PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE HORIZONTAL 3 SUDU
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah tugas mata kuliah OSE II
Disusun Oleh : Aneira Ghaisani P
141711037
Armelinda Morina
141711038
Cepi Arifin
141711039
JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2017
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI .................................................................................................................... ii BAB I
PENDAHULUAN ........................................................................................... I-1
I.1
Latar Belakang ................................................................................................. I-1
I.2
Rumusan Masalah ............................................................................................ I-1
I.3
Tujuan .............................................................................................................. I-2
I.4
Batasan Masalah .............................................................................................. I-2
I.5
Metodologi ....................................................................................................... I-2
I.6
Sistematika Penulisan ...................................................................................... I-2
BAB II
LANDASAN TEORI .................................................................................. II-1
II.1
Energi Angin ...................................................................................................II-1
II.2
Karakteristik Angin ......................................................................................... II-2
II.3
Potensi Angin di Kota Bandung .....................................................................II-3
II.4
Turbin Angin ...................................................................................................II-3
II.4.1
Turbin Angin Sumbu Horizontal ............................................................. II-4
II.5
Elemen Mesin Pada Turbin Angin ..................................................................II-5
II.6
Teori Momentum Elementer Beltz’ ................................................................ II-6
II.7
Persamaan yang Digunakan ............................................................................ II-7
II.7.1
Pemilihan Diameter Sudu ........................................................................II-7
II.7.2
Penentuan Torsi ...................................................................................... II-8
II.7.3
Penentuan Daya Poros ............................................................................. II-8
BAB III
METODE DAN PROSES PENYELESAIAN .......................................... III-1
III.1
Metode Penelitian ......................................................................................... III-1
III.2
Jenis Data ...................................................................................................... III-1
III.3
Tahapan Penelitian ........................................................................................ III-2
III.3.1
Tahap Pertama ...................................................................................... III-2
III.3.2
Tahap Ke-2 ............................................................................................ III-5
III.4
Pembuatan Alat ............................................................................................. III-6
III.4.1
Pembuatan dan Perhitungan Sudu ......................................................... III-6
III.4.2
Pembuatan Hub ..................................................................................... III-8
III.4.3
Tiang ...................................................................................................... III-9
ii
III.4.4
Spesifikasi Teknis Turbin Angin ........................................................... III-9
III.4.5
Bahan dan Alat Pembuatan Turbin ...................................................... III-10
BAB IV
PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN ................................................... IV-1
V.1
Pembahasan .................................................................................................. IV-1
V.2
Kesimpulan ................................................................................................... IV-3
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................iv
iii
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Indonesia merupakan negara tropis yang memiliki potensi angin, namun sampai saat ini tenaga angin masih jarang dimanfaatkan sebagai sumber energi. Energi angin sebenarnya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya untuk pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut. Salah satu jenis turbin angin yang umumnya digunakan adalah jenis turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang memiliki sumbu putar terletak sejajar dengan permukaan tanah, selain itu sumbu putar rotornya selalu mengikuti arah angin. Layaknya seperti mesin pada umumnya, setiap turbin angin memiliki nilai efisiensi yang berbeda beda dan hal ini ditentukan oleh bentuk sudu, sudut sudu, bentuk ekor, material bahan pembuat turbin angin, bentuk transmisi, dan jumlah sudu. Dalam tugas ini, akan melakukan rancang bangun mengenai turbin angin sumbu horizontal 3 sudu, yang nantinya akan dicari perbandingan nilai efisiensi turbin angin yang berbentuk data daya keluaran, kemudian dari data daya keluaran tersebut akan didapat nilai energi yang dihasilkan turbin angin. I.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas dapat dirumuskan masalah masalah yang akan dihadapi dalam tugas ini ini diantaranya adalah : 1.
Potensi angin yang tersedia untuk daaerah Bandung.
2.
Perhitungan dan proses perancangan turbin angin.
3.
Cara menentukan kontruksi, material, dan proses pembuatan turbin angin sumbu horizontal.
4.
Mengidentifikasi kinerja turbin angin sumbu horizontal dengan 3 sudu. I-1
I.3 Tujuan Adapun Tujuan dari pelaksanaan tugas ini adalah : 1.
