PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU

HORIZONTAL UPWIND

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas praktikum

Operasi Sistem Energi 2 Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Kelompok : : 4

Anggota : : Syarif Hidayat (141711027)

Tita Fatimah (141711028)

Zahra Ghaida (141711032)

Kelas : : 3B – Utilitas Energi

Dosen Pembimbing : : Ir. Sri Paryanto Mursid, M.Sc

JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2017

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR PUSTAKA..............................................................................................1

DAFTAR GAMBAR...............................................................................................3

DAFTAR TABEL....................................................................................................4

BAB I PENDAHULUAN...................................................................................5

I. 1. Latar Belakang............................................................................5

I. 2. Rumusan Masalah.......................................................................6

I. 3. Tujuan.........................................................................................6

I. 4. Batasan Masalah.........................................................................6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI............................7

II. 1. Tinjauan Umum Mengenai Angin..............................................7

II. 1. 1. Pengertian Angin................................................................7

II. 1. 2. Karakteristik Angin............................................................7

II. 2. Turbin Angin Sumbu Horizontal................................................7

II. 3. Teori Momentum Elementer Betz’.............................................9

II. 4. Profil Airfoil untuk Turbin Angin............................................12

II. 5. Persamaan yang Digunakan.....................................................13

II. 5. 1. Pemilihan Diameter Sudu.................................................13

1

II. 5. 2. Tip Speed Ratio................................................................14

II. 5. 3. Penentuan Geometri Sudu................................................14

II. 5. 4. Penentuan Kecepatan Putaran..........................................15

II. 5. 5. Penentuan Torsi................................................................15

BAB III METODE DAN PROSES PENYELESAIN.........................................16

III. 1. Pemilihan Bahan untuk Turbin...............................................16

III. 2. Perhitungan Daya Turbin Angin............................................16

III. 3. Perancangan Rotor..................................................................17

III. 3. 1. Perhitungan Diameter Rotor...........................................17

III. 3. 2. Perhitungan Tip Speed Ratio..........................................18

III. 3. 3. Perancangan Geometri Sudu...........................................19

III. 3. 4. Profil Airfoil....................................................................19

III. 4. Desain Turbin.........................................................................20

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................26

2

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu...........................................8

Gambar 2 TASH Upwind dan Downwind...............................................................9

Gambar 3 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik dari aliran udara

bebas sesuai dengan teori momentum elementer.................................10

Gambar 4 Hubungan koefisien daya dengan rasio v1/v2......................................12

Gambar 5 Bagian-bagian pada airfoil....................................................................13

Gambar 6 Koefisien Daya terhadap berbagai desain.............................................17

Gambar 7 Bentuk Penampang Airfoil....................................................................19

Gambar 8 Gambar Design Turbin Angin...............................................................20

3

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Nilai Tip Speed Ratio Berdasarkan Putaran Rotor...................................18

4

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 searah dengan arah angin. konsep turbin axial

adalah menyerupai baling-baling yang menangkap energi angin dan mengubahnya

menjadi energi gerak poros. 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.

Daya keluaran yang dihasilkan turbin angin ini akan dimanfaatkan

sebagai penggerak mula pompa. Pompa merupakan alat konversi energi yang

mengubah energi putar menjadi energi tekan untuk dapat menaikkan atau

mengalirkan fluida dari satu tempat ke tempat lainnya. Jenis pompa yang

5

digunakan yaitu pompa torak. Hal ini dikarenakan pompa ini dapat memanfaatkan

gerak rotasi dari poros menjadi gerak translasi untuk dapat menarik air.

Dalam tugas mata kuliah operasi sistem energi ini akhir ini kami akan

melakukan rancang bangun dan pengujian mengenai turbin angin sumbu

horizontal sebagai penggerak mula pompa torak.

I. 2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas dapat dirumuskan

masalah masalah yang akan dihadapi dalam tugas akhir ini diantaranya adalah

1. Proses perancangan turbin angin.

2. Cara menentukan kontruksi dan material turbin angin sumbu horizontal

I. 3. Tujuan

Adapun Tujuan dari pelaksanaan tugas akhir ini adalah membuat desain turbin angin sumbu horizontal upwind.

I. 4. Batasan Masalah

Batasan masalah dalam pembuatan alat ini yaitu :

1. Pembuatan turbin angin sumbu horizontal upwind didesain dengan sudu tipe

tiga sudu dengan daya poros yang direncanakan sebesar 60 Watt.

