DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN · PDF filedapat memperlancar proses pembuatan...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS

DENGAN TWIST 45° KAPASITAS 100 WATT

UNTUK SALA VIEW HOTEL

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

RIFQI MUHTAR ATSNAWI

NIM. I0411035

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

2016


commit to user

iv

MOTTO

“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila

kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada

Tuhanmu”. (Q.S Al Insyirah : 6-8)

“Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga

mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri”

(Q.S. ArRa’ad : 11)

“Kamu adalah apa yang kamu yakini”

(Rica Rachmania)


commit to user

v

PERSEMBAHAN

Dengan segala puja dan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa dan atas

dukungan dan do’a dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat

dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa

bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada:

Tuhan YME, karena hanya atas izin dan karuniaNyalah maka skripsi ini

dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada

Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do’a.

Bapak dan Ibu saya, yang telah memberikan dukungan moril maupun materi

serta do’a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah

lantunan do’a dan tiada do’a yang paling khusuk selain do’a yang terucap dari

orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas

kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk

kalian bapak ibuku.

Bapak dan Ibu Dosen pembimbing, penguji dan pengajar, yang selama ini

telah tulus dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan

saya, memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya, agar

saya menjadi lebih baik. Terimakasih banyak Bapak dan Ibu dosen, jasa kalian

akan selalu terpatri di hati.

Saudara saya (Kakak dan Adik), yang senantiasa memberikan dukungan,

semangat, senyum dan do’anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah

memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk

kalian.

Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan

kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa,

tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan

manis yang telah mengukir selama ini


commit to user

vi

Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua. Akhir kata saya

persembahkan skripsi ini untuk kalian semua, orang-orang yang saya sayangi.

Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk kemajuan ilmu

pengetahuan di masa yang akan datang, Aamiin


commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha

Panyayang, dengan ini kami panjatkan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah

melimpahkan rahmat-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan

skripsi dengan judul “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°

Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel”.

Adapun skripsi “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°

Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel” ini telah kami usahakan

semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan dari banyak pihak, sehingga

dapat memperlancar proses pembuatan makalah ini. Untuk itu penulis

mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

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

senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam

menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT, selaku Dosen Pembimbing II yang

turut serta memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam

menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST.,MT., Bapak Eko Prasetya B,

ST.,M.T., dan Ibu Indri Yaningsih, ST.,MT. selaku dosen penguji tugas

akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.

4. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah

berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas

Sebelas Maret ini.

5. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.

6. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir.

7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan

studi S1.


commit to user

viii

8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal

administrasi.

9. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku atas do’a restu, nasihat, motivasi, dukungan

material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi.

10. Rekan-rekan seperjuangan di Mecheng 11, kakak tingkat dan adik tingkat di

Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!!

11. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan

pembelajaran berharga yang akan selalu saya ingat.

12. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang

tidak bias penulis sebutkan satu-persatu.

Akhirnya penyusun mengharapkan semoga dari skripsi “Desain Turbin

Angin Tipe Savonius dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt untuk Sala View

Hotel” ini dapat diambil manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap

pembaca. Selain itu, kritik dan saran dari Anda kami tunggu untuk perbaikan

makalah ini nantinya.

Surakarta, 8 Maret 2016

Penulis


commit to user

ix

DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45°

KAPASITAS 100 WATT

UNTUK SALA VIEW HOTEL

Rifqi Muhtar Atsnawi Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Kebutuhan akan energi saat ini sangatlah tinggi. Hal ini dikarenakan banyak

pertumbuhan industri, gedung, dan perumahan. Hal tersebut apabila dibiarkan

akan menyebabkan kelangkaan energi. Salah satu upaya untuk menanggulanginya

adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan, seperti pemanfaatan turbin angin.

Tugas akhir ini akan membahas mengenai perancangan turbin angin tipe Savonius

kapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk produksi energi.

Berdasarkan analisa hasil perhitungan yang telah dilakukan didapat kecepatan

angin pada Sala View Hotel sebesar 7,06 m/det. Nilai koefisien daya (Cp) sebesar

0,18 dan tip speed ratio (λ) yang digunakan adalah 1. Nilai aspect ratio (α) dan

overlap ratio (β) sebesar 1,5 dan 0,2, maka didapatkan dimensi untuk luas sapuan

turbin sebesar 2,74 m2 dengan menggunakan sudu berbentuk twist 45° sebanyak

dua sudu dengan diameter sudu sebesar 0,75 m. Sehingga dimensi untuk tinggi

(H) dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,03 m dan 1,35 m.