Membuat turbin angin sumbu horizontal dengan 3 sudu untuk operasi pada kecepatan angin rendah dan kontruksi sederhana.
2.
Mengidentifikasi kinerja turbin angin sumbu horizontal dengan 3 sudu.
I.4 Batasan Masalah Batasan masalah dalam pembuatan alat ini yaitu : 1.
Pembuatan turbin angin sumbu horizontal dirancang dengan jumlah sudu sebanyak 3 buah dengan daya poros yang direncanakan sebesar 20 Watt.
2.
Turbin angin yang akan dibuat dirancang untuk dapat memenuhi kebutuhan rumah tangga. Kecepatan angin yang diambil sebagai acuan minimumnya adalah 3 m/s.
3.
Pembuatan turbin angin sumbu horizontal dirancang untuk dapat dijadikan sebagai penggerak mula pompa torak.
I.5 Metodologi Metodologi yang akan dilakukan penulis untuk pembuatan tugas ini ini, yaitu :
Studi Literatur Studi literatur dilakukan dengan cara mencari informasi-informasi yang
berhubungan dengan turbin angin tipe horizontal dan pembuatannya dengan cara mempelajari materi-materi dari buku-buku, mengunjungi situs internet, dan mengunjungi lembaga-lembaga atau pihak-pihak yang berhubungan dengan bidang tersebut.
Diskusi Melakukan tanya jawab dan diskusi dengan dosen pengajar yang berkaitan
dengan penyusunan tugas ini yaitu pembuatan turbin angin tipe horizontal dengan 3 sudu turbin. I.6 Sistematika Penulisan Penyusunan tugas ini disusun dengan struktur yang terarah. Adapun sistematika penulisan dibuat dengan urutan sebagai berikut :
I-2
BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, dan metodologi. Bab ini ditutup dengan pembahasan tentang sistematika penulisan yang digunakan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI Bab ini mengenai teori dasar turbin angin yang berisikan konsep dasar angin, teori yang di gunakan dalam pembuatan turbin angin dan persamaan persamaan yang akan digunakan sebagai penunjang dalam pembuatan alat. BAB III METODOLOGI DAN PROSES PERANCANGAN Bab ini berisikan perancagan turbin angin, data komponen dan langkah-langkah pembuatan alat hingga selesai dengan kondisi yang diinginkan. BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA DATA Bab ini berisi tentang langkah-langkah pengujian yang dilakukan terhadap alat, data data yang diperoleh saat pengujian, pengolahan data dan analisa hasil pengujian, perhitungan koefisien daya turbin angin. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisikan kesimpulan dari hasil pengujian dan evaluasi yang telah dilakukan serta memberikan saran-saran yang mengarah kepada hasil yang lebih baik. DAFTAR PUSTAKA
I-3
BAB II LANDASAN TEORI Energi Angin Angin merupakan udara yang bergerak disebabkan adanya perbedaan tekanan udara. Udara akan mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Daerah yang banyak terkena paparan sinar matahari akan memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada daerah yang sedikit terkena paparan sinar matahari. Menurut hukum gas ideal, temperatur berbanding terbalik dengan tekanan, dimana temperatur yang tinggi akan memiliki tekanan yang rendah, sedangkan temperatur yang rendah akan memiliki tekanan yang tinggi. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkitan listrik, pengeringan atau pencacah hasil panen, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat diterapkan di laut. Pemanfaatan energi angin selain dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil, diharapkan juga dapat meningkatkan produktifitas masyarakat pertanian. Walaupun pemanfaatan energi angin dapat dilakukan dimana saja, daerah-daerah yang memiliki potensi energi angin ini lebih kompetitif dibandingkan dengan energi alternatif lainnya. Oleh karena itu studi potensi pemanfaatan energi angin ini sangat tepat dilakukan guna mengidentifikasi daerah-daerah berpotensi. Udara yang memiliki massa (m) dan kecepatan (v) akan menghasilkan energi kinetik sebesar:
Dimana: E = energi kinetik (joule) M = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/s)
II-1
II-2
Volume udara per satuan waktu (debit) yang bergerak dengan kecepatan v dan melewati daerah seluas A adalah:
Massa udara (M) yang bergerak dalam satuan waktu dengan kerapatan (ρ) , yaitu:
Dimana: M = massa Udara (kg) V = volume udara (debit) ρ = densitas udara (ρ =1,225 kg/m3) A = luas penampang turbin (m2) Sehingga energi kinetik angin yang berhembus dalam satuan waktu (daya angin) adalah:
Dimana: Pa = daya angin (watt) ρ
= densitas udara (ρ = 1,225 kg/m3)
A
= luas penampang turbin (m2)
v
= kecepatan udara (m/s)
Cp = konstanta turbin angin (0,592) Karakteristik Angin Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang sudah banyak memanfaatkan tenaga angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Beberapa karakteristik angin di Indonesia, antara lain : 1. Arah angin yang sering berubah-ubah. 2. Sering terjadi turbulensi. 3. Kecepatan rata-rata angin yang relatif rendah.
