TUGAS AKHIR

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN PERFORMA ROTOR

TURBIN ANGIN DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED

AIRFOIL PADA BEBERAPA VARIASI SUDUT SERANG

Disusun Sebagai Syarat Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun Oleh :

IRFAN ALI

NIM : D.200.130.086

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2017

ii

iii

HALAMAN PERSETUJUAN

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN ROTOR TURBIN ANGIN

DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED AIRFOIL PADA BEBERAPA

VARIASI SUDUT SERANG

Diajukan Oleh:

IRFAN ALI

D 200 130 086

Skripsi telah disetujui oleh pembimbing skripsi Jurusan Teknik Mesin,

Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta untuk

dipertahankan dihadapan tim penguji

Surakarta,....................

Nur Aklis S.T., M.Eng.

iv

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas Akhir berjudul “RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN ROTOR

TURBIN ANGIN DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED AIRFOIL PADA

BEBERAPA VARIASI SUDUT SERANG”, telah dipertahankan di hadapan

Tim Penguji dan telah dinyatakan sah untuk memenuhi sebagian syarat

memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :

Nama : Irfan Ali

NIM : D 200 130 086

Disahkan pada

Hari :

Tanggal :

Tim Penguji :

Ketua : Nur Aklis. S.T.,M.Eng. ....................

Anggota 1 : Ir.Sunardi Wiyono. M.T . ....................

Anggota 2 : Patna Partono. S.T.,M.T. .....................

Dekan, Ketua Jurusan,

Ir. Sri Sunarjono, MT. Ph. D

Ir. Subroto, MT.

v

LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR

Bedasarkan surat Keputusan Rektor Universitas Muhammadiyah Surakarta Nomor 150 / II / 2016 Tanggal 8 September 2016

Dengan ini :

Nama : Nur Aklis S.T.,M.Eng

Pangkat/jabatan : Asisten Ahli

Kedudukan : Pembimbing

Memberikan soal tugas akhir kepada Mahasiswa :

Nama : Irfan Ali

Nomor Induk : D 200 130 086

NIMR : -

Jurusan/Semester : Teknik Mesin / Akhir

Judul/Topik : RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN ROTOR TURBIN ANGIN DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED AIRFOIL PADA BEBERAPA VARIASI SUDUT SERANG

Rincian Soal/Tugas : Merancang, membuat, dan menguji performa rotor turbin angin dengan sudu uniform airfoil dan mixed airfoil

Demikian soal tugas akhir dibuat untuk dapat dilaksanakan sebagaimana mestinya.

Surakarta, 28 februari 2017

Pembimbing

Nur Aklis S.T.,M.Eng

vi

MOTTO

(yaitu) orang-orang yang beriman dan hati mereka manjadi

tenteram dengan mengingat Allah. Ingatlah, hanya dengan

mengingati Allah-lah hati menjadi tenteram. (QS 13:28)

“Siapa yang mampu belajar? Merekalah yang mempraktekkan

apa yang mereka ketahui.”

( Nabi Muhammad SAW )

HALAMAN PERSEMBAHAN

vii

Untuk orang tuaku, Ali mursidi dan Wasiyatun Dan adik – adikku, Kun farida dan Ahmad hasan ali

Irfan Ali

viii

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN ROTOR TURBIN ANGIN DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED AIRFOIL PADA BEBERAPA

VARIASI SUDUT SERANG

Irfan Ali dan Nur Aklis

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura

Email: ali irfan.10081995@gmail.com

ABSTRAKSI

Energi merupakan kebutuhan mendasar dalam pembangunan ekonomi dan sosial. Kenaikan jumlah penduduk dan pertumbuhan ekonomi menyebabkan kebutuhan energi meningkat. Energi angin merupakan sumber energi terbarukan yang potensial untuk memenuhi kebutuhan sumber energi. Rotor turbin angin adalah peralatan mekanis yang bekerja untuk mengubah energi kinetik yang terkandung dalam energi angin menjadi tenaga mekanik. Tujuan dari penelitian ini adalah membandingkan karakteristik performa dua model rotor turbin angin. Pada penelitian ini menggunakan rotor dengan model sudu uniform dan mixed airfoil. Rotor dengan sudu uniform airfoil menggunkan primary airfoil NREL S812 dan rotor menggunakan sudu mixed airfoil menggunakan airfoil pada root:NREL S814, mid: NREL S812, dan pada tip: NREL S813. Material sudu yang digunakan adalah glassfibre reinforced plastics (GRP) dengan cetakan yang di buat menggunakan CNC milling 3 axis dan menggunakan polyurethane foam sebagai struktur. Pengujian dilakukan pada sudut yang berbeda dengan sudut 0, 5 ˚, 10 ˚, 15 ˚, 20 ˚, 25 ˚, 30 ˚, dan 35˚ pada kecepatan angin 4m / s, dengan beban lampu 3 watt. Dari hasil pengujian diketahui bahwa kedua model rotor mempunyai sudut serang optimal 5 ˚. Rotor uniform airfoil menghasilkan tegangan rata – rata tertinggi sebesar 2,72 v dan daya rata - rata tertinggi sebesar 0,38 w. Rotor mixed airfoil menghasilkan tegangan rata – rata tertinggi sebesar 3,23 v dan daya rata – rata tertinggi sebesar 0,46 w. Dari hasil pembahasan disimpulkan bahwa rotor mixed airfoil mempunyai performa yang lebih baik dari rotor uniform airfoil pada sudut serang optimal.