Kata kunci: Kebutuhan energi, energi terbarukan, perancangan, turbin angin,

Savonius .


commit to user

x

DESIGN OF 450 TWISTED SAVONIUS WIND TURBINE WITH 100 WATT

CAPACITY AT SALA VIEW HOTEL

Rifqi Muhtar Atsnawi

Departement of Mechanical Engineering

Engineering Faculty of Sebelas Maret University

Surakarta Indonesia E-mail : [email protected]

Abstract

Nowadays the need of energy is very high because there are so many industries,

buildings, and housing need major energy source. If that problem is ignored it

will cause crisis energy. An effort to resolve it, is to utilize renewable energy such

as the wind turbines. This paper will discuss the design of the type Savonius wind

turbines with a capacity of 100 Watts that can be used for energy production.

Based on the analysis results have been carried out wind speed obtained at Sala

View Hotel is 7.06 m / s. The value of the power coefficient (Cp) of 0.18 and tip

speed ratio (λ) used is 1. The value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β)

of 1.5 and 0.2, then obtained for the sweep area of the turbine dimensions of 2.74

m2 with using 45° blade twist and a blade diameter of 0.75 m. So the dimensions

for height (H) and a rotor diameter (D) turbine is 2.03 m and 1.35 m.

Keywords: needs of energy, renewable energy, design, wind turbines, Savonius.


commit to user

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i

SURAT TUGAS ................................................................................................ ii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii

HALAMAN MOTTO ......................................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... v

KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii

ABSTRAK .......................................................................................................... ix

DAFTAR ISI ...................................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv

DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xvi

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xix

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 2

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................ 2

1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 2

1.6 SistematikaPenulisan ...................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 4

2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia ......................................... 4

2.2 Definisi Energi Angin ..................................................................... 5

2.3 Kondisi Arah Aliran Angin di Wilayah Perkotaan ......................... 6

2.3.1 Distribusi Weibull untuk Kecepatan Angin ............................ 7

2.3.2 Estimasi Energi Angin yang Tersedia ..................................... 8

2.4 Pengertian Turbin Angin................................................................. 9

2.5 Jenis Turbin Angin .......................................................................... 9

2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (HAWT) ............................. 10

2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ................................. 10

2.5.2.1 Turbin Angin Darrieus ................................................ 11


commit to user

xii

2.5.2.2 Turbin Angin Savonius ............................................... 11

2.6 Desain Turbin Savonius .................................................................. 12

2.6.1 Beberapa Hal yang dapat Menambah Performa Turbin

Savonius .............................................................................. 12

2.6.1.1 Jumlah Sudu ................................................................ 12

2.6.1.2 Bentuk Bucket ............................................................. 13

2.6.1.3 Aspect Ratio ................................................................ 16

2.6.1.4 Overlap Ratio .............................................................. 17

2.6.1.5 Endplate ...................................................................... 17

2.6.2 Parameter yang Bersangkutan dalam Pendesainan Turbin

Savonius ............................................................................... 17

2.6.2.1 Daya Turbin ................................................................ 18

2.6.2.2 Nilai putaran rotor (ω), Tip speed ratio (TSR) dan

Power Coefficient (Cp) ............................................. 18

2.6.2.3 Torsi ............................................................................ 20

2.6.2.4 Poros ........................................................................... 20

2.6.2.5 Pasak ........................................................................... 21

2.6.2.5 Bantalan Atau Bearing ............................................... 23

2.6.2.7 Sistem Transmisi Daya ............................................... 23

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ..................................................... 24

3.1 Prosedur Penelitian ......................................................................... 24

3.1.1 Studi Literatur ......................................................................... 24

3.1.2 Pemilihan Lokasi ..................................................................... 24

3.1.3 Mengumpulkan Data Kecepatan Angin .................................. 24

3.1.4 Pengolahan Data Kecepatan Angin ......................................... 24

3.1.5 Perancangan Desain Turbin Angin ......................................... 25

3.2 Penetapan Parameter Turbin Angin Savonius yang Akan didesain 25

3.3 Membuat Rancangan Turbin Angin................................................ 25

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ...................................................... 26

