PERANCANGAN DAN PEMBUATAN BODI MOBIL TIPE URBAN LISTRIK SESUSAI REGULASI INDONESIA ENERGY MARATHON CHALLANGGE (IEMC) TUGAS AKHIR

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Energi terbarukan menurut Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral: “Energi terbarukan ialah energi yang dapat diperbaharui dan apabila dikelola dengan baik, sumber daya itu tidak akan habis”.

Menurut World Council For Renewable Energy enegi terbarukan termasuk sel surya, hidro, aseanik, geothermal, biomassa, dan sumber lain yang diturunkan dari energi matahari. Bentuk enrgi yang terpakai seperti kelistrikan, bahan bakar hydrogen, energi panas dan gaya mekanikal (LAPAN, 2007).

Angin merupakan salah satu bentuk energi yang bersumber dari matahari yang disebabkan pemanasan atmosfer bumi yang tidak merata, ketidak-teraturan permukaan bumi dan rotasi bumi (LAPAN, 2007).

Pada tahun 2005 cadangan minyak bumi di Indonesia diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga di hampir semua negara berpacu untuk membangkitkan energi dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan. (DESDM, 2005).

Kondisi ekonomi penduduk yang rendah serta potensi penduduk untuk kebutuhan listrik yang sangat tinggi. Banyak daerah terpencil yang belum dialiri listrik.

Indonesia adalah negara yang memiliki sumber daya energi yang sangat melimpah, salah satunya adalah sumber energi angin. Indonesia yang merupakan negara kepulauan dan salah satu negara yang terletak di garis khatulistiwa merupakan faktor, bahwa Indonesia memiliki potensi energi angin yang melimpah. Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah katulistiwa, udaranya menjadi panas mengembang dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin. Sebaliknya daerah kutub yang dingin, udara menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi perputaran udara berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis katulistiwa menyusuri

2 permukaan bumi dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari garis katulistiwa kembali ke kutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Potensi energi angin di Indonesia cukup memadai, karena kecepatan angin rata-rata berkisar 3,5 - 7 m/s ( LAPAN, 2005 ).

Untuk memenuhi kebutuhan listrik perlu adanya sumber energi alternatif yakni turbin angin. Turbin angin di pasaran sekarang ini banyak didesain untuk kecepatan angin diatas 6 m/s dan harganya relatif mahal. Dilihat dari desain di pasaran dan kondisi angin di daerah maka perlu didesain dan dibuat turbin angin dengan kecepatan angin 5 m/s.

Dalam perancangan dan pembuatan turbin angin sumbu horizontal (TASH), karena jenis turbin angin sumbu vertikal/tegak (TASV) hanya mampu memproduksi 50% energi dari efisiensi TASH karena drag pada TASV bertambah pada saat turbin berputar. Keuntungan TASH dapat dilihat dari bentuk sudu-sudu (blade) pada umumnya seperti baling-baling pesawat terbang, memiliki dua atau tiga bilah sudu (baling-baling) yang mengarah pada arah angin yang paling tinggi kecepatannya, sehingga memiliki efisiensi lebih tinggi dari jenis TASV. Kelebihan TASH lainnya yaitu dasar menara tinggi membolehkan akses angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseka angin (perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi). Disejumlah lokasi gesekan angin setiap sepuluh meter ke atas kecepatan angin meningkat 20%. (turbin angin).

Berdasarkan asumsi diatas maka perlu adanya perancangan dan pembuatan turbin angin yang nantinya dapat diterapkan untuk pengisian aki sehingga dapat digunakan untuk keperluan dalam skala rumah tangga atau didaerah terpencil yang memiliki potensi angin yang baik serta tidak terjangkau aliran listrik PLN. Oleh karena itu, tugas akhir yang kami ambil adalah “Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Horizontal Untuk Pengisian Aki”.

3 1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang diatas permasalahan yang akan diambil adalah bagaimana desain dan dimensi komponen dari pembuatan turbin angin sumbu horizontal untuk pengisian aki.

1.3. Tujuan

1. Mendapatkan desain dan dimensi komponen turbin angin sumbu horizontal untuk pengisian aki.

2. Untuk meningkatkan dan mengembangkan kreatifitas mahasiswa dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi (IPTEK).