2. Turbin angin yang akan dibuat dirancang untuk dapat memenuhi kebutuhan

pertanian. Kecepatan angin yang diambil sebagai acuan minimumnya adalah

4 m/s.

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

II. 1. Tinjauan Umum Mengenai Angin

II. 1. 1. Pengertian Angin

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke

tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh

adanya perbedaan suhu udara akibat terjadinya pemanasan atmosfir yang tidak

merata oleh sinar matahari. Udara yang bergerak ini memiliki kecepatan tertentu,

sehingga udara tersebut memiliki energi kinetik.

II. 1. 2. 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.

4. Kecepatan bertambah terhadap ketinggian (energi sebanding dengan pangkat

tiga kecepatan).

5. Potensi aktual ditentukan oleh distribusi kecepatan angin (topografi) lokasi.

II. 2. 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

7

terdapat sebuah baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan 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)

3. Turbin angin tiga sudu (three blade)

4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)

1 2 3 4

Gambar 1 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 dihadapkan membelakangi arah angin

8

Gambar 2 TASH Upwind dan Downwind

(Sumber : Eric Hau, 2006)

II. 3. Teori Momentum Elementer Betz’

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:

A 1× V 1=A 2× V 2 ...................................................................(2.1)

9

Gambar 3 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik dari aliran udara bebas sesuai dengan teori momentum elementer.

(Sumber : Eric Hau, 2006)

Energi kinetik dari massa udara sebesar m yang bergerak pada kecepatan v

dinyatakan sebagai :

E=12

m v2 ...................................................................................(2.2)

Dengan menganggap udara melalui luas penampang A pada waktu tertentu, maka

laju aliran udara tersebut menjadi

V=v . A.................................................................(2.3)

Dan bila kerapatan udara adalah ρ, maka laju aliran massa udara adalah

m=ρ . v . A..................................................................................(2.4)

Dari persamaan-persamaan di atas didapat ekspresi daya angin seperti berikut :

Po=12

. ρ . v3 . A ...........................................................................(2.5)

Energi mekanik yang dapat diekstraksi oleh “konverter piringan” dari aliran udara

merupakan selisih daya aliran udara sebelum dan sesudah melewati konverter,

yaitu:

10

P=12

ρ . A1 . v13−1

2ρ . A2 . v2

3......................................................(2.6)

Persamaan kontinuitas mensyaratkan :

ρ . A1 . v1=ρ . A2 . v2 .....................................................................(2.7)

sehingga, daya yang dapat diekstraksi menjadi

P=12

ρ . v1 . A1 .(v12−v2

2) ............................................................(2.8)

Pengolahan lebih lanjut terhadap persamaan-persamaan sebelumnya akan

menghasilkan ekspresi daya yang dapat diekstraksi menjadi

P= 14

ρ . A .(v1−v2)(v1+v2) .......................................................(2.9)

sedangkan daya angin sebelum mencapai rotor adalah (persamaan 2.5)

Po=12

. ρ . v3 . A

Rasio antara daya mekanik yang dapat diekstraksi dan daya angin sebelum

mencapai rotor disebut koefisien daya (power coefficient) Cp, yaitu :

CP= PPo

=

14

ρA (v12−v2

2 )+(v12+v2

2)

12

ρA v2 .......................................(2.10)

atau dapat dinyatakan dalam bentuk :

CP= PPo

=12|1−( v2

v1 )2||1+( v2

v1 )2| ..............................................(2.11)

11

Gambar 4 Hubungan koefisien daya dengan rasio v1/v2(Sumber : Eric Hau)

Dari persamaan 11 dan kurva di atas, maka Cp maksimum atau “koefisien daya

ideal” terjadi pada saat v2/v1 = 1/3 dan besarnya adalah

CP=1627

=0,593

II. 4. Profil Airfoil untuk Turbin Angin

Profil airfoil memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika

dibandingkan dengan lift yang diberikan. Bentuk airfoil pada turbin umumnya

melengkung pada bagian atas dan lebih datar pada bagian bawah, ujung tumpul

pada bagian depan dan lancip pada bagian belakang. Bentuk airfoil yang demikian

menyebabkan kecepatan udara dibagian atas akan lebih kecil daripada kecepatan

udara dibagian bawah. (Mulyadi, 2010).

