-bagian di antaranya mean chamber line, leading edge, trailing edge, chord line, chamber, thickness, dan angle of attack. Mean chamber line adalah garis tengah yang berada di antara permukaan atas dan bawah dari airfoil.

Leading edge adalah titik paling depan dari airfoil. Trailing edge adalah titik yang paling belakang dari airfoil. Chord line adalah garis lurus yang menghubungkan

16

antara leading edge dengan trailing edge. Chord (c) adalah jarak antara leading edge dan trailing edge yang berada di sepanjang chord line. Chamber adalah jarak antara mean chamber line yang tegak lurus terhadap chord line. Thickness adalah jarak antara permukaan atas dan bawah yang juga tegak lurus terhadap chord line. Dan angle of attack adalah sudut antara angin relatif dengan chord line [10].

Pada airfoil NACA dengan kode 4 digit, angka pertama menunjukkan maksimum camber dalam seperseratus chord, angka kedua menunjukkan posisi maksimum camber pada chord line dalam sepersepuluh chord, dan dua angka terakhir menunjukkan lebar maksimum airfoil atau maksimum thickness dalam seperseratus chord. NACA 4418 adalah contoh airfoil kode 4 digit. NACA 4418 memiliki maksimum chamber 4% terletak 40% (0,4 chord) dari leading edge dengan ketebalan maksimum sebesar 18% dari chord [12]. Prasetiyo et al. [23] melakukan penelitian kaji eksperimental turbin angin sumbu vertikal dengan airfoil NACA 4418.

Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah memiliki putaran sebesar 321 rpm pada kecepatan angin 5,42 m/s dan menghasilkan daya mekanik sebesar 8,5 Watt.

Syuhada et al. [24] melakukan penelitian tentang potensi kecepatan angin di Pantai Banda Aceh dalam menghasilkan energi listrik menggunakan turbin angin sumbu horizontal dengan variasi jumlah bilah. Airfoil yang digunakan adalah tipe NACA 4418. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa semua bilah dapat berputar dengan baik. Turbin angin dengan 5 bilah dapat berputar pada kecepatan 3 m/s dan menghasilkan putaran 200 rpm. Turbin angin dengan 6 bilah dapat berputar pada kecepatan 4 m/s dan mengahasilkan putaran 250 rpm. Turbin angin dengan 7 bilah dapat berputar pada kecepatan 4,5 m/s dan menghasilkan putaran 200 rpm. Karena performa yang dihasilkan cukup baik, maka dalam penelitian ini penulis memilih NACA 4418 untuk perancangan pada turbin angin sumbu horizontal.

17 2.4.2 Karakteristik Lift dan Drag

Terdapat dua gaya yang terjadi pada airfoil ketika fluida mengalir pada permukaan airfoil. Gaya tersebut ialah gaya hambat atau drag dan gaya angkat atau lift. Gaya hambat adalah gaya yang sejajar dengan arah gerak aliran udara yang menabrak bilah turbn angin. Sedangkan gaya angkat adalah gaya yang tegak lurus dengan arah gerak aliran udara yang menabrak bilah turbin angin. Kedua gaya tersebut dimanfaatkan oleh turbin angin untuk memutar rotor. Terjadinya putaran pada rotor akan menghasilkan kecepatan sudut. Sehingga, besarnya kedua gaya tersebut bergantung pada sudut serang [25].

Gambar 2.7 Lift dan Drag [25]

2.5 Perancangan Bilah Turbin Angin

Perancangan adalah salah satu proses pembuatan produk dalam bentuk gambar atau media apapun. Produk yang dibuat harus melalui tahap perancangan yang matang seperti mempertimbangkan material yang digunakan, tata cara memproduksinya, dan lain-lain. Oleh karenanya, seorang perancang harus memahami beberapa prosedur dalam melakukan perancangan di antaranya [26]:

1. Menciptakan ide atau konsep produk yang solutif.

2. Menentukan apakah produk yang dibuat akan statis atau dinamis.

3. Menggambar produk dalam bentuk dua atau tiga dimensi.

18

4. Melakukan input data material yang digunakan ke dalam gambar.

5. Menganalisis kekuatan produk yang dirancang dengan bantuan software komputer untuk menghemat biaya. Sehingga dapat diketahui keamanan produk sebelum diproduksi.