Kata Kunci: Angin, Airfoil Campuran, Airfoil Seragam, Energi Angin,

Rotor, Turbin Angin.

ix

ABSTRACTS

Energy is a fundamental demand in economic and social development. The growth of population and economic causes the increase of energy demand. Wind energy is a potential source of renewable energy to supply of energy demand. Wind turbine rotor is a mechanical equipment that works to convert kinetic energy contained in wind energy into mechanical power. The aim of this study is to compare the performance characteristics of two wind turbine rotor models. This study used two wind turbine rotor models with different blade geometry, uniform airfoil rotor with primary airfoil NREL S812 and mixed airfoil rotor with airfoil at root: NREL S814, mid: NREL S812, and on the tip: NREL S813. The blade material used is glass-fiber reinforced plastics (GRP) with molds made using CNC milling 3 axis and using polyurethane foam as a structure. The tests were performed at different angle of attack 0˚, 5 ˚, 10 ˚, 15 ˚, 20 ˚, 25 ˚, 30 ˚, and 35˚ angles at wind speed of 4m / s, with a 3-watt lamp load. Based on the researches, it was found that the two rotor models have an optimum angle of 5 ̊ . Uniform airfoil rotor produces highest an average voltage of 2.78 v and highest average power of 0.38 w. Mixed airfoil rotor produces highest average voltage of 3.23 v and highest average voltage of 0.46 w. From result of discussion concluded that mixed airfoil rotor have better performance than uniform airfoil rotor at optimum angle of attack. Keywords: Wind, Wind Energy, Mixed Airfoil, Rotor, Wind Turbine,

Uniform Airfoil.

x

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb

Puji syukur Alhamdulillah atas kehadiran Allah SWT, atas segala

limpahan rahmat dan hidayah-Nya, semoga kita senantiasa dalam

lindungan-Nya. Shalawat serta salam senantiasa tercurahkan kepada

Rasulullah Muhammad SAW, yang kita jadikan suri tauladan dalam

kehidupan ini. Syukur Alhamdulillah penyusunan skripsi ini dapat

terselesaikan dengan baik.

Skripsi berjudul “RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN ROTOR

TURBIN ANGIN DENGAN SUDU UNIFORM DAN MIXED AIRFOIL PADA

BEBERAPA VARIASI SUDUT SERANG”, dapat terealisasikan atas

dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini penulis

dengan segala ketulusan dan keikhlasan hati ingin menyampaikan rasa

terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT, Ph. D, sebagai Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Ir. Subroto, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.

3. Bapak Nur Aklis S.T.,M.Eng., selaku Pembimbing utama yang telah

memberikan pengarahan, bimbingan, dan saran hingga skripsi ini dapat

terselesaikan.

4. Bapak Ir. Ngafwan, M.T., selaku pembimbing akademik yang selalu

memberikan masukan-masukan dan dorongan yang mendukung

kepada penulis.

5. Bapak/Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu

yang bermanfaat, sehingga penulis dapat mencapai gelar sarjana S-1.

xi

6. Bapak Bambang Waluyo Febriantoko S.T.,M.T, rekan asisten lab.

CAD/CAM/Catia, dan tim produksi CeduCNC atas ilmu dan pengalaman

yang berharga selama kuliah.

7. Rekan seperjuangan tugas akhir tim turbin angin (david dan mas

danang) dan tim gasifikasi (shodiq, nurman, niko, deni, ican, mas ari)

yang saling membantu dan menyemangati selama mengerjakan tugas

akhir.

8. Teman – teman teknik mesin universitas muhammadiyah surakarta dari

berbagai angkatan, khususnya Teknik Mesin 2013 dan Keluarga

Mahasiswa Teknik Mesin atas pengalaman yang berharga selama

kuliah.

