PERANCANGAN DAN PEMBUATAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL TIGA SUDU BERDIAMETER

3,5 METER DENGAN MODIFIKASI PEMOTONGAN DAN PENGATURAN SUDUT PITCH

TUGAS SARJANA

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh

Fransiscus Lungan 13101108

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

Tugas Sarjana

Judul Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu

Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan

Sudut Pitch

Fransiscus Lungan

Program Studi Teknik Mesin 13101108 Fakultas Tenik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

Ringkasan

Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber daya energi fosil serta

efek negatif yang ditimbulkan dari penggunaan sumber daya energi fosil terhadap

lingkungan mengakibatkan perlunya dikembangkan teknologi pemanfaatan sumber

energi terbarukan. Angin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang ramah

lingkungan.

Energi angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin. Jenis

turbin angin yang dibuat dalam tugas sarjana ini adalah turbin angin sumbu

horizontal tiga sudu berdiameter 3,5 meter upwind dengan pengarah ekor disertai

modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch. Perancangan turbin angin

dilakukan dengan penekanan kepada keterbuatan dan kemampuan turbin angin

untuk mengekstraksi energi angin secara optimal.

Metode penelitian yang digunakan adalah kombinasi antara penelitian

kualitatif dan kuantitatif, dalam hal ini berkaitan dengan perancangan dan

pengujian. Pengujian kinerja turbin angin dilakukan untuk mendapatkan

karakteristik daya turbin angin terhadap kecepatan angin dan memperoleh nilai cut

in speed turbin angin kemudian membandingkan hasil pengujiannya dengan turbin

angin tanpa modifikasi pemotongan dan pengaturan sudut pitch.

Final Project Title Horizontal Axis Wind Turbine Designing

and Manufacturing With Three Bladed Rotor in 3,5 metres on Diameter With Cutting Modification and Pitch Angle

Adjusting

Fransiscus Lungan

Major Mechanical Engineering 13101108 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering

Institute of Technology Bandung

Abstract

The increasing demand of energy, limitation of fossil energy resources,

and environmental negative effects of using fossil energy resources deem to be

necessary to use the renewable energy resources. Wind energy is one of many

kind renewable energy resources.

Wind energy can be extracted by using of wind turbines. The type of wind

turbine in this final project is 3,5 meters of diameter with three bladed horizontal

axis wind turbine rotor using upwind with tailing, includes cutting modification

and pitch angle adjusting. The design process considers manufacturability aspect

and wind turbine performance to extract wind power.

The research method was combination of qualitative and quantitative

research, in this case related with design and testing. Wind turbine performance

testing is performed to get the power output versus wind speed characteristic

curve of wind turbine and to get cut in speed value and then comparing it with the

performance of wind turbine without cutting and pitch angle adjusting

Lembaran Pengesahan

Tugas Sarjana

Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3,5 meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan

Sudut Pitch

Oleh

Fransiscus Lungan 13101108

Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung

Disetujui pada Tanggal: 26 Juni 2008

Pembimbing Utama

Ir. Kemas Rifian, M.Sc. NIP 131 661 114

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, Yesus

Kristus, dan Bunda Maria, atas segala limpahan rahmat, berkat, kasih, dan

lindungan-Nya selama proses pengerjaan tugas sarjana ini, sehingga dapat selesai

pada waktunya.

Terima kasih kepada ayahanda dan ibunda atas doa, kasih sayang,

pengertian, dan dukungannya selama ini kepada penulis yang tiada henti semenjak

penulis mulai hadir ke dunia ini hingga saat pengerjaan tugas sarjana ini selesai.

Walaupun kalian berada jauh, tetapi tetap ada di hatiku. Bagaikan air tiada henti

hentinya, memberi hidup di sekitarnya.

Tugas sarjana ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik pada program studi Teknik Mesin ITB. Banyak hal yang telah

penulis dapatkan selama proses pengerjaan tugas sarjana ini. Semoga dapat

bermanfaat kelak di kemudian hari.

Tak lupa dengan kerendahan hati penulis ingin menyampaikan

penghargaan dan rasa terima kasih kepada:

1. Bapak Ir. Kemas Rifian, M.Sc yang telah membimbing penulis dengan

sabar dan rela meluangkan waktunya dari awal pengerjaan hingga tugas

sarjana ini dapat selesai pada waktunya.

2. My lovely brother, dr. Laurensius “Ary” Lungan atas dukungan dan

motivasinya. I’m waiting for my first nephew bro!

3. My lovely sister, Glory Natalia Lungan.

4. Alm. Nenek Rini terkasih, semoga kegigihan dan ketegaran hati beliau

dapat menjadi cambuk bagi penulis untuk tetap berkarya, amin.