Dalam perancangan bilah turbin angin, terdapat beberapa hal yang harus dipertimbangkan untuk membuat bilah yang meliputi: material, ukuran, jenis bilah, panjang chord, jenis airfoil, dan jumlah bilah [17]. Persyaratan tersebut akan menentukan hasil perhitungan geometri bilah yang mengacu pada parameter- parameter yang sangat berpengaruh terhadap performa dan kekuatan struktur bilah yang dirancang.

2.5.1 Parameter Perancangan Bilah Turbin Angin

Dalam perancangan bilah turbin angin sumbu horizontal, terdapat beberapa parameter yang harus diperhatikan. Parameter – parameter tersebut di antaranya [12]:

1. Panjang bilah adalah parameter yang mempengaruhi besarnya daya yang akan dihasilkan turbin angin karena panjang bilah akan menentukan luasnya sapuan bilah.

2. Twist adalah sudut puntir pada sudu antara chord line dengan bidang rotor.

3. Koefisien torsi adalah parameter yang mempresentasikan besarnya torsi yang diproduksi oleh bilah. Koefisien torsi dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:

𝐶_𝑚 = 𝐶_𝑝

𝜆 (2.8)

4. Tip Speed Ratio (TSR) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin relatif. Turbin angin dapat beroperasi maksimal pada TSR tertentu. Bilah dengan TSR yang besar akan menyebabkan putaran bilah yang tinggi. Apabila

19

bilah berputar dengan kecepatan yang tinggi maka akan terjadi gangguan suara yang lebih kencang. Hal tersebut menunjukkan bahwa turbin angin telah melewati batas optimum TSR. Karenanya, TSR dapat dihitung dengan perbandingan antara kecepatan rotor dan kecepatan angin yang dirumuskan sebagai berikut:

𝜆 = 𝜋 𝐷 𝑁

60 𝑣 (2.9)

5. Coefficient performance (Cp) adalah kinerja bilah dalam menyerap energi angin yang diterimanya. Jika nilai Cp-nya besar maka turbin angin tersebut memiliki kemampuan yang besar untuk mengekstrak energi angin yang diperolehnya.

Gambar 2.8 Tip Speed Ratio terhadap Cp [27]

6. Rated speed adalah kecepatan angin yang diperlukan turbin untuk menghasilkan daya. Cut-in speed adalah kecepatan angin minimum yang diperlukan turbin untuk mulai menghasilkan listrik, sedangkan cut-out speed adalah kecepatan angin maksimum turbin angin dapat beroperasi.

20 2.5.2 Pemilihan Material Bilah Turbin Angin

Tahap selanjutnya setelah melakukan perancangan bilah dalam bentuk 3 dimensi adalah menentukan material bilah yang akan digunakan dalam simulasi kekuatan struktur. Terdapat beberapa macam material yang dapat digunakan untuk membuat bilah di antaranya logam, komposit, styrofoam, kayu, dan sebagainya.

Material-material tersebut harus diperhatikan keunggulan dan kekurangannya. Seperti penggunaan steel untuk material bilah dapat menyebabkan bilah sulit berputar karena materialnya terlalu berat, sedangkan alumunium tidak cukup kuat dan dapat menyebabkan bilah menjadi patah. Komposit seperti resin polyster merupakan material yang umum digunakan, namun diperlukan cetakan atau master blade untuk membuat bilahnya dan hal tersebut membutuhkan biaya yang lebih besar. Sedangkan bahan styrofoam memiliki sifat yang ringan dan mudah dibentuk. Namun bahan tersebut cenderung mudah patah [12].

Kayu merupakan pilihan yang paling umum digunakan dalam pembuatan bilah turbin angin karena memiliki sifat yang ringan, kuat, mudah dibentuk, dan getas.

Kayu yang digunakan pada pembuatan bilah sebaiknya adalah kayu yang lunak dan ringan, memiliki serat yang rapat dan bebas dari mata kayu jika memungkinkan.