12

Gambar 5 Bagian-bagian pada airfoil(sumber : http://vignette2.wikia.nocookie.net)

II. 5. Persamaan yang Digunakan

II. 5. 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).

D=√ P

Cp . ρ2

. π4

. v3 .....................................................................(2.12)

Dimana :

P = Daya Poros yang diinginkan (Watt)

Cp = Coefficient Of Performance

ρ = massa jenis udara (kgm3 )

v = kecepatan udara (m/s)

13

Selain luaran daya, kecepatan angin mula juga menjadi pertimbangan

pemilihan diameter rotor. Semakin besar diameter rotor, 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. 5. 2. Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung

rotor terhadap kecepatan angin bebas. Hal yang perlu diperhatikan dalam

merancang turbin angin adalah berapa daya yang ingin dihasilkan dan berapa

kecepatan angin yang bisa didapatkan. Hal pertama yang harus diperhitungkan

adalah TSR (Tip Speed Ratio) atau perbandingan kecepatan ujung dan kecepatan

angin yang didapat oleh kincir. TSR dapat dihitung sebagai berikut :

λ=ωrv

=

2 π n60

r

v=π n D

60 v............................................................(2.13)

Dimana :

ω = Kecepatan angular (rps)

D = diameter sudu turbin angin (m)

v = Kecepatan Angin (m/s)

n = Putaran (rpm)

14

II. 5. 3. Penentuan Geometri Sudu

Bentuk sudu adalah fungsi dari tsr, diameter rotor dan jumlah sudu.

Elemen penting yang dipilih dalam merancang sudu adalah bentuk planform sudu,

lebar sudu (chord), jari-jari pangkal (root radius), tebal sudu dan sudut pitch.

C=16× π× R×( R

r)

9 × λ2× B ...............................................................(2.14)

Dimana:

C = lebar sudu chord (m)

B = jumlah sudu

R = jari-jari rotor (m)

λ❑ = tip speed ratio

r = jarak dari pusat rotasi (m)

II. 5. 4. Penentuan Kecepatan Putaran

Kecepatan putaran dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

n=v x λ x ( 60π . D

) ......................................................................(2.15)

Dimana :

n = putaran (rpm)

λ = tip speed ratio dan

D = Diameter rotor (m)

15

II. 5. 5. Penentuan Torsi

Besarnya torsi dapat dihitung sebagai berikut :

T=F × r...................................................................................(2.16)

T=m × g ×r..............................................................................(2.17)

Dimana :

F = gaya (N)

T = torsi (Nm)

m = masa (kg)

g = gravitasi (m /s2)

BAB III

METODE DAN PROSES PENYELESAIN

III. 1. Pemilihan Bahan untuk Turbin

Sudu dari turbin terbuat dari suatu bahan yang disebut dengan komposit.

Komposit merupakan bahan campuran yang tersusun dari resin sebagai matriks

dan fiberglass sebagai serat. Matriks disini memiliki fungsi sebagai perekat pada

fiber sedangkan fiber berguna sebagai fondasi agar mendapatkan bentuk yang

diharapkan.

Pemilihan bahan matriks berupa resin dikarenakan kemampuan merekat

yang baik, harga rendah dan proses pengeringan dari bahan – bahan tersebut

cukup pada temperature ruangan sehingga dapat mempermudah dalam proses

pengerjaan. Sedangkan pada bahan serat dipilih karena berat yang ringan menjadi

16

pilihat terbaik untuk turbin. Selain itu bahan fiberglass tidak mudah korosi, tahan

pada temberatur tinggi dan juga harganya redah.

III. 2. Perhitungan Daya Turbin Angin

Perhitungan Daya rancangan rotor dapat dihitung dengan cara

menghitung terlebih dahulu daya total udara dengan persamaan 2.5. Contoh

Perhitungan dilakukan pada kecepatan angin sebesar 4 m/s dengan diameter

turbin sebesar 2 meter.

P0=1

2× ρ × A × v3

P0=

12 ×1.2 [

kgm3 ]×(3.14 ×1 [m ]2)×4 [

ms ]

3

P0=120.576 [ Watt ]

Berdasarkan aturan Betz, daya yang terserap turbin angin tidak akan

melebihi 0,593 bagian dari daya total udara yang melalui area sapuan rotor. Tabel

berikut menunjukkan daya maksimum rotor yang dapat diektraksi oleh rotor

dengan koefisien dayanya sebesar 0,45 dan asumsi tidak ada losses, tidak ada

turbulensi, dan efek perubahan luas area diabaikan.

Daya rotor = P0 x 0.45 = 120.576 x 0.45 = 54.2592 watt

III. 3. Perancangan Rotor

III. 3. 1. Perhitungan Diameter Rotor

Dalam menentukan diameter rotor perlu mempertimbangkan beberapa

parameter diantaranya besar daya yang ingin dihasilkan, kecepatan angin,

koefisien daya, dan pertimbangan lain yang berkaitan dengan aspek keindahan,

ketersediaan lahan, dan lainnya.

17

Daya rotor yang ingin dihasilkan pada turbin angin tiga sudu sebesar 60

Watt pada kecepatan 4 m/s dengan koefisien daya sebesar 0,45 yang dapat dilihat

pada gambar

Gambar 6 Koefisien Daya terhadap berbagai desain(Sumber : Eric Hau)

Sesuai dengan persamaan 2.12, maka diameter rotor dapat dihitung :

D=√ P

Cp× ρ2

× π4

× v3

D=√ 60[Watt ]

0.45 ×1.2[

kgm3 ]

2× 3.14

4× 4 [ m

s]3

D=2.103≈ 2 m

18

III. 3. 2. Perhitungan Tip Speed Ratio

Tip speed ratio adalah nilai perbandingan kecepatan angin sisi terluar

(ujung) rotor terhadap kecepatan angin. Tip speed ratio dapat dihitung dengan

persamaan 2.13.

λ=π × D × n60 × v

λ=3.14 ×2[m ]× 100[rpm]

60× 4 [ms

]

λ=2 ,616

Tabel berikut menunjukkan besarnya tip speed ratio dengan berbagai kecepatan

putaran rotor.

Tabel 1 Nilai Tip Speed Ratio Berdasarkan Putaran RotorNo. Kecepatan Angin

[m/s]Putaran [rpm] λ

1 4 10 0.2616666672 20 0.523333333

3 30 0.785

4 40 1.046666667

5 50 1.308333333

6 60 1.57

7 70 1.831666667

8 80 2.093333333

9 90 2.355

10 100 2.616666667

19

III. 3. 3. Perancangan Geometri Sudu

Untuk mendapatkan bentuk geometri sudu yang optimal dilakukan

perhitungan dengan persamaan 2.14. Perhitungan dilakukan dengan mengambil

nilai λ= 2.616, kecepatan angin 4 m/s, jumlah sudu sebanyak 3 buah, dan jarak

antara penampang 0,1 meter.

C=16× π× R×( R

r)

9 × λ2× B

C=16× 3.14 ×1 [m ]×(

1 [m ]0.1 [m ]

)

9 × 2.6162× 3

C=2.71 m

III. 3. 4. Profil Airfoil

Pembentukan airfoil mengacu pada jurnal Francincus Lungan yang

berjudul “Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga

Sudu Berdiameter 3.5 Meter dengan Modifikasi Pemotong dan Pengaturan sudut

Pitch” yang menggambarkan batasan pembentukan airfoil dan diperlihatkan pada

gambar

Gambar 7 Bentuk Penampang Airfoil(Sumber : Francincus Lungan)

20

Dimana :

d0 : lebar sudu

d1 : lokasi titik puncak, diambil 25% dari lebar sudu awal

d2 : tinggi titik puncak, diambil 10% dari lebar sudu

d3 : tinggi arc leading edge, diambil 5% dari lebar sudu

d4 : lokasi mulai trailing edge, diambil 25% dari lebar sudu

d5 : tinggi mulai trailing edge, diambil 2.5% dari lebar sudu

III. 4. Desain Turbin

Berikut adalah desain rangangan turbin angin poros horizontal upwind dengan

tiga sudu.

Gambar 8 Gambar Design Turbin Angin

21

22

23

24

25

26

27

DAFTAR PUSTAKA

1. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2012. Statistik EBTKE 2012. Jakarta: Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral

2. Fatmawati, Iis. 2012. Studi Karakteristik Turbin Angin Tipe Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 1,6 Meter di FMIPA UNJ. Skripsi, Program Studi Fisika, Universitas Negeri Jakarta : Jakarta.

3. Alfarisi, Mika Salman. 2016. Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Horizontal Kapasitas 1000 Watt. Tugas Akhir Program Studi Diploma III Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro : Semarang

4. Asy’i, Hisyam. 2012. Desain Prototipe Pembangkit Listrik Tenaga Angin Dengan Turbin Angin Horisontal dan Generator Magnet Permanen Tipe Axial Kecepatan Rendah. Seminar Nasional Aplikasi Sains &Teknologi (SNAST) Periode III : Yogyakarta

5. Erich Hau, Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 2005, 2nd Edition, terjemahan Horst von Renuard, Springer, Germany.

28