i

TUGAS AKHIR

STUDI KINERJA TURBIN ANGIN SELUBUNG DIFFUSER

SUMBU HORISONTAL NACA 4412 TAPERLESS

Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar

Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:

DANANG SETYO PRABOWO

D 200 120 027

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2017

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

Apabila kamu sudah memutuskan menekuni suatu bidang, jadilah orang

yang konsisten. Itulah kunci keberhasilan yang sebenarnya.

BJ. Habibie

“ Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila

kamu telah selesai dari urusan, kerjakan dengan sungguh-sungguh

urusan yang lain”

(Al-Insyiroh : 5-7)

Usaha dan keberanian tidak cukup tanpa tujuan dan arah perencanaan

John F. Kennedy

“Hai orang – orang yang beriman, jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai

penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang – orang yang sabar”

(Al-Baqarah : 153)

vii

PERSEMBAHAN

Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia

dan keridhaan Allah SWT yang memiliki seluruh jiwa ini. Berkat ilmu yang

ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah karya ini dapat

terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur karya ini penulis

persembahkan untuk :

Ibu Sumiyati dan bapak Slamet tercinta yang telah membesarkan

anak-anakmu dengan kasih sayang, terima kasih atas segala yang

telah kalian berikan.

Adikku tersayang Naufal Septian Mahendra semoga kamu bisa

lebih baik dari kakakmu ini.

Teman-teman yang telah membantu dalam pembuatan dan

pengujian yaitu david, irfan, putut, arifin, kang anta, kang padang,

burhan, fariz, audi, kang wendy, diki, jumali, wahid dan seluruh

teman-teman yang telah membantu pembuatan dan pengujian ini.

Teman-teman Teknik Mesin 2012. Terima kasih atas bantuan dan

dukungannya selama menempuh masa perkuliahan. Yang selalu

memberikan semangat tiada henti dalam mengerjakan Tugas Akhir

ini.

Terima kasih pula kepada teman-teman kontrakan gumpang kang

Toriq, kang Andi, kang Wahid, Kang Abdul, Azis, Alif, dan Nanang

yang telah mengajarkan arti kebersamaan.

Terimakasih pula tim mobil Bayu Surya, Keluarga Mahasiswa

Teknik Mesin yang telah menjadi tempat untuk belajar dan meraih

pengalaman dan ilmu selama perkuliahan

viii

STUDI KINERJA TURBIN ANGIN SELUBUNG DIFFUSER SUMBU

HORISONTAL NACA 4412 TAPERLESS

Danang Setyo Prabowo, Nur Aklis Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, kartasura E-mail : Dans240295@gmail.com

ABSTRAKSI

Pemanfaatan energi angin di Indonesia masih rendah, hal ini

disebabkan rata-rata kecepatan angin berkisar 2 - 6 m/s. Dengan

menggunakan selubung diffuser dapat meningkatkan kecepatan angin

disekitar rotor turbin angin. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui

pengaruh selubung diffuser pada turbin angin.

Penelitian ini menggunakan metode eksperimen perbandingan

turbin angin biasa dengan turbin angin selubung diffuser. Spesifikasi turbin

angin memiliki rotor berdiameter 2,5 m, menggunakan airfoil NACA 4412

taperless dan spesifikasi diffuser yang digunakan memiliki lebar 0,565 m,

diameter inlet 2,7 m, dan diameter outlet 2,91 m.

Hasil dari penelitian ini menunjukan bahwa turbin angin diffuser

memiliki pengaruh yang cukup signifikan terhadap perolehan daya dan

coefficien of power pada kecepatan angin 3 – 6 m/s. Selisih coefficient of

power turbin angin selubung diffuser mencapai 40 kali dari turbin angin

biasa pada kecepatan angin 3 m/s, dikarenakan perbedaan cut in speed

turbin angin selubung diffuser.