Beberapa contoh jenis kayu yang dapat diimplementasikan dalam pembuatan bilah adalah kayu pinus, jati, dan mahoni [12]. Dalam penelitian ini, penulis memilih material kayu untuk simulasi kekuatan struktur pada perancangan bilah turbin angin.

2.5.3 Sifat- Sifat Mekanik Kayu

Kayu adalah material alami yang memiliki karateristik atau sifat mekanik. Sifat mekanik kayu merupakan sifat yang erat kaitannya dengan kemampuan kayu dalam menahan beban yang diberikan. Kayu yang diberikan pembebanan akan menyebabkan terjadinya tegangan yang dapat membuat kayu mengalami perubahan

21

bentuk. Untuk itu, perlu diketahui beberapa macam sifat mekanik kayu yakni sebagai berikut (Dumanauw, 1990) [28]:

1. Kekuatan tarik kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang dapat menyebabkan kayu menjadi tertarik. Kekuatan tarik kayu pada arah serat yang sejajar memiliki nilai tertinggi dibandingkan arah serat yang tegak lurus.

Kekuatan tarik yang tercipta tersebut menunjukkan suatu hubungan tentang ketahanan kayu terhadap pembelahan.

2. Kekuatan tekan kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban tekan.

Kekuatan tekan yang sejajar arah serat memiliki nilai yang lebih besar daripada kekuatan tekan yang tegak lurs arah serat. Kekuatan tekan kayu erat kaitannya dengan kekerasan kayu dan kekuatan geser kayu.

3. Kekuatan geser kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang membuat kayu bergelingsir ke bagian lainnya. Kekuatan geser kayu yang paling besar terletak pada posisi melintang serat kayu.

4. Kekuatan lentur adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang membuat kayu menjadi melengkung akibat tekanan yang diberikan secara terus-menerus.

Kekuatan lentur terdiri atas lentur statik dan lentur pukul. Kekuatan lentur statik adalah kekuatan yang menunjukkan kekuatan kayu dalam menahan beban yang mengenai kayu secara perlahan-lahan, sedangkan kekuatan lentur pukul adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang diberikan secara mendadak seperti pukulan.

5. Keuletan kayu adalah kemampuan kayu terhadap tegangan yang diberikan secara berulang-ulang dan menyebabkan kayu melampaui batas proporsionalnya sehingga mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen dan kerusakan pada bagian kayu. Dengan kata lain, keuletan merupakan lawan kata dari kerapuhan kayu. Kayu yang ulet adalah kayu yang sukar dibelah.

6. Kekerasan kayu adalah kemampuan kayu dalam menahan beban yang dapat mengakibatkan terjadinya lekukan pada kayu atau dengan kata lain diartikan

22

sebagai kemampuan kayu dalam menahan kikisan. Kekerasan kayu erat kaitannya dengan berat jenis kayu. Kayu yang keras termasuk kayu yang berat dan kayu yang lunak termasuk kayu yang ringan.

7. Kekuatan belah kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang menyebabkan kayu menjadi terbelah.

2.5.4 Kayu Pinus

Kayu pinus merupakan jenis kayu yang memiliki kualitas baik. Kayu pinus memiliki berat (kepadatan 0,88 hingga 0,96), densitasnya berkisar 565-750 kg/m³, dan tahan terhadap panas. Kayu pinus sering digunakan dalam konstruksi, pembuatan korek api, bubur kertas, furnitur umum, alat peraga lubang, tiang elektronik, kapal, dan pembuatan kendaraan karena kayu pinus memiliki serat yang lurus dan sama rata yang dapat mempermudah proses manufaktur dan proses finishing [29]. Sehingga, jenis kayu pinus menjadi pilihan para peneliti dalam melakukan rancang bangun bilah turbin angin.