II-3
4. Kecepatan bertambah terhadap ketinggian (energi sebanding dengan pangkat tiga kecepatan). 5. Potensi aktual ditentukan oleh distribusi kecepatan angin (topografi) lokasi. Potensi Angin di Kota Bandung
Gambar II-1 Perkiraan Angin di Indonesia (Sumber : bmkg.go.id) Berdasarkan sumber BMKG bahwa angin bergerak dari arah timur menuju arah barat daya di wilayah Bandung memiliki kecepatan angin 15 knot atau setara dengan 7,72 m/s untuk kondisi maksimum. Turbin Angin Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk menggerakkan generator sebagai pembangkit tenaga listrik. Turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan adanya prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat dipengaruhi oleh angin.
II-4
Gambar II.2 Turbin Angin Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas R adalah:
Dimana: P = daya (watt) Ρ = kerapatan angin pada waktu tertentu V = kecepatan angin pada waktu tertentu R = diameter kipas turbin angin II.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat rangka dan sudu yang berfungsi sebagai rotor yang menghadap atau membelakangi arah angin. Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi: 1. Turbin angin satu sudu (single blade) 2. Turbin angin dua sudu (double blade)
II-5
3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)
1
2
3
4
Gambar II-2 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu (Sumber: Sathyajith Mathew , hal 17) Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah angin terhadap rotor turbin, yaitu : 1.
Upwind, apabila turbin angin diletakan mengahadap arah angin (upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin.
2.
Downwind, apabila turbin angin diposisikan membelakangi arah angin
Gambar II-3 TASH Upwind dan Downwind (Sumber : Eric Hau, 2006)
Elemen Mesin Pada Turbin Angin 1. Poros Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin, begitu juga pada turbin angin berfungsi untuk meneruskan bersama-sama dengan putaran atau yang sering disebut transmisi. Macam-macam poros menurut pembebanannya :
II-6
Poros transmisi Spindel Gandar 2. Pasak Pasak adalah suatu elemen mesin yang dipakai untuk menetapkan bagian-bagian mesin seperti roda gigi, spoket, kopling, puil, dan lain lain pada poros. Momen diteruskan dari poros ke naf atau dari naf ke poros. 3. Bantalan / Bearing Bantalan atau bearing adalah roda mesin yang mempunyai poros bereban sehingga putaran atau gerakan bolak baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umurnya. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros serta elemen lainnya bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh sistem akan menurun atau tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya. 4. Generator Generator adalah sebuah perangkat yang dapat menghasilkan sumber listrik dari energi mekanik. Jadi generator listrik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan dari generator ini dapat di peroleh karena memakai sistem induksi elektromagnetik Teori Momentum Elementer Beltz’ Turbin angin yang di asumsikan oleh Beltz’ adalah turbin angin yang ideal yaitu turbin angin yang tidak mempunyai poros dan mempunyai jumlah sudu yang tak terbatas tapi tidak menimbulkan gaya hambat (Drag Force) pada angin yang melaluinya. Beltz’ mengasumsikan kecepatan udara yang melewati rotor dianggap bergerak secara aksial. Energi mekanik yang dihasilkan turbin angin besarnya akan sama dengan energi kinetik angin sebelum melewati turbin angin dikurangi dengan energi kinetik angin sesudah melewati turbiin angin. Jika angin yang melewati turbin angin dianggap inkompresible, maka menurut hukum kontinuitas dapat ditulis: 𝐴1 × 𝑉1 = 𝐴2 × 𝑉2...................................................................... (2.6)