5. Staf pengajar beserta staf tata usaha prodi Teknik Mesin ITB atas ilmu dan

bantuan administratif selama penulis masih menyandang status sebagai

mahasiswa.

ii

6. Staf Laboratorium Gambar Teknik Mesin ITB yaitu pak Usep, pak Dede,

serta pak Ade.

7. LS Clan baik yang masih ada di kampus maupun yang sudah

meninggalkan kampus yaitu Robert “Afgan” Tambunan, Gindo Saor,

Barus, Benara, Sahala, Ganda, Ferry Bokep, Delo, Robert PHP, Raynold,

Arwin, Endot, Kadek, dan Ketut Juli.

8. UKSS’ers-ITB, baik anggota maupun alumni, terima kasih atas

pengalaman dan waktu indah bersama selama kita menghuni unit kita

tercinta.

9. Pren-pren Mesin ’01 atas solidaritasnya selama ini. Buat yang masih

berjuang di kampus, jangan patah semangat pren. Terus berjuang!

10. Pren-pren HMM ITB dan rekan-rekan lab. gambar yang turut membantu

penulis dalam pengerjaan tugas sarjana selama ini, yaitu Adi Andriyanto,

Sucipto, Bambang, Adi Rahadian, dan Rukmin

11. DotA-ers ITB, di antaranya yaitu Dj-oko, Tomatcupz, Jambak, Dody,

Gusto, Brur, dan rekan-rekan yang lain yang tidak dapat disebutkan satu

persatu.

12. Seseorang yang tetap mengisi dan menjaga hatiku. Keadaan yang

memaksa kita harus begini, maafkanlah.

Penulis menyadari adanya kesalahan dalam penulisan tugas sarjana ini,

oleh karenanya, penulis memohon maaf atas segala ketidaksempurnaan dan

kekurangan penulis, karena kesempurnaan hanya milik Dia semata. Saran dan

kritik membangun sangat diharapkan agar kekurangan yang ada bisa diperbaiki.

Akhirnya penulis berharap semoga laporan tugas sarjana ini dapat memberikan

manfaat dan arti kepada banyak pihak. Terima kasih.

Bandung, Juni 2008

Fransiscus Lungan

iii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR i

DAFTAR ISI iii

DAFTAR SIMBOL vi

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR TABEL ix

Bab I Pendahuluan 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Rumusan Masalah 3

1.3. Tujuan 3

1.4. Manfaat 3

1.5. Batasan Masalah 4

1.6. Sistematika Penulisan 4

Bab II Dasar Teori 6

2.1. Prinsip Konversi Energi Angin 6

2.1.1. Teori Momentum Elementer Betz 6

2.1.2. Koefisien Daya 9

2.1.3. Gaya Aerodinamik pada Rotor 10

2.2. Jenis-Jenis Turbin Angin 12

2.2.1. Turbin Angin Sumbu Vertikal 12

2.2.2. Turbin Angin Aksial 14

2.3. Merancang Rotor 15

2.3.1. Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu 15

2.3.2. Tip Speed Ratio 16

2.3.3. Profil Airfoil 17

2.3.4. Geometri Sudu 18

2.3.5. Fenomena Stall 21

2.4. Pemilihan Sistem Transmisi Daya 22

2.5. Perancangan Kontruksi Turbin Angin 23

2.5.1. Sudu 24

iv

2.5.2. Batang Sudu 25

2.5.3. Hub 25

2.5.4. Generator 25

2.5.5. Rangka/Base 26

2.5.6. Ekor 26

2.5.7. Menara 27

2.5.8. Yaw Mechanisme 27

2.5.9. Hidung 28

2.6. Sistem Kelistrikan 28

2.6.1. Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan 28

2.6.2. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai 29

2.6.3. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan tanpa Baterai 29

2.6.4. Sistem Kelistrikan tanpa Baterai 30

Bab III Perancangan dan Pembuatan 31

3.1 Perhitungan Daya Pada Berbagai Kecepatan Angin 31

3.1.1 Menentukan Kecepatan Angin Nominal 31

3.1.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor 31

3.2 Perancangan Rotor 32

3.2.1 Diameter Rotor 32

3.2.2 Tip Speed Ratio 32

3.2.3 Pemilihan Bahan untuk Komponen-komponen Rotor 32

3.2.4 Batasan Profil Air Foil Berdasarkan Keterbuatan 33

3.2.5 Pemilihan Bentuk Sudu 34

3.2.6 Perancangan Geometri Sudu 34

3.2.7 Nilai Sudut Pitch Optimum 36

3.3 Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin 37

3.3.1 Rotor 38

3.3.2 Permanet Magnet Generator (PMG) 40

3.3.3 Base dan Yaw Mechanisme 41

3.3.4 Side Furling 42

3.3.5 Ekor 44

v

3.3.6 Sistem Pengereman 44

3.3.7 Data Komponen 45

3.3.8 Perakitan Turbin Angin 46

Bab IV Pengujian dan Analisis 48

4.1 Metode Pengujian Turbin Angin 48

4.2 Perlengkapan Pengujian 50

4.3 Prosedur Pengujian 50

4.4 Data Hasil Pengujian 51

4.5 Analisis Hasil Pengujian 56

Bab V Kesimpulan dan Saran 59

5.1 Kesimpulan 59

5.2 Saran 59

DAFTAR PUSTAKA 61

LAMPIRAN-LAMPIRAN 63

vi

DAFTAR SIMBOL

D Diameter rotor (m)