Dahlan [10] melakukan penelitian rancang bangun bilah turbin angin dengan material kayu pinus dan kayu mahoni. Hasil pengujian bilah tersebut menunjukkan bahwa ketahanan kayu pinus lebih baik daripada kayu mahoni. Bilah kayu mahoni mengalami keretakan pada salah satu bilahnya, sedangkan bilah kayu pinus tidak terjadi keretakan pada semua bilah. Sayogo et al. [30] melakukan penelitian rancang bangun bilah turbin angin sumbu horizontal untuk daerah Pantai Selatan Jawa menggunakan material kayu pinus. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah turbin angin dengan material kayu pinus mampu bekerja dengan baik pada kecepatan 1,5-3,9 m/s. Multazam dan Mulkan [9] melakukan penelitian rancang bangun turbin angin sumbu horizonyal menggunakan material kayu pinus untuk meningkatkan performa Permanent Magnet Generator (PMG). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah turbin angin berbahan kayu pinus memiliki putaran yang optimal dibandingkan bilah turbin angin berbahan fiberglass sehingga dapat meningkatkan

23

performa PMG. Performa yang baik pada material kayu pinus dapat dipilih untuk perancangan bilah inverse taper pada penelitian ini.

2.6 Simulasi Kekuatan Struktur

Simulasi adalah sebuah metode dalam merancang suatu model dari sistem nyata dengan tujuan untuk mengetahui perilaku sistem yang dibuat. Di era perkembangan teknologi saat ini, perilaku sistem seperti perpindahan panas, mekanika fluida, maupun hal-hal yang harus dikerjakan dengan metode numerik dapat dengan mudah diselesaikan dengan bantuan perangkat lunak yang didukung dengan metode elemen hingga. Metode ini merupakan salah satu metode pendekatan yang akan menghasilkan harga-harga pada titik-titik yang ditinjau secara diskrit. Dengan menggunakan perangkat lunak untuk desain suatu produk maka diharapkan kita dapat mengetahui kualitas terbaik dari produk yang dirancang. Selain itu, biaya yang murah untuk analisis produk menggunakan perangkat lunak dapat menekan mahalnya biaya pengujian karakteristik secara eksperimental. Hasil yang diperoleh pun lebih cepat dan akurat. Karenanya, diperlukan bantuan perangkat lunak yang mampu menganalisis karakteristik suatu produk salah satunya dengan perangkat lunak SolidWorks [31]. Oleh karena itu, peneliti akan melakukan analisis kekuatan struktur dengan menggunakan software SolidWorks 2018.

2.6.1 Teori Dasar Metode Finite Elemen

FEM atau Finite Element Method disebut sebagai metode elemen hingga yang saat ini paling banyak dipergunakan untuk analisis struktur material. Konsep paling dasar dari FEM adalah menyelesaikan suatu masalah dengan diskritisasi atau membagi objek yang dianalisa menjadi bagian-bagian kecil yang terhingga. Bagian tersebut disebut elemen yang terdiri dari nodal atau titik-titik sudut. Kemudian bagian-bagian tersebut digabungkan kembali untuk memperoleh penyelesaian pada keseluruhan daerah yang ditinjau. [26].

24

Metode elemen hingga sangat membantu penyelesaian masalah pada benda- benda yang mempunyai bentuk tidak teratur (elemen isoparametrik) dan 3 dimensi yang penyelesaiannya akan sulit jika menggunakan langkah-langkah matematis manual karena jumlah row coloumn matriksnya sangat banyak. Sehingga, dengan menggunakan cara numerik pada perangkat lunak berbasis metode elemen hingga maka solusi permasalahan dapat diperoleh dengan cepat. [19]. Terdapat banyak jenis perangkat lunak yang dapat digunakan untuk pembuatan model dan uji analisis model di antaranya CAD, Inventor, Catia, ANSYS, SolidWorks, dll. Akan tetapi, software yang support sampai ke tahapan analisis hanya beberapa saja, salah satunya software SolidWorks [15].

Analisis elemen hingga untuk menghitung kekuatan struktur dilakukan dengan proses meshing dengan membagi objek analisa menjadi bentuk jala seperti elemen- elemen kecil. Analisis untuk menentukan tegangan, diplacement, dan faktor keamanan pada struktur material dan struktur dengan memberikan pembebanan baik statis maupun dinamis disebut analisis statis menggunakan metode elemen hingga.

Sehingga, karakteristik kekuatan objek yang didesain dapat diketahui [13].