II-7
Gambar II-4 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik dari aliran udara bebas sesuai dengan teori Betlz. (Sumber : Eric Hau, 2006) Energi kinetik dari massa udara sebesar m yang bergerak pada kecepatan v dinyatakan sebagai : 𝐸=
1 2
𝑚𝑣 2 ............................................................................... ......(2.7)
Dengan menganggap udara melalui luas penampang A pada waktu tertentu, maka laju aliran udara tersebut menjadi 𝑄 = 𝑣. 𝐴 .......................................................................................... (2.8) Dan bila kerapatan udara adalah ρ, maka laju aliran massa udara adalah 𝑚̇ = 𝜌. 𝑣. 𝐴 ...................................................................................... (2.9) Dari persamaan-persamaan di atas didapat ekspresi daya angin seperti berikut : 𝑃𝑎 = II.7
1 2
. 𝜌. 𝑣 3 . 𝐴 ............................................................................. (2.10)
Persamaan yang Digunakan
Persamaan yang digunakan untuk menjadi acuan dalam proses perancangan dan perhitungan sehingga didapatkan data yang digunakan untuk analisa. Adapun persamaan persamaan yang digunakan yaitu : II.7.1 Pemilihan Diameter Sudu Diameter sudu yang dipilih berkaitan dengan besar luaran daya yang diperlukan. Pemilihan diameter sudu ini, berdasarkan daya yang dibutuhkan dengan pedoman nilai Cp = 0,3 -0,4 untuk turbin modern yang mempunyai sudu sebanyak 3 buah. (Piggott Hugh, 2005).
II-8
𝑃
𝐷 = √ 𝜌 𝜋 3 ................................................................................... (2.12) 𝐶𝑝 . . .𝑣 2 4
Dimana : P
= daya poros yang diinginkan (Watt)
Cp
= koefisien daya
𝜌
= massa jenis udara (𝑘𝑔/𝑚3 )
𝑣
= kecepatan udara (m/s)
Selain luaran daya, kecepatan angin mula juga menjadi pertimbangan pemilihan diameter sudu. Semakin besar diameter sudu, maka kecepatan angin minimal yang diperlukan untuk memutar rotor menjadi lebih kecil. Pemilihan jumlah sudu berkaitan dengan rasio kecepatan ujung (tip speed ratio) yang diinginkan dan juga aspek keindahan. Jumlah sudu yang banyak akan menghasilkan tip speed ratio yang kecil. Sedangkan jumlah sudu yang lebih sedikit akan menghasilkan tip speed ratio yang besar. II.7.2 Penentuan Torsi Besarnya torsi dapat dihitung sebagai berikut : 𝑇 = 𝐹 × 𝑟 ................................................................................. (2.16) 𝑇 = 𝑚 × 𝑔 × 𝑟 ......................................................................... (2.17) Dimana : F
= gaya (N)
m
= massa (kg)
g
= gravitasi (𝑚/𝑠 2 )
T
= torsi (Nm)
II.7.3 Penentuan Daya Poros Besarnya daya poros dapat dihitung sebagai berikut :
II-9
𝑃 = 𝜔 × 𝑇 ..................................................................................... (2.18) 𝑃= Dimana : P
= daya Poros (Watt)
𝜔
= kecepatan sudut (rad/s)
T
= torsi (Nm)
2𝜋𝑛 ×𝑇 60