Kata kunci : Airfoil, Cut in Speed, Coefficient of Power, NACA, Taperless

ix

STUDY OF PERFORMANCE WIND TURBINE SHROUDS DIFFUSER

HORIZONTAL AXIS NACA 4412 TAPERLESS

Danang Setyo Prabowo, Nur Aklis Departement of Mechanical Engineering Universitas Muhammadiyah

Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, kartasura

E-mail : Dans240295@gmail.com

ABSTRACT

Utilization of wind energy in Indonesia is still low, this is due to

average of wind speeds between range 2 to 6 m / s. Using a diffuser

shroud can increase the wind speed around the wind turbine rotor. The

purpose of this research is to know the effect of shrouds diffuser on wind

turbine.

This research used the experimental method of comparison

between ordinary wind turbine and shrouds diffuser wind turbine. The

specification of wind turbine has a 2.5 m diameter’s rotor, using NACA

4412 airfoil taperless and diffuser specification used has a width of 0.565

m, a 2.7 m inlet diameter, and has outlet diameter of 2.91 m.

The results of this research represent that diffuser wind turbine has

a significant influence on power acquisition and has coefficient of power at

wind speed 3 - 6 m / s. The deviation coefficient of wind turbine diffuser

shroud reaches 40 times than ordinary wind turbine at a wind speed of 3

m / s, due to the difference in cut in speed on the wind turbine shrouds

diffuser.

Keywords: Airfoil, Cut in Speed, Coefficient of Power, NACA, Taperless

x

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan

Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, Penulis banyak mendapatkan

bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh

keikhlasan ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

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

Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Nur Aklis, ST.,M.Eng. selaku Dosen Pembimbing yang

telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam

penyusunan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Ir. Sunardi Wiyono, MT. selaku Pembimbing Akademik.

5. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staff Tata Usaha Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan dan

kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya

keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang

xi

xii

DAFTAR ISI

Halaman Judul.............................................................................................i

Pernyataan Keaslian Skripsi........................................................................ii

Halaman Persetujuan.................................................................................iii

Halaman Pengesahan................................................................................iv

Lembar Soal Tugas Akhir............................................................................v

Halaman Motto...........................................................................................vi

Halaman Persembahan.............................................................................vii

Abstraksi...................................................................................................viii

Abstract......................................................................................................ix

Kata Pengantar...........................................................................................x

Daftar Isi....................................................................................................xii

Daftar Gambar...........................................................................................xv

Daftar Tabel.............................................................................................xvii

Daftar Simbol..........................................................................................xviii

BAB I PENDAHULUAN

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

1.2 Perumusan Masalah....................................................................2

1.3 Tujuan Penelitian.........................................................................2

1.4 Manfaat Penelitian.......................................................................2

1.5 Batasan Masalah.........................................................................3

1.6 Sistematika Penulisan..................................................................3

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN TEORI

2.1 Studi Literatur...............................................................................6

2.2 Teori Penunjang...........................................................................7

2.2.1 Energi Angin.....................................................................7

2.2.2 Turbin Angin Selubung Diffuser........................................9

2.2.3 Daya Angin.....................................................................10

2.2.4 Daya Teoritis Turbin Angin.............................................11

xiii

2.2.5 Tekanan dan Kecepatan Diffuser Kosong......................12

2.2.6 Coefficient power dan tip speed ratio.............................13

2.2.7 Airfoil...............................................................................15

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian...............................................................19

3.2 Tahapan Perancangan dan Pengujian Turbin Angin.................20

3.2.1 Menentukan Spesifikasi Awal Turbin Angin.....................20

3.2.2 Menentukan diameter rotor, kecepatan angin nominal, dan

jumlah sudu................................................................................21

3.2.3 Menentukan Tip speed ratio.............................................21

3.2.4 Menghitung daya maksimum keluaran dari rotor..............21

3.2.5 Menentukan diameter diffuser..........................................22

3.2.6 Menentukan airfoil dan sudu turbin angin........................23

3.2.7 Mendesain yaw mechanism.............................................24

3.3 Pembuatan Turbin Angin............................................................25

3.4 Pengujian Turbin Angin..............................................................29

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Desain dan Spesifikasi Diffuser................................................33

4.2 Analisa Data.............................................................................33

4.2.1 Uji kinerja turbin angin tanpa pembebanan pada variasi

tanpa diffuser............................................................................33

4.2.2 Uji kinerja turbin angin tanpa pembebanan pada variasi

tanpa diffuser............................................................................34