2.6.2 Komponen Simulasi Kekuatan Struktur

Komponen dalam melakukan analisis kekuatan struktur diperlukan data-data pendukung yang digunakan sebagai acuan proses analisa. Data basic yang dibutuhkan untuk melakukan proses analisa menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2018 adalah material, fixtures, external loads, dan create mesh. Pertama adalah material, data sheet material dari desain produk yang digunakan harus diinput pada bagian material properties sebagai langkah awal dalam melakukan simulasi kekuatan struktur. Kedua adalah fixtures yang merupakan menu untuk bagian dari produk yang akan mempertahankan posisinya apabila diberikan pembebanan. Ketiga adalah external loads yang merupakan menu untuk menentukan bagian dari desain yang akan diberikan pembebanan. Keempat adalah create mesh yang merupakan menu

25

untuk melakukan proses diskritisasi pada objek yang dianalisa. Objek akan dibagi menjadi elemen-elemen kecil pada bagian ini, proses tersebut didukung dengan metode elemen hingga [32]. Setelah sampai ke tahap tersebut, maka proses pengujiaan akan berjalan dalam beberapa detik atau menit tergantung dari banyaknya jumlah elemen yang ditampilkan pada desain objek yang dirancang.

2.6.3 Parameter Simulasi Kekuatan Struktur

Setelah dilakukan proses simulasi kekuatan struktur menggunakan perangkat lunak SolidWorks, maka akan diperoleh beberapa hasil yang menunjukkan perilaku dari desain objek yang dirancang. Sehingga dapat diketahui validitas dari desain tersebut. Hasil data dari simulasi struktur tersebut di antaranya berkaitan dengan:

1. Tegangan

Tegangan atau stress yang dalam ilmu fisika dilambangkan dengan 𝜎 dan satuannya ditulis dengan N/m². Tegangan diartikan sebagai intensitas gaya dan arahnya yang bekerja dari titik ke titik untuk menentukan kemampuan suatu material dalam menerima beban. Konsep dasar tegangan biasanya digambarkan dengan sebuah batang prismatis yang diberikan gaya aksial. Batang prismatis adalah sebuah elemen struktur lurus yang mempunyai penampang konstan di seluruh panjangnya, sedangkan gaya aksial adalah beban yang mempunyai arah yang sama dengan sumbu elemen sehingga mengakibatkan terjadinya tarikan atau tekanan pada batang.

Tegangan yang terjadi pada suatu benda dirumuskan sebagai berikut [33]:

𝜎 = 𝐹

𝐴 (2.10)

Secara umum, tegangan terbagi menjadi dua yaitu tegangan normal atau aksial dan tegangan geser. Tegangan normal adalah tegangan yang intensitas gayanya bekerja tegak lurus terhadap permukaan benda. Sedangkan tegangan geser yaitu

26

tegangan yang intensitas gayanya bekerja sejajar terhadap permukaan benda [15].

Tegangan normal menghasilkan tegangan tarik dan tegangan tekan dimana tegangan tarik adalah tegangan yang bekerja pada batang akibat adanya gaya tarik aksial yang menyebabkan benda menjadi bertambah panjang, sedangkan tegangan tekan adalah tegangan yang bekerja pada batang akibat adanya gaya tekan aksial yang menyebabkan benda mengalami pengurangan panjang atau memendek [26].

Tegangan pada suatu benda dapat menyebabkan terjadinya regangan. Regangan dapat berarti benda yang diuji tersebut memanjang, memendek, membesar, mengecil, dan sebagainya. Hal tersebut terjadi karena beban aksial yang bekerja pada benda.

Sama halnya dengan tegangan, regangan juga mengalami tekanan dan tarikan. Benda yang mengalami tarikan disebut sebagai regangan tarik yang ditandai dengan terjadinya perpanjangan pada benda. Sedangkan benda yang mengalami tekanan disebut sebagai regangan tekan yang ditandai dengan pemendekan pada benda.