4.1 Potensi Kecepatan Angin ................................................................ 26

4.1.1.Perhitungan Data Kecepatan Angin ........................................ 26

4.1.2.Perhitungan Kecepatan Angin di Sala View Hotel ................. 27


commit to user

xiii

4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin Rata-Rata, Deviasi Standar

dan Nilai Parameter Bentuk (k) dan Parameter Skala(c) ........ 29

4.1.4.Fungsi Probabilitas dan Kumulatif Distribusi Weibull ........... 30

4.1.5.Potensi Energi Angin .............................................................. 31

4.1.6.Grafik Windrose Data Kecepatan Angin ................................. 32

4.2 Desain Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° .......................... 33

4.2.1.Perhitungan Rotor Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° 33

4.2.2.Perhitungan Luas Area Sapuan ............................................... 34

4.2.3.Perhitungan Dimensi Sudu ...................................................... 34

4.2.4.Perhitungan Diameter Endplate .............................................. 35

4.2.5.Perhitungan Diameter Sudu pada Rotor .................................. 35

4.2.6.Perhitungan Torsi dan Kecepatan Sudut ................................. 37

4.2.7.Perhitungan Diameter Poros.................................................... 37

4.2.8.Perhitungan Dimensi Pasak ..................................................... 42

4.3 Pemilihan Bearing .......................................................................... 43

4.4 Perancangan Transmisi Turbin ....................................................... 48

4.5 Pemilihan Generator ....................................................................... 49

4.6 Prediksi Performa Turbin ................................................................ 50

4.6.1.Perhitungan Saat Kondisi Start ............................................... 50

4.6.2. Perhitungan Saat Kondisi Charging ....................................... 52

4.7 Rangka ............................................................................................ 53

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 54

5.1 Kesimpulan ................................................................................... 54

5.2 Saran ............................................................................................. 54

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN


commit to user

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Profil kecepatan angin di perkotaan ................................................6

Gambar 2.2 Beberapa contoh turbin angin .........................................................9

Gambar 2.3 Contoh turbin angin tipe horizontal ................................................10

Gambar 2.4 Contoh turbin angin tipe vertikal ....................................................11

Gambar 2.5 Contoh turbin angin tipe vertikal jenis Savonius ............................12

Gambar 2.6 Grafik pengaruh jumlah sudu ..........................................................13

Gambar 2.7 Savonius dengan profil semi circular .............................................14

Gambar 2.8 Savonius dengan profil twist ...........................................................14

Gambar 2.9 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Cp ........................15

Gambar 2.10 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Ct .......................15

Gambar 2.11 Tampak atas dan samping dari turbin dengan twist (a) 0° (b) 45° (c)

90° (d) 135° .................................................................................16

Gambar 2.12 Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin ..................17

Gambar 2.13 Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio ..........................19

Gambar 2.14 Pasak..............................................................................................22

Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian..................................................................25

Gambar 4.1 Grafik fungsi probability density ....................................................30

Gambar 4.2 Grafik fungsi distribusi cumulative .................................................31

Gambar 4.3 Grafik Windrose ..............................................................................32

Gambar 4.4 Desain Turbin Angin Savoius dengan Twist 45° ............................33

Gambar 4.5 End-plate .........................................................................................35

Gambar 4.6 Sudu Savonius dengan Twist 45° ....................................................36

Gambar 4.7 Skema turbin angin Savonius ..........................................................39

Gambar 4.8 Ilustrasi aliran udara di perkotaan ...................................................40

Gambar 4.9 Pasak................................................................................................42

Gambar 4.10 Bantalan bolt flange mounted bearing ..........................................48

Gambar 4.11 Generator NE – 100S ....................................................................50

Gambar 4.12 Performa Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal .......................53

Gambar 4.13 Rangka ...........................................................................................53

Gambar 4.14 Turbin angin Savonius dengan twist 45° .......................................54


commit to user

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelompokan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi

potensial ........................................................................................... 5

Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasaran dan nilai gradien tinggi pada puncak lapis

batas berdasarkan lokasi yang berbeda ............................................... 7