4.2.3 Perbandingan kinerja turbin angin tanpa pembebanan

pada variasi tanpa selubung diffuser dengan selubung

diffuser......................................................................................34

4.2.4 Uji kinerja turbin angin pembebanan pada variasi tanpa

selubung diffuser......................................................................36

4.2.5 Uji kinerja turbin angin pembebanan pada variasi dengan

selubung diffuser......................................................................36

4.2.6 Perbandingan kinerja turbin angin pembebanan pada

variasi tanpa selubung diffuser dengan selubung diffuser........37

xiv

4.2.7 Coefficient power rata-rata pada variasi tanpa selubung

diffuser dan variasi dengan selubung diffuser..........................38

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan...............................................................................40

5.2 Saran........................................................................................40

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis turbin angin...................................................................9

Gambar 2.2 Stream tube turbin angin konvensional dengan DAWT.......10

Gambar 2.3 Nilai tip speed ratio dan rotor torque coefficient berbagai

turbin angin..........................................................................14

Gambar 2.4 Pengaruh jumlah blade terhadap Rotor power coefficient...15

Gambar 2.5 Airfoil, gaya angkat ( lift ) dan gaya hambat ( drag )............15

Gambar 2.6 Geometri airfoil.....................................................................17

Gambar 2.7 Penjelasan NACA empat digit..............................................18

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian........................................................19

Gambar 3.2 Desain diffuser original dan diffuser setelah dimodifikasi....22

Gambar 3.3 Skema Airfoil NACA.............................................................23

Gambar 3.4 Gambar airfoil NACA 4412..................................................23

Gambar 3.5 Desain sudu turbin angin dengan NACA 4412 taperless.....24

Gambar 3.6 Cetakan diffuser mold dari tanah liat yang dibentuk............25

Gambar 3.7 Diffuser mold yang sudah dicetak........................................26

Gambar 3.8 Pemotongan dan perangkaian diffuser................................26

Gambar 3.9 Bilah turbin angin yang sudah diperhalus dan dilubangi.....27

Gambar 3.10 Rangka generator yang sudah dirakit................................28

Gambar 3.11 Perakitan semua komponen................................................28

Gambar 3.12 Skematik pengujian turbin angin..........................................29

Gambar 3.13 Skema Pengujian tanpa pembebanan.................................31

Gambar 3.14 Skema Pengujian dengan pembebanan..............................32

Gambar 4.1 Spesifikasi desain selubung diffuser....................................33

Gambar 4.2 Kecepatan angin rata-rata dengan putaran turbin tanpa

beban pada variasi turbin angin tanpa diffuser....................33

Gambar 4.3 Kecepatan angin rata-rata dengan putaran turbin tanpa

beban pada variasi turbin angin dengan selubung diffuser.34

Gambar 4.4 Perbandingan kinerja turbin angin tanpa pembebanan pada

variasi tanpa selubung diffuser dengan selubung diffuser...35

xvi

Gambar 4.5 Kecepatan angin rata-rata dengan daya turbin dengan beban

pada variasi turbin angin tanpa selubung diffuser...............36

Gambar 4.6 Kecepatan angin rata-rata dengan daya turbin dengan beban

pada variasi turbin angin dengan selubung diffuser............36

Gambar 4.7 Perbandingan kinerja turbin angin dengan pembebanan

pada variasi tanpa selubung diffuser dengan selubung

diffuser.................................................................................37

Gambar 4.8 Coefficient power pada berbagai variasi tanpa selubung

diffuser dan dengan selubung diffuser.................................38

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel. 4.1 Data coefficient power tiap kecepataan angin..........................38

xviii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Satuan A = luas rotor m2

Adiff1 = luas inlet diffuser m2

Adiff2 = luas outlet diffuser m2

cd = coefficient drag ( gaya hambat )

cl = coefficient lift ( gaya angkat )

cp = koefisien daya (coefficient power)

D = diameter m

Ek = Energi Kinetik Joule

m = massa udara Kg

n = putaran rpm

Pin = daya yang dihasilkan angin watt p = tekanan diffuser Pa atau N/m2

v = kecepatan angin m/s

𝜌 = massa jenis udara kg/ m³