Regangan dapat dirumuskan sebagai berikut [33]:

𝜀 = ∆𝐿

𝐿 (2.11)

2. Diplacement

Pembebanan pada suatu benda dapat menyebabkan benda mengalami perubahan baik bentuk maupun ukuran, keadaan ini disebut sebagai deformasi (diplacement). Perubahan ukuran ditandai dengan terjadinya pertambahan panjang yang disebut sebagai elongasi dan pemendekan atau konstraksi. Ketika benda mengalami proses deformasi maka benda akan menyerap sejumlah energi. Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan deformasi bentuk dan dimensinya. Deformasi terbagi menjadi dua yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis [33]. Deformasi elastis adalah deformasi yang ditandai dengan perubahan yang terjadi ketika beban tarik ditiadakan maka material akan kembali ke semula. Sedangkan deformasi plastis adalah deformasi yang ditandai dengan perubahan yang terjadi k terjadi ketika beban

27

tarik dilepaskan maka material tersebut tidak akan kembali ke semula. Keadaan deformasi tersebut erat kaitannya dengan elastisitas bahan yang sering disebut modulus Young yang dirumuskan sebagai berikut [34]:

𝐸 = 𝜎

𝜀 (2.12)

3. Faktor Keamanan

Faktor keamanan diartikan sebagai nilai perbandingan antara kekuatan sebenarnya dari material dengan kekuatan yang dibutuhkan. Suatu desain dinyatakan aman apabila memiliki nilai faktor keamanan diatas 1,0. Nilai dengan minimal 1,0 menunjukkan bahwa desain yang dirancang mampu untuk menghindari suatu kegagalan atau keruntuhan struktur materialnya. Sehingga, tujuan dari penentuan faktor keamanan pada suatu produk ialah untuk menentukan produk tersebut layak atau tidak untuk diimplementasikan. Nilai faktor keamanan dirumuskan sebagai berikut [15]:

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑜𝑓 𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦 (𝑛) = 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

𝑇𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑆𝑒𝑠𝑢𝑛𝑔𝑔𝑢ℎ𝑛𝑦𝑎 (𝜎) (2.13)

Kekuatan struktur material akan menghasilkan nilai faktor keamanan dibawah 1,0 apabila nilai tegangan yang dibutuhkannya lebih besar dibandingkan nilai kekuatan materialnya. Hal tersebut dapat menyebabkan bahan tidak layak digunakan karena deformasi yang terjadi telah melewati harga batas. Oleh karena itu, agar produk yang dirancang dinyatakan aman, maka nilai minimum faktor keamanan yang harus dicapai adalah sebesar 1,2. Adapun tingkat faktor keamanan dari suatu struktur ditetapkan sebagai berikut [15]:

28

1. n = 1,25 sampai dengan 2,0 ditetapkan pada perancangan struktur yang menerima pembebanan statis dengan tingkat kepercayaan yang tinggi untuk semua data perancangan yang dibuat.

2. n = 2,0 sampai dengan 2,5 ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen-elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan tingkat kepercayaan rata-rata untuk semua data perancangan yang dibuat.

3. n = 2,5 sampai dengan 4,0 ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen-elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan tingkat ketidakpastian mengenai beban, sifat-sifat bahan analisis tegangan, atau lingkungan.

4. n = 4,0 atau lebih ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen- elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan ketidakpastian mengenai beberapa kombinasi beban, sifat-sifat bahan, analisis tegangan, atau lingkungan.

Apabila nilai minimal faktor keamanan suatu produk yang dirancang mencapai 3 digit atau lebih, maka produk tersebut dipastikan memiliki tingkat keamanan sangat tinggi, memiliki kualitas sangat baik, berharga sangat mahal, dan cenderung berbobot besar karena material yang digunakan banyak [35]. Adapun, harga faktor keamanan untuk beberapa material ditinjau dari steady load, live load, dan shock load. Saat diberikan steady load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 5-6, wronght iron sebesar 4, steel sebesar 4, soft material dan alloys sebesar 6, leather sebesar 6, dan timber sebesar 7. Lalu, pada saat diberikan live load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 8-12, wronght iron sebesar 7, steel sebesar 8, soft material dan alloys sebesar 9, leather sebesar 12, dan timber sebesar 10-15. Sedangkan apabila diberikan shock load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 16-20, wronght iron sebesar 10-15, steel sebesar 12-16, soft material dan alloys sebesar 15, leather sebesar 15, dan timber sebesar 20. Perbedaan nilai faktor keamanan tersebut bergantung pada jenis bahan,

29

jenis material, proses pembuatan, jenis tegangan, bentuk komponen, dan sebagainya [36].