BAB III METODE DAN PROSES PENYELESAIAN Metode Penelitian Penelitian turbin angin tipe poros horizontal ini menggunakan pendekatan kuantitatip. Dalam pelaksanaan penelitian ini sebagian besar data belum ada (dalam arti perlu untuk sengaja ditimbulkan), dan untuk itu peneliti perlu membuat alat sebagai media membangun data, maka penelitian ini berbentuk penelitian aksperimen. Jenis Data Data yang digunakan dalam penelitian ini seluruh data berupa data primer. Pada penelitian ini terdapat empat macam data primer, data primer yang pertama berupa kecepatan angin. Alat yang digunakan untuk memperoleh kecepatan angin ini adalah anemometer. Sedangkan metode yang digunakan untuk memperoleh kecepatan angin adalah metode pengukuran dengan teknik mengukur langsung (direct measure) dengan meletakan anemometer terhdap arah datangnya angin. Data primer yang kedua adalah putaran poros turbin. Alat yang digunakan untuk memperoleh putaran poros turbin ini adalah tachometer. Teknik pengukuran putaran poros ini dengan meletakan sinar infra merah tachometer tepat di poros turbin yang sedang berputar. Data primer yang ketiga adalah torsi. Alat yang digunakan untuk memperoleh torsi adalah neraca. Sedangkan teknik pengukurannya dengan memakai prinsip neraca pegas, dengan cara dilingkarkannya tali pada poros turbin ketika poros sedang berputar yang kedua ujung tali diberi beban, dengan dua jenis beban yaitu beban tetap dan beban yang dapat berubah (ditarik). Beban yang dapat berubah (ditarik) adalah timbangan pegas. Gaya gesek yang timbul ketika rotor di beri beban merupakan gaya yang digunakan sebagai perhitungan torsi. Data primer ke-empat yang diperlukan dalam penelitian ini adalah temperatur lingkungan sekitar. Penelitian temperatur lingkungan dimaksudkan untuk mendapatkan masa jenis udara. Alat yang digunakan untuk mengukur temperatur adalah termometer.
III-1
III-2
Tahapan Penelitian Untuk dapat membuat alat sebagai media membangun data, maka dalam penelitian eksperimental ini dibuat diagram blok secara umum sebagai proses tahapan dalam pembuatan alat yang nantinya mendapatkan data. Metodologi pembuatan turbin angin tipe poros horizontal 3 sudu untuk pembangkitan listrik dapat dilihat pada Gambar III.1 di bawah ini
Gambar III.1 Diagram blok pembuatan turbin angin
Dari Gambar III.1 diatas dapat dilihat bahwa penelitian eksperimental ini terdiri dari dua tahap. Tahap yang pertama berupa pembuatan turbin dan tahap kedua berupa pengujian turbin.
III.3.1 Tahap Pertama Tahap pertama pada penelitian ekperimental ini berupa pembuatan turbin, dimana tahap ini berisi proses awal bagaimana turbin tersebut akan dibuat sampai turbin selesai dibuat. Untuk lebih jelas penelitian eksperimental tahap pertama dapat dilihat pada Gambar III.2 berikut ini
III-3
Gambar III.2 Tahap pertama Pada Gambar III.2 di atas dapat dilihat bahwa tahap pembuatan alat terdiri dari tiga tahap yaitu studi literatur, desain alat dan pembuatan alat. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada bahasan dibawah ini.
Studi Literatur Studi literatur merupakan sebuah penelitian untuk mendapatkan gambaran secara menyeluruh tentang apa yang sudah dikerjakan dan bagaimana mengerjakannya. Studi literatur pada penelitian eksperimental ini (pembuatan turbin angin) diantaranya kegiatan bimbingan dalam arti melakukan bimbingan dengan pembimbing mengenai segala macam tugas ini yang akan dibuat. Kemudian mempelajari jurnal turbin angin orang lain sehingga dapat menambah ilmu lagi. Dan yang terakhir mencari referensi dari internet atau buku orang lain.
Perencanaan Alat Secara garis besar, pembuatan tugas ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB), namun penulis hanya membuat turbin angin saja. Secara garis besar turbin angin tipe poros horisontal dapat dilihat pada Gambar III.3 berikut ini.