Semoga amal baik semua pihak yang membantu dalam penyusunan

skripsi ini mendapatkan imbalan dari Allah SWT. Penulis menyadari dalam

penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan, meskipun telah berusaha

untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Segala kritik dan saran yang

membangun sangat penulis harapkan. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi

penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Surakarta, November 2017

Penulis,

Irfan Ali

D 200 130 093

xii

DAFTAR ISI

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

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ................................................ ii

HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN................................................................. iv

LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR ........................................................ v

LEMBAR MOTTO ........................................................................... vi

HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................. vii

ABSTRAKSI ...................................................................................... viii

ABSTRACTS ...................................................................................... ix

KATA PENGANTAR ........................................................................... x

DAFTAR ISI ........................................................................................ xii

DAFTAR SIMBOL ............................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xv

DAFTAR TABEL ................................................................................. xix

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

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

1.2 Perumusan Masalah ............................................................... 4

1.3 Batasan Masalah..................................................................... 4

1.4 Tujuan Penelitian..................................................................... 4

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................. 6

2.1 Kajian Pustaka ........................................................................ 6

2.2 Landasan Teori ....................................................................... 10

xiii

2.2.1 Energi Angin ................................................................. 10

2.2.2 Turbin Angin ................................................................. 12

2.2.2.1Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH) ....................... 14

2.2.2.2Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) ........................... 15

2.2.3 Teori Airfoil ................................................................... 18

2.2.4 Pitch Angle lokal (β) dan Chord (c) Menurut Betz ......... 19

2.2.5 Pitch Angle lokal (β) dan Chord (c) Menurut Schmitz ... 24

2.2.6 Efisiensi Turbin Angin ................................................... 29

2.2.6.1 Rotor ........................................................................... 29

2.2.6.2 Gearbox, Generator, dan Konverter ............................ 29

2.2.7 HAWT Airfoil NREL ....................................................... 30

2.2.8 Material komposit .......................................................... 31

2.2.8.1 Fibers .......................................................................... 34

2.2.8.2 Matrix .......................................................................... 35

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................. 37

3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 37

3.2 Perencanaan Sudu Turbin ...................................................... 38

3.3 Pembuatan Turbin Angin ......................................................... 45

3.3.1 Alat ....................................................................................... 45

3.3.2 Bahan ................................................................................... 47

3.3.3Pembuatan Sudu Turbin Angin .............................................. 50

3.3.5 Pembuatan Poros Utama, Hub Rotor, dan Nacelle .............. 56

3.4 Pengujian Turbin Angin ........................................................... 58

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 61

4.1 Spesifikasi rotor turbin angin ................................................... 61

4.2 Hasil dan Pembahasan ........................................................... 62

4.2.1 Grafik tegangan dan daya terhadap sudut serang rotor

uniform airfoil ........................................................................ 62

4.2.2 Grafik tegangan dan daya terhadap sudut serang rotor

mixed airfoil .......................................................................... 64

xiv

4.2.3 Grafik perbandingan tegangan rotor uniform airfoil dan

mixed airfoil terhadap sudut serang ...................................... 66

4.2.4 Grafik perbandingan daya rotor uniform airfoil dan mixed

airfoil terhadap sudut serang ................................................ 67

BAB V PENUTUP ................................................................................ 68

5.1 Kesimpulan .................................................................................... 68

5.2 Saran ............................................................................................. 69

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Aliran udara berkecepatan v1 melalui luasan A ............. 10

Gambar 2.2. Kecepatan Aliran udara melewati rotor turbin angin ..... 11

Gambar 2.3. Prinsip turbin angin tipe drag ........................................ 13

Gambar 2.4. Prinsip turbin angin tipe lift ............................................ 13

Gambar 2.5. Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH) ....................... 14

Gambar 2.6. Beberapa tipe Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) ..... 16

Gambar 2.7. Definisi sudut serang(α) ................................................ 18

Gambar 2.8. Koefisien lift dan koefisien drag terhadap sudut serang 19

Gambar 2.9. Kecepatan dan sudut yang bekerja pada airfoil ........... 20

Gambar 2.10. Potongan sudu pada jarak r dari sumbu rotor ............... 22

Gambar 2.11. Gaya – gaya pada potongan sudu turbin angin ............ 23

Gambar 2.12. Aliran udara sebelum dan sesudah rotor turbin ........... 25

Gambar 2.13. Kecepatan pada permukaan rotor ................................. 28

Gambar 2.14. Komponen – komponen utama turbin angin ................. 30

Gambar 2.15. Fibrous composites ....................................................... 33

Gambar 2.16. Particulate composites .................................................. 34

Gambar 2.17. Laminated composites .................................................. 34

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian .................................................. 37

Gambar 3.2. Tip Speed Ratio terhadap koefisien daya ..................... 40

Gambar 3.3. Airfoil NREL yang digunakan ........................................ 40

xvi

Gambar 3.4. Sudut – sudut dan kecepatan pada potongan airfoil ..... 41

Gambar 3.5. Material dan struktur sudu turbin ................................... 42

Gambar 3.6. CNC Router .................................................................. 43