2.7 Qblade

QBlade adalah perangkat lunak kalkulasi open source yang menggunakan Metode Blade Element Momentum (BEM) dan merupakan perangkat lunak simulasi untuk turbin angin vertikal dan horizontal. Software ini terintegrasi dengan XFOIL yaitu sebuah perangkat untuk desain dan analisis airfoil. Software Qblade mampu melakukan perancangan airfoil, pembuatan desain dan optimasi bilah, pengomputasian performa turbin angin hingga tahap simulasi turbin angin [12].

QBlade menawarkan fungsionalitas untuk komputasi BEM dan desain blade yaitu sebagai berikut [37]:

1. Ekstrapolasi XFoil yang dihasilkan polar data kutub dalam bentuk 360⁰ AoA (Angel of Attack)

2. Optimalisasi desain bilah dalam bentuk visualisasi 3D

3. Pendefinisian turbin (bilah rotor, kontrol turbin, tipe generator)

4. Perhitungan BEM pada rentang rasio kecepatan TSR atau kecepatan angin 5. Fungsionalitas ekspor geometri bilah

6. Penyimpanan hasil proyek, rotor, turbin, airfoil, dan simulasi dalam database runtime

7. Perhitungan lebih dari 30 variabel rotor yang relevan

Kombinasi kode BEM dan XFoil memungkinkan pengguna dapat dengan cepat merancang custom airfoils dan menghitung polarnya, mengekstrapolasi data polar pada kisaran 360⁰ AoA, dan langsung mengintegrasikannya ke dalam simulasi rotor turbin angin. Modul-modul pada QBlade terdiri atas [37]:

1. Airfoil design and analysis. Modul analisis ini memungkinkan untuk mengimpor airfoil dan untuk menghitung data koefisien lift dan drag pada berbagai sudut serangan.

30

2. Lift and drag polar extrapolation. Modul ini memungkinkan polar yang sebelumnya dibuat dapat diekstrapolasi menjadi sudut serang 360⁰. Sebuah airfoil polar diekstrapolasi karena koefisien lift dan drag yang terbatas dari hasil XFoil pada sudut sebelum dan sesudah stall.

3. Blade design and optimization. Modul ini memungkinkan bilah dapat dirancang dengan menggunakan airfoil dan ektrapolasi polar 360º. Bilah rotor ditentukan dengan mendistribusikan airfoil ke berbagai bagian bilah seperti jumlah bilah, radius hub, panjang chord, sudut puntir, twist, dan lain-lain. Parameter tersebut dimasukkan ke dalam opsi desain bilah lanjutan.

4. Turbine definition and simulation. Modul ini memungkinkan untuk melakukan simulasi dengan menentukan dengan parameter seperti pengaturan daya, kecepatan putar, kecepatan cut in dan cut out, atau efisiensi generator.

Gambar 2.9 Modul Qblade [37]

Secara sederhana, proses perancangan bilah menggunakan perangkat lunak Qblade diawali dengan menggunakan modul airfoil design and analysis. Airfoil yang dipilih akan mempresentasikan karakteristik aerodinamik berupa kurva koefisien lift (Cl), koefisien drag (Cd), dan koefisien momentum (Cm). Kemudian dianalisis pada modul polar ekstrapolation untuk mengetahui nilai Cl dan Cd pada sudut serang yang lebih tinggi dan lebih rendah. Jika performanya baik maka dilakukan input parameter untuk pemodelan bilah pada modul blade design and optimization. Setelah itu, dilakukan simulasi.