Tabel 2.3 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ......................................... 22

Tabel 4.1 Contoh data kecepatan angin pada bulan Januari 2013 ...................... 26

Tabel 4.2 Contoh data kecepatan angin bulan Januari 2013 pada ketinggian

45 m .................................................................................................... 28

Tabel 4.3 Arah angin selama dua tahun .............................................................. 32

Tabel 4.4 Parameter-parameter dalam menentukan dimensi turbin.................... 34

Tabel 4.5 Daftar Nilai Safety Factor ................................................................... 38

Tabel 4.6 Nilai koefisien drag ............................................................................ 39

Tabel 4.7 Dimensi bantalan 5208........................................................................ 48


commit to user

xvi

DAFTAR NOTASI

A luas area (m2)

AR aspect ratio

As luas sapuan untuk rotor turbin Savonius (m2)

At luas sapuan rotor turbin (m2)

C kapasitas beban dinamik

c parameter skala distribusi Weibull

C0 kapasitas beban statik

Cd koefisien Drag

Cp koefisien daya turbin

D diameter turbin angin (m)

Df diameter endplate (m)

dp diameter poros (m)

Ds diameter rotor turbin angin (m)

e jarak antara dua sudu turbin (m)

E energi kinetik (Nm)

Ed energi per satuan waktu

Et energi selama satu satuan waktu

F(V) fungsi cumulative distribusi Weibull

f(V) fungsi probability density distribusi Weibull

Fd gaya drag (N)

H tinggi turbin angin (m)

H1 ketinggian pengukuran angin oleh badan meteorologi (10 m)

H2 ketinggian tempat yang ingin dilakukan observasi (m)

Hs tinggi rotor turbin angin Savonius (m)

k parameter bentuk distribusi Weibull

Km faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan bending

Ks faktor keamanan untuk bearing

Kt faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan torsi

l panjang pasak (m)


commit to user

xvii

Lh umur bantalan/bearing

M momen (N.m)

M massa udara yang bergerak (kg)

mb massa sudu (kg)

Me momen bending (N.m)

N kecepatan putar (rpm)

N safety factor

P daya (Watt)

Pt daya yang dihasilkan turbin (Watt)

R jari jari turbin angin (m)

r jari jari rotor turbin Savonius (m)

Sy tegangan yield material (N/m2)

t tebal pasak (m)

T torsi yang dihasilkan oleh turbin angin (N.m)

Te momen puntir (N.m)

V kecepatan angin (m/s2)

V1 kecepatan angin yang diukur Badan Meteorologi (m/s)

V2 kecepatan angin yang diukur pada ketinggian Z2 (m/s)

VE besar kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimum (m/s)

Vf kecepatan angin yang sering muncul selama satu periode waktu (m/s)

Vm kecepatan rata rata (m/s)

W beban radial ekivalen dinamik

w lebar pasak (m)

WA beban aksial (N)

WR beban radial (N)

X faktor beban radial

Y faktor rotasi

Z1 nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi Badan Meteorologi

Z2 nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi yang ingin diketahui

α1 kekasaran permukaan di lokasi Badan Meteorologi

α2 kekasaran permukaan di lokasi yang ingin diketahui

δ overlap ratio


commit to user

xviii

λ tip speed ratio

ρ massa jenis udara (kg/m3),

σ solidity

σ standar deviasi

σd tegangan tarik ijin material untuk desain (N/m2)

τd tegangan geser ijin material untuk desain (N/m2)

ω kecepatan sudut putar turbin angin (rad/s)


commit to user

xix

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data Kecepatan Angin .................................................................. 59

Lampiran 2. Hasil perhitungan VEmax per bulan ............................................. 71

Lampiran 3. Hasil Pengolahan Data Kecepatan Angin perbulan Selama Dua

Tahun ............................................................................................. 71

Lampiran 4. Hasil Perhitungan Arah Angin ....................................................... 71

Lampiran 5. Tabel Standar Ukuran Pasak .......................................................... 72

Lampiran 6. Standar Ukuran Bantalan ............................................................... 72


commit to user

vii

DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN · PDF filedapat memperlancar proses pembuatan...

Documents

Transcript of DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN · PDF filedapat memperlancar proses pembuatan...