Gambar 3.7. Endmill Flat ................................................................... 43

Gambar 3.8. Endmill Ball ..................................................................... 44

Gambar 3.9. Gunting .......................................................................... 44

Gambar 3.10. Kuas .............................................................................. 45

Gambar 3.11. Anemometer ................................................................. 45

Gambar 3.12. Multimeter ..................................................................... 46

Gambar 3.13. Data Logger .................................................................. 46

Gambar 3.14. Kayu .............................................................................. 47

Gambar 3.15. Polyester resins............................................................. 47

Gambar 3.16. Woven Fiberglass ......................................................... 48

Gambar 3.17. Katalis ........................................................................... 48

Gambar 3.18. Cobalt ............................................................................ 48

Gambar 3.19. Mirror Glaze .................................................................. 49

Gambar 3.20. Polyurethane Part A dan Part B .................................... 49

Gambar 3.21. Gelas plastik ................................................................. 50

Gambar 3.22. Cast Nylon .................................................................... 50

Gambar 3.23 Desain cetakan sudu turbin ............................................ 51

Gambar 3.24. Simulasi alur pahat roughing ......................................... 51

Gambar 3.25. Simulasi alur pahat finishing ......................................... 51

Gambar 3.26. Cetakan sudu turbin ...................................................... 52

xvii

Gambar 3.27. Resin, Katalis, dan Cobalt ............................................. 52

Gambar 3.28. Marking Pola Sudu Turbin ............................................. 53

Gambar 3.29. Potongan fiberglas sudu turbin ..................................... 53

Gambar 3.30. Pencetakan sudu dengan teknik hand lay up ................ 54

Gambar 3.31. Pemasangan cetakan ................................................... 54

Gambar 3.32. Pembukaan cetakan sudu turbin ................................... 55

Gambar 3.33. Sudu turbin yang telah jadi ............................................ 55

Gambar 3.34. Komponen turbin yang direncanakan ............................ 56

Gambar 3.35. Gambar kerja hub rotor ................................................. 56

Gambar 3.36. Pembuatan poros utama ............................................... 57

Gambar 3.37. Pembuatan komponen rotor .......................................... 57

Gambar 3.38. Pembuatan komponen nacelle ...................................... 58

Gambar 3.39. Skema instalasi pengujian ............................................ 58

Gambar 3.40. Skema rangkaian data logger ....................................... 59

Gambar 3.41. Marking untuk sudut serang .......................................... 59

Gambar 4.1. Sudu uniform airfoil ......................................................... 51

Gambar 4.2. Sudu mixed airfoil............................................................ 51

Gambar 4.3. Desain turbin angin sumbu horizontal ........................... 51

Gambar 4.4. Turbin angin sumbu horizontal ...................................... 51

Gambar 4.5. Tegangan terhadap sudut serang rotor

uniform airfoil................................................................ 62

Gambar 4.6. Daya terhadap sudut serang rotor

uniform airfoil................................................................ 62

Gambar 4.7. CL/CD terhadap alpha (α) airfoil NREL S812 ............... 63

xviii

Gambar 4.8. Tegangan terhadap sudut serang rotor

mixed airfoil .................................................................. 64

Gambar 4.9. Daya terhadap sudut serang rotor

Mixed airfoil .................................................................. 64

Gambar 4.10. CL/CD terhadap alpha (α) airfoil NREL S814, NREL S812,

dan NREL S813.............................................................. 65

Gambar 4.11. Perbandingan tegangan rotor uniform airfoil dan mixed

airfoil terhadap sudut serang .......................................... 66

Gambar 4.12. Perbandingan Daya rotor uniform airfoil dan mixed airfoil

terhadap sudut serang .................................................... 67

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Desain rotor turbin angin yang sudah ada ......................... 42

Tabel 4.1. Spesifikasi rotor tubin angin ............................................... 61

xx

DAFTAR SIMBOL

B - Jumlah sudu

CD - Koefisien drag

CD,max -

Koefisien drag, nilai maksimal,

pada α = 90°

CL - Koefisien lift

CP - Koefisien daya

c m Panjang chord

FL N/m Gaya lift

FD N/m Gaya drag

M Nm Torsi

n 1/s Kecepatan rotasi rotor

p Pa Tekanan

P W Daya

Pmax W Daya maksimal

r m Radius section

Re - Angka reynolds

v1 m/s Kecepatan angin di depan rotor

v3 m/s Kecepatan angin di belakang rotor

vTIP m/s Tip

w m/s Relative

X - Tip Speed Ratio (TSR)

x - TSR lokal

β ° Sudut pitch potongan airfoil

η % Efisiensi

φ °

Sudut relatif angin terhadap

sumbu rotor

ω s-1 Kecepatan sudut

ρ kg/m3 Densitas udara (1,225 kg/m3)