III-4
Gambar III.3 Turbin angin tipe poros horizontal Pada penelitian ini, prototype turbin angin tipe poros horizontal dibuat oleh satu team, dimana pembuatan turbin angin sebagai pengkonversi energi angin menjadi energi mekanik di buat oleh penulis, kemudian generator sebagai pengkonversi energi listrik di buat oleh depi dan untuk baterai control unit dibuat oleh lydia. Untuk memahami lebih jelas setiap komponen pada prototype turbin angin dapat dilihat pada keterangan dibawah ini. Keterangan umum dari alat penghasil listrik adalah sebagai berikut : 1. Sudu berfungsi sebagai “penangkap” energi potensial yang terdapat pada angin. Panjang sudu yang dibuat untuk turbin angin ini sebesar 1,2 meter dengan bahan sudu dari resin. 2. Hub berfungsi untuk memegang sudu pada tempatnya dan menghubungkan dengan poros utama yang ada di belakangnya. 3. Bearing berfungsi sebagai bantalan poros turbin maupun sebagai tumpuan pada poros turbin agar dapat berputar dengan baik. 4. Poros turbin merupakan batang yang menopang sudu dan komponen turbin angin lainnya, pada turbin angin ini poros turbin dibuat secara horizontal.
III-5
5. Generator untuk mengubah energi mekanik berupa putaran poros turbin menjadi energi listrik.
6. Tiang berfungsi untuk penyangga keseluruhan mekanisme yang ada diatasnya. 7. Rectifier berfungsi sebagai penyearah (dari ac ke dc). 8. Controller berfungsi sebagai pengontrol apabila baterai kelebihan arus, maka controller langsung memutuskan arus agar tidak terjadi arus berlebih dan agar baterai tidak rusak. 9. Baterai yang digunakan mempunyai tegangan 12 volt dan arus 45 Ah.
III.3.2 Tahap Ke-2 Tahap kedua berupa pengujian turbin angin tipe poros horizontal, dimana terbagi menjadi dua pengujian. pengujian pertama berupa tanpa beban, sedangkan pengujian kedua dengan beban (generator). Untuk dapat melihat secara jelas, maka diagram blok pengujian dapat dilihat pada Gambar III.4 berikut ini.
Gambar III.4 Diagram blok pengujian turbin angin
III-6
Dari Gambar III.4 di atas dapat dilihat bahwa pengujian turbin angin tipe poros horizontal ini terdiri dari dua pengujian yaitu pengujian tanpa beban dan dengan beban, masing masing melakukan pengujian berupa energi primer . Data yang didapat dari hasil pengujian energi primer adalah kecepatan angin, putaran poros dan torsi. Sedangkan untuk energi sekunder hasil data pengujian berupa masa jenis udara. Adapun penjelasan mengenai alat ukur yang digunakan pada saat pengujian turbin angin dan teknik pengukurannya akan dibahas pada subab berikut ini. Pembuatan Alat Dalam penelitian eksperimental ini, peneliti perlu membuat alat sebagai media membangun data, oleh sebab itu alat yang dibuat berupa turbin angin saja (meliputi sudu turbin, hub, ekor, dan tower). Gambar turbin angin tipe poros horizontal yang dibuat dapat dilihat pada Gambar III.5 berikut ini
Gambar III.5 Bentuk turbin angin yang dibuat tampak depan Turbin angin tipe poros horizontal 3 sudu ini akan digunakan untuk keperluan listrik (elektrikal). Diameter pada turbin ini sebesar 2,4 meter dengan bahan sudu dari resin. Tahap pada pembuatan turbin angin tipe poros horizontal secara jelas dapat dilihat pada bahasan berikut ini.
III.4.1 Pembuatan dan Perhitungan Sudu Dalam pembuatan sudu, harus diketahui terlebih dahulu ukuran sudu yang akan dibuat. Dalam menghitung diameter rotor, parameter yang harus diketahui dan
III-7
dibutuhkan diantaranya kecepatan angin (m/s), kerapatan udara (kg/m³), coefficient of performance (Cp), daya poros maksimum yang ingin dicapai dan airfoil yang akan digunakan (Piggott Hugh, 2005). Diameter rotor dapat dihitung sebagai berikut: a. Daya Poros maksimum yang ingin dicapai : 125 Watt b. Jumlah blade yang diinginkan 3 buah, maka tip speed ratio didapat dari tabel 3.2 di bawah ini : Tabel III.1 Pemilihan tip speed ratio (WAM Jansen, 1986) tip speed ratio
Jumlah Blade
1
6-20
2
4-12
3
3-6
4
2-4
5-8
2-3
8-15
1-2
Dari tabel diatas untuk jumlah blade 3 tip speed rationya sekitar 5-8, maka dipilih 5 c. Setelah tip speed rationya di dapat = 5 dan Jumlah Blade = 3 Maka Cp maks diperoleh dengan melihat grafik. Grafik dapat dilihat pada Gambar III.6 di bawah ini
Gambar III.6 Cp terhadap tip speed ratio
III-8
(Sumber : W.A.M Jansen, 1986) Dari tabel diatas didapat Cp maks sebesar 0,48 Maka Cp = 0,8 x Cp maks = 0,8 x 0,48 = 0,384
d. Maka Diameter rotor didapat :
, maka R = 1,2 Untuk menentukan panjang chord, sudu dibagi menjadi enam stasiun (segmen) terlebih dahulu, kemudian dengan menggunkan rumus yang terdapat pada 2.17 maka didapatkan geometri sudu turbin anginnya. Geometri sudu turbin angin dapat dilihat pada Tabel III.2 Tabel III.2 Geometri Sudu Stasion Jari-Jari relatif (cm) Panjang Chord (cm)
-
1
2
3
4
5
6 (tip)
r/R
20
40
60
80
100
120
c/R
15
12
10
8
7
6
Geometri sudu turbin angin dapat dilihat pada Gambar III.7 di bawah ini
Gambar III.7 Sudu turbin angin
III.4.2 Pembuatan Hub Hub adalah bagian tempat menempelnya tiga buah sudu dengan posisi sudut yang merata. Hub dibuat dari pelat besi berbentuk segitiga sama sisi dengan ukuran sisi
III-9
masing-masing sebesar 48,48 cm dan tebal 2 mm. Desain sudu dapat dilihat pada Gambar III.8 berikut ini.
48 ,48 Cm
48 ,24 Cm
48,48 Cm
Gambar III.8 Hub Pada pertengahan pengerjaan turbin, di beri tahu oleh salah satu dosen lab. bawah, bahwa jika hub yang di gunakan segitiga maka kemungkinan pada saat turbin berputar sudu akan kena dengan sisi hub yang runcing, oleh sebab itu untuk mencegah hal tersebut, maka hub yang sudah di potong segitiga di buat lagi menjadi segi enam, dalam ukuran yang sama. III.4.3 Tiang Tiang penyanggah berfungsi untuk menahan beban yang terjadipada turbin angin. Beban yang terjadi pada turbin angin adalah beban total dari berat-berat komponen turbin angin dan beban karena adanya gaya yang ditimbulkan oleh angin. karena beban yang diterima tiang sangat besar, maka material yang digunakan harus berasal dari baja. Panjang tiang penyanggah yang digunakan pada tugas ini sebesar 2 meter.
III.4.4 Spesifikasi Teknis Turbin Angin Spesifikasi Teknis turbin angin tipe poros horizontal yang dibuat dapat dilihat pada Tabel III.3 berikut ini : Tabel III.3 Spesifikasi teknis turbin angin Sudu Jumlah Sudu
3 Buah
Bentuk Airfoil
NACA 4412
Panjang Chord Max
15 cm
III-10
Panjang Chord Min
6 cm
Panjang Sudu
120 cm
Bahan Sudu
Komposit Ekor
Bahan Plat Besi Tebal Bahan 1 mm Bentuk Sirip Panjang 40 cm Lebar 20 cm Menara Penyangga Bentuk
Menara
Tinggi
2 Meter
Bahan
Besi
III.4.5 Bahan dan Alat Pembuatan Turbin Bahan yang digunakan dalam pembuatan turbin diantaranya : 1. Kayu Albasiah 2. Resin 3. Fiberglass 4. Wax 5. Calcium Carbonat 6. Mur dan Baut 7. Katalis 8. Plat besi 9. Pipa Besi
Alat yang digunakan pada pembuatan turbin angin adalah : 1. Gergaji kayu dan besi
III-11
2. Cutting 3. Penitik 4. Penanda 5. Busur 6. Las 7. Bor Tangan 8. Palu
BAB IV PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN V.1 Pembahasan Pada Tugas kali ini kelompok kami merancang Turbin angin dengan sumbu horizontal, dimana turbin angin ini merupakan turbin angin yang memiliki sumbu putar terletak sejajar dengan permukaan tanah, selain itu sumbu putar rotornya selalu searah dengan arah angin. Konsep turbin axial kali ini adalah menyerupai baling-baling yang menangkap energi angin dan mengubahnya menjadi energi gerak poros dengan spesifikasi sebagai berikut : Dik: D = 132 cm = 1,32 m Ttiang = 97 cm V
= 3m/s
Ρudara = 1,225 kg/m3 Daya Turbin 𝑃𝑎 =
1 2
1
. 𝜌. 𝑣 3 . 𝐴 = 2 x 1,225 x 3,14 x 0,662 x 33
= 22,631 Watt Debit Angin Q = V.A = 3x 3,14 x 0,66 = 6,22 m3/s
IV-1
IV-2
Pembuatan desain turbin angin aksial kali ini menggunakan sumbu sebanyak tiga buah, penggunaan sumbu tiga buah berdasarkan pertimbangan untuk mendapatkan koefisien daya yang tinggi serta tip speed ratio yang tinggi. Ketika menggunakan sumbu yang banyak maka akan mengurangi tip speed ratio dari turbin tersebut sehingga dapat mempengaruhi gaya torsi pada turbin tersebut. Apabila menggunakan blade yang sedikit akan menghasilkan tip speed ratio namun memerlukan kecepatan angin yang tinggi untuk menggerakan turbin dengan jumlah blade yang sedikit Faktor lain yang dipertimbangkan agar bisa mempengaruhi kecepatan rotasi turbin angin yaitu luas atau bentuk dari sudu tersebut. Karena apabila sumbu yang digunakan terlalu luas maka akan mengurangi nilai tip speed ratio sesuai dengan persamaan 𝑃
CP = 𝑃𝑜 =
𝑖 𝜌𝐴((𝑣1−𝑣2).(𝑣1−𝑣2))−(𝑣1−𝑣2) 4 1 𝜌 (𝑉1.𝑉1)𝐴 2
Besarnya nilai tip speed ratio berbanding terbalik dengan luas permukaan. Bentuk sudu yang ideal ialah melengkung pada bagian belakang dan runcing pada bagian depan seperti pada pesawat terbang. Apabila bagian ujung bentuknya melengkung maka akan mengurangi gaya drag yang arahnya tegak lurus dengan kecepatan angin, sedangkan luas penampang sumbu akan berpengaruh seberapa banyak angin yang mengenai sumbu tersebut dan menghasilkan gaya lift yang besar, semakin besar gaya lift maka perancangan turbin tersebut akan semakin baik.faktor yang lain ialah pemsang sudut sumbu, penelitian yang dilakukan oleh andika ketika menggunakan turbin dengan sumbu banyak maka akan menghasilkan daya maksimum ketika dipasang pada sudut 60-70 drajat.
IV-3
V.2 Kesimpulan Berdasarkan perancangan yang telah dibuat maka dapat ditarik kesimpulan: Daya yang diingikan pada perancangan turbin adalah 20 watt Hasil daya yang dapat diperoleh berdasarkan perhitungan sebesar 22,631 watt Turbin yang dibuat terdiri dari 3 buah sudu Diameter sudu turbin yaitu 1,32 meter dengan tinggi tiang 97 cm
DAFTAR PUSTAKA Daryanto, Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Yogyakarta : Balai PPTAGG – UPT-LAGG Hau, E . 2000. Wind Turbines : Fundamentals, Technologies, Aplication, Economics. Berlin, Germany : Springer. Jansen, W.AM. 1986. Rotor Design For Horizontal Axis Windmills. Amersfoort : Consultasy Services Wind Developing Countries Lungan, Fransiscus. 2008. Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 2,4 Meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch. Bandung : Institut Teknologi Bandung. Piggott, Hugh, 2005. How to Build A Wind Turbine – The Axial Flux Windmill Plans. Unites States Of America. Strong, Mr. Simon James. 2008. Design of Small Wind Turbine. University of Southern Queesnland. Sucipto. 2008. Pembuatan Turbin Angin Aksial Sumbu Horizontal Dua Sudu Berdiameter 3,5 Meter. Bandung: Skripsi Program Studi Teknik Mesin ITB.
iv