R Jari-jari rotor (m)

A Luas area sapuan rotor (m2)

ρ Massa jenis udara (kg/m3)

m Massa (kg)

m& Laju aliran massa (kg/s)

v Kecepatan angin (m/s)

V& Laju volume udara (m3/s)

n Kecepatan putaran rotor (rpm)

ω Kecepatan sudut (rad/s)

α Sudut serang (°)

β Sudut pitch (°)

ф Sudut apparent wind (°)

λ Tip speed ratio

C Panjang chord sudu rotor (m)

L Gaya lift (N)

D Gaya drag (N)

T Thrust (N)

Q Momen torsi (Nm)

P Daya (W)

Cp Koefisien daya rotor

CL Koefisien lift

CD Koefisien drag

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran

bebas 8

Gambar 2.2 Koefesien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara 10

Gambar 2.3 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran

udara 11

Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal 13

Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind 14

Gambar 2.6 Nilai koefesien daya dan tip speed ratio untuk berbagai

turbin angin 17

Gambar 2.7 Berbagai bentuk airfoil yang berkembang saat ini 18

Gambar 2.8 Geometri sudu bentuk tirus 18

Gambar 2.9 Elemen kecepatan yang terjadi pada sudu 19

Gambar 2.10 Gaya-gaya yang terjadi pada sudu 20

Gambar 2.11 Kondisi kecepatan dan gaya yang terjadi pada sudu 21

Gambar 2.12 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch

tertentu menyebabkan separasi udara 23

Gambar 2.13 Sistem kelistrikan lepas jaringan 29

Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai 29

Gambar 2.15 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai 30

Gambar 2.16 Sistem kelistrikan tanpa baterai 30

Gambar 3.1 Profil airfoil untuk penampang sudu 33

Gambar 3.2 Penampang badan sudu 35

Gambar 3.3 Sudu yang telah dipotong 37

Gambar 3.4 Tahapan pemesinan pada pembuatan sudu dan hasilnya 38

Gambar 3.5 Hub, hidung, dan pengatur sudut pitch 40

Gambar 3.6 Karakteristik PMG Ginlong 500W 41

Gambar 3.7 Yaw mechanism antara poros tiang dan base 42

Gambar 3.8 Ekor pada turbin angin 44

Gambar 3.9 Mekanisme pengereman dengan mengubah posisi ekor 45

viii

Gambar 3.10 Diagram alir proses perakitan turbin angin 47

Gambar 4.1 Sistem instalasi pengujian turbin angin dengan hybrid system 48

Gambar 4.2 Skema pengujian turbin angin dengan beban langsung

terpasang 49

Gambar 4.3 Grafik tegangan listrik terhadap kecepatan angin pada

kondisi tidak terbebani 52

Gambar 4.4 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan

pembebanan 16,2 watt 54

Gambar 4.5 Grafik daya luaran terhadap kecepatan angin dengan

pembebanan 20 watt 55

Gambar 4.6 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil

pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi

tanpa beban 56

Gambar 4.7 Grafik perbandingan hasil pengujian penulis dengan hasil

pengujian tugas sarjana sdr. Adi Andriyanto [10] pada kondisi

pembebanan 57

Gambar A.1-A.2 turbin angin yang sudah terpasang beserta anemometer 63

Gambar A.3 Peralatan pengujian dengan beban 16,2 watt 65

Gambar A.4 Peralatan pengujian dengan beban 20 watt 65

Gambar B Gambar teknik turbin angin 66

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Daya rotor untuk diameter 3,5 meter pada berbagai kecepatan angin 31

Tabel 3.2 Distribusi lebar chord 34

Tabel 3.3 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun 36

Tabel 3.4 Spesifikasi PMG Ginlong 500 watt 40

Tabel 3.5 Daftar komponen turbin angin 46

Tabel 4.1 Perlengkapan pengujian 50

Tabel 4.2 Hasil pengujian pada kondisi tidak terbebani 52

Tabel 4.3 Hasil pengujian dengan pembebanan 16,2 watt 53

Tabel 4.4 Hasil pengujian dengan pembebanan 20 watt 54