31

Gambar 2.10 Pemodelan bilah pada Qblade 2.8 SolidWorks 2018

Software SolidWorks 2018 adalah sebuah software program rancang bangun yang banyak digunakan untuk mengerjakan desain berbagai macam produk baik 2D atau 3D. Software SolidWorks merupakan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga (Finite Element Analysis Program) yang dilengkapi dengan tool untuk menganalisis hasil desain [33]. Terdapat tiga template utama dalam perangkat lunak ini untuk pembuatan gambar di antaranya part, assembly, dan drawing. Pada bagian part, kita dapat merakit desain dalam bentuk 2D atau 3D dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDPRT. Selanjutnya, pada bagian assembly kita dapat menggunakan fitur pemodelan dengan parts, features, dan assembly lain secara bersamaan dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDASM. Dan yang terakhir adalah bagian drawing yang dapat digunakan untuk membuat model 2D dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDDRW. [38].

SolidWorks simulation merupakan tool yang dapat digunakan untuk menganalisis kekuatan struktur. Kehadiran tool simulation ini sangat membantu

32

untuk mengurangi kesalahan dalam membuat desain karena memberikan validasi yang cukup baik sehingga perancang dapat mengukur akurat atau tidaknya desain yang dibuat [38]. Dengan informasi yang dipresentasikan oleh software ini tentunya mampu memprediksi dampak dari suatu desain sejak awal [39].

Secara sederhana, proses analisis desain diawali dengan memilih jenis material yang akan digunakan pada objek. Langkah berikutnya adalah menentukan letak geometry atau tumpuan sebagai acuan statis ketika objek diberikan. Setelah itu, menentukan arah gaya yang akan diberikan dan melakukan input besarnya pembebanan. Pada tahap akhjr, dilakukan proses meshing secara computing untuk menghasilkan data analisis berupa diplacement, stress, dan Factor Of Safety (FOS).

Berikut salah satu output analisis kekuatan struktur berupa FOS dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2018.

Gambar 2.11 Analisis struktur pada SolidWorks

33

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di PT. Lentera Bumi Nusantara pada 23 September – 23 Oktober 2020 dan rumah peneliti pada Desember - Februari 2021.

3.2 Alat dan Bahan Penelitian

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

a. Seperangkat computer tipe Asus X450J b. Perangkat lunak SolidWorks 2018 c. Perangkat lunak Qblade v0.96

d. Perangkat lunak Microsoft Excel 2016.

e. Perangkat lunak Notepad f. Data sheet material kayu pinus

3.3 Tahapan Penelitian

Tahapan kerja pada penelitian ini digambarkan melalui diagram alir sebagai berikut:

34 Mula

i

Identifikasi awal

Pengumpulan data

Perancangan bilah

Valid

1. Thrust 2. Torsi 3. Daya

4. Koefisien daya Data I

A Ya

Tidak

Ya

1. Von misses stress 2. Diplacement 3. FOS (Factor Of

Safety) Data II

Kesimpulan Selesai

Pemodelan bilah 3D A

Input material properties kayu pinus

Analisis kekuatan struktur terhadap pembebanan

Valid

Tidak

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian

35 3.4 Pengolahan Data Penelitian

Pada penelitian ini terdapat empat macam pengolahan data yaitu pemilihan airfoil, perancangan geometri bilah menggunakan perangkat lunak Microsoft Excel, pemodelan 3D dan simulasi untuk menganalisis performa bilah menggunakan perangkat lunak Qblade yang didukung dengan metode Blade Element Momentum (BEM), dan pemodelan desain 3D terbaik serta simulasi kekuatan struktur terhadap pembebanan menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2018 yang didukung dengan Finite Elemen Method (FEM).

3.4.1 Pemilihan Airfoil

Sebelum melakukan perancangan bilah, terlebih dahulu dilakukan pemilihan airfoil dengan membandingkan beberapa airfoil kemudian dianalisis nilai Cl/Cd terhadap sudut alpha. Airfoil yang dianalisis yaitu airfoil NACA 4 digit dan airfoil NACA 5 digit di antaranya NACA 0018, 1410, 16021, 23012, 4418, dan 63210.

Analisis dilakukan menggunakan perangkat lunak Qblade dengan memilih modul airfoil design. Nomor seri NACA kemudian diinput pada NACA foils yang merupakan tampilan dari menu foil. Pemodelan airfoil yang akan dianalisis akan ditampilkan seperti gambar 3.2.

Gambar 3.2 Input nomor seri airfoil

airfoil design