1.4. Manfaat

Manfaat penelitian rancang bangun turbin sumbu horizontal untuk pengisian aki mobilini adalah:

1. Kincir angin ini dapat digunakan sebagai salah satu aplikasi pemanfaatan energy terbarukan.

2. Dalam pembuatan skala besar mampu menghasilkan energy listrik yang besar dan dapat diterapkan dalam masyarakat.

3. Memberikan solusi terhadap masalah penyediaan energi yang murah dan ramah lingkungan.

4. Sebagai pensuplai tambahan energi listrik yang kemudian diterapkan pada suatu daerah yang berpotensi memiliki angin yang baik.

5. Menghemat biaya listrik bulanan akibat penggunaan listrik berlebih dari alat kelistrikan pada rumah tangga.

6. Memperkaya khasanah ilmu pengetahuan dalam pengembangan turbin angin. 1.5. Batasan Desain

 Kecepatan angin pada saat generator listrik mulai berputar menghasilkan listrik (Vcut-in).

 Kecepatan angin pada saat generator listrik menghasilkan daya output maksimum. Kecepatan angin yang dipakai adalah Vrated 5 m/s.

 Kecepatan angin maksimum dimana operasi generator harus dihentikan untuk mencegah terjadinya kerusakan pada generator Vcut-out (Vx3).

PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU

HORIZONTAL UNTUK PENGISIAN AKI

TUGAS AKHIR

Untuk Memenuhi Persyaratan

Memperoleh Gelar S1 Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Malang

Oleh: Dany Arif Ferdian

201110120312161

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2014

i

LEMBAR PENGESAHAN

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL

UNTUK PENGISISAN AKI

Diajukan untuk memenuhi slah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Malang

Telah Diperiksa, Disetujui Dan Disahkan Oleh:

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Ir. Eko Hariadi. MT Ir. Mulyono. MT

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Mesin

ii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkat dan rahmatNya pada akhirnya kami dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL UNTUK PENGISIAN AKI”.

Kami menyadari bahwa tugas akhir ini masih banyak kekurangannya dan jauh dari kesempurnaan. Namun kami berharap semoga dengan selesainya penyusunan laporan Tugas Akhir ini dapat memberi sumbangan pengetahuan bagi siapa saja yang memerlukan.

Sehubung selesainya tugas akhir ini, tidaklah berlebihan kiranya kami dengan kesungguhan dan kerendahan hati, mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Orang tua kami yang selalu memberikan dorongan dan bantuan baik moril maupun materiil.

2. Bapak Ir. Eko Hariadi, MT dan Bapak Ir. Mulyono, MT, selaku Dosen Pembimbing dalam pembuatan Tugas Akhir ini.

3. Seluruh karyawan dan staf Teknik Mesin yang telah memberi kemudahan dalam pembuatan Tugas Akhir.

4. Segenap rekan-rekan yang telah banyak membantu dalam memberikan masukan kepada kami.

5. Dan semua pihak yang telah membantu terselesainya Tugas Akhir ini.

Semoga Allah SWT. memberikan rahmat dan anugerah atas jasa-jasanya yang telah diberikan kepada kami, Amin.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Malang, 14 April 2014

iii DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL

POSTER ……….. i

LEMBAR PENGESAHAN ……….. ii

LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI ……….. iii

SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT ………... v

ABSTRAKSI INDONESIA ………... vi

ABSTRAKSI ENGLISH ………... vii

KATA PENGANTAR ………... viii

DAFTAR ISI ………... ix

DAFTAR GAMBAR ………... xii

DAFTAR TABEL ………... xiii

BAB I PENDAHULUAN ……… 1

1.1Latar Belakang Masalah ……… 1

1.2Rumusan Masalah ……… 3

1.3Tujuan Penulisan ……… 3

1.4Manfaat Penulisan ……… 3

1.5Batasan Desain ……….... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ……… 4

2.1 Definisi Turbin Angin ……… 4

2.1.1 Terjadinya Angin ……… 4

2.1.2 Kecepatan Angin ……… 5

2.2 Pemilihan Jenis Turbin Angin ……… 5

2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ……… 5

2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……… 6

2.3 Pemilihan Bahan Sudu ……… 8

2.4 Alternator ……… 8

iv

2.6 Tower ……… 10

2.7 Tali Baja ……… 11

2.8 Bantalan ……… 12

2.9 Kelistrikan ……… 13

2.10 Kayu ……… 14

2.10.1 Bagian Pohon ……… 14

2.10.2 Bagian-bagian Kayu ……… 14

2.10.3 Pengenalan Tipe Kayu Variasi Pohon ……. 16

2.10.4 Berat jenis ……… 17

2.10.5 Kekuatan Kayu Menurut Jenisnya ……… 17

BAB III METODE PERANCANGAN ..………. 18

3.1. Proses Desain ...……… 18

3.1.1. Penentuan Kebutuhan Pengguna dan Penilaiannya . 18 3.1.2. Perumusan Jumlah Kebutuhan Turbin Angin …… 18

3.1.2.1. Sudu ………... 18

3.1.2.2. Hub ……… 19

3.1.2.3. Tail ……… 19

3.1.2.4. Tower ...………. 19

3.1.2.5. Evaluasi Perancangan ...………... 19

3.1.3. Penetapan Konsep ……… 20

3.1.4. Penilain dan Pengujian Desain ……… 20

3.1.5. Pemilihan Konsep Terbaik ..……….. 20

3.1.6. Analisa Rekayasa ..……….. 20

3.1.7. Pemilihan Komponen .………... 20

3.2. Penilaian Kebutuhan .………... 20

v

BAB IV PERANCANGAN TURBIN ANGIN ..….………. 22

4.1 Konsep Desain ……… 22

4.2 Daya Rencana ...….……… 23

4.3 Desain Rotor ……… 23

4.3.1 Diameter Rotor .…...……… 24

4.3.2 Pemilihan Jenis dan Jumlah Sudu …..……….. 25

4.3.3 Geometri Bilah Sudu ..….………. 25

4.3.4 Volume Sudu ..….………. 29

4.3.5 Berat Sudu ..…………..……… 30

4.3.6 Berat Hub ……… 30

4.4 Desain Ekor Pengarah ...….……… 31

4.4.1 Berat Ekor Pengarah ..…..……… 31

4.5 Desain Menara ...…..………... 32

4.5.1 Gaya Aksial yang Bekerja pada Tower …...………. 32

4.5.2 Gaya Angin yang Bekerja pada Tower ...…………. 32

4.5.3 Pemilihan Pipa ……… 33

4.5.3.1 Analisis pada Dinding Pipa ……… 33

4.5.3.2 Analisis Tegangan Kolom Pipa ……… 35

4.6 Perencanaan Tali Baja …..………. 36

4.6.1 Tegangan pada Tali Baja ….……….. 38

4.6.1.1 Tegangan pada Tali Baja Level 1 …..………. 38

4.6.1.2 Tegangan pada Tali Baja Level 2 …..………. 39

4.7 Pemilihan Alternator ………... 42

BAB V KESIMPULAN ………... 43

5.1 Kesimpulan ………... 43

5.2 Saran ……..………. 43

DAFTAR PUSTAKA ………... 44 LAMPIRAN

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ……….. 6

Gambar 2.2 Turbin Darrieus ……….. 6

Gambar 2.3 Turbin Savonius ……….. 7

Gambar 2.4 Alternator Tipe IC Built-in ……….. 9

Gambar 2.5 Hub ……….. 10

Gambar 2.6 Jenis Tail atau Pengarah Angin ……….. 10

Gambar 2.7 Tower Tipe Guyed Tilt-up ……….. 11

Gambar 2.8 Tali Baja (Sling) Jenis Konstruksi Tali Parelel ……….. 11

Gambar 2.9 Bantalan (Bearing) Jenis Bola Radial ……….. 12

Gambar 2.12 Inverter Daya 600 Watt ………... 13

Gambar 2.13 Aki Kering (MF) ……….. 14

Gambar 2.14 Bagian-bagian kayu ……….. 15

Gambar 2.15 Tipe variasi pohon ……….. 16

Gambar 4.1 Konsep Desain ……….. 22

Gambar 4.3 Bagian Dari Blade ……….. 29

Gamabar 4.4 Tegangan Tarik Melingkar dan Memanjang Pada Pipa …….. 33

Gamabar 4.5 Kolom Pipa Tower ……….. 35

Gambar 4.6 Segitiga siku-siku ……….. 36

Gambar 4.7 Penampang Tower ……….. 37

Gambar 4.8 Gaya Tarikan pada Tali Baja Level 1 ……….. 38

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kelas Kayu Berdasarkan Berat Jenisnya ……… 17

Tabel 2.2 Kekutan Kayu Menurut Jenisnya (LPH – Bogor) ……… 17

Tabel 4.1 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR ……… 25

Tabel 4.2 Harga Radius Lokal Blade ……… 26

Table 4.3 Jenis Sudu dan Sifat – sifat Aerodinamika ………... 27

Tabel 4.4 Harga Geometri Sudu-Sudu ……… 29

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar W, 2004, “Penggerak Mula Turbin”, ITB, Bandung.

Badan Pusat Statistika Kota Sukabumi (2002), Profil Kabupaten / Kota Sukabumi Jawa Barat, Sukabumi.

DESDM (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Jakarta.

Djojodiharjo H. dan Molly JP., 1983, “Wind Energy System”, Alumni Press Bandung, Bandung.

Harsokusoemo D., 2000, “Pengantar Perancangan Teknik”, Departemen DIKNAS. Iswahyudi A., 2007, “Perancangan Sudu Turbin Angin Sebagai Energi Alternatif untuk Desalinasi dengan Daya 1000 watt”, Universitas Muhammadiyah Malang. Khurmi R.S., J.K. Gupta, 1974, “A Text Book of Machine Design”.

Rudenko N, 1992, “Mesin Pemindah Bahan”, Erlangga, Jakarta.

Setiono P., 2006, “Pemanfaatan Alternator Mobil Sebagai Pembangkit Tenaga Listrik Tenaga Angin”, Universitas Negeri Semarang.

Timoshenko, 1997, “Mekanika Bahan”, Erlangga, Jakarta.

Syamsir A, 1990 “Pesawat-pesawat Pengangkat”, CV. Rajawali Pers, Jakarta. R.Wartena, Harun, dkk, ‘Generator Angin”,

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL

POSTER ……….. i

LEMBAR PENGESAHAN ……….. ii

LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI ……….. iii

SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT ………... v

ABSTRAKSI INDONESIA ………... vi

ABSTRAKSI ENGLISH ………... vii

KATA PENGANTAR ………... viii

DAFTAR ISI ………... ix

DAFTAR GAMBAR ………... xii

DAFTAR TABEL ………... xiii

BAB I PENDAHULUAN ……… 1

1.1Latar Belakang Masalah ……… 1

1.2Rumusan Masalah ……… 3

1.3Tujuan Penulisan ……… 3

1.4Manfaat Penulisan ……… 3

1.5Batasan Desain ……….... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ……… 4

2.1 Definisi Turbin Angin ……… 4

2.1.1 Terjadinya Angin ……… 4

2.1.2 Kecepatan Angin ……… 5

2.2 Pemilihan Jenis Turbin Angin ……… 5

2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ……… 5

2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……… 6

2.3 Pemilihan Bahan Sudu ……… 8

2.4 Alternator ……… 8

2.6 Tower ……… 10

2.7 Tali Baja ……… 11

2.8 Bantalan ……… 12

2.9 Kelistrikan ……… 13

2.10 Kayu ……… 14

2.10.1 Bagian Pohon ……… 14

2.10.2 Bagian-bagian Kayu ……… 14

2.10.3 Pengenalan Tipe Kayu Variasi Pohon ……. 16

2.10.4 Berat jenis ……… 17

2.10.5 Kekuatan Kayu Menurut Jenisnya ……… 17

BAB III METODE PERANCANGAN ..………. 18

3.1. Proses Desain ...……… 18

3.1.1. Penentuan Kebutuhan Pengguna dan Penilaiannya . 18 3.1.2. Perumusan Jumlah Kebutuhan Turbin Angin …… 18

3.1.2.1. Sudu ………... 18

3.1.2.2. Hub ……… 19

3.1.2.3. Tail ……… 19

3.1.2.4. Tower ...………. 19

3.1.2.5. Evaluasi Perancangan ...………... 19

3.1.3. Penetapan Konsep ……… 20

3.1.4. Penilain dan Pengujian Desain ……… 20

3.1.5. Pemilihan Konsep Terbaik ..……….. 20

BAB IV PERANCANGAN TURBIN ANGIN ..….………. 22

4.1 Konsep Desain ……… 22

4.2 Daya Rencana ...….……… 23

4.3 Desain Rotor ……… 23

4.3.1 Diameter Rotor .…...……… 24

4.3.2 Pemilihan Jenis dan Jumlah Sudu …..……….. 25

4.3.3 Geometri Bilah Sudu ..….………. 25

4.3.4 Volume Sudu ..….………. 29

4.3.5 Berat Sudu ..…………..……… 30

4.3.6 Berat Hub ……… 30

4.4 Desain Ekor Pengarah ...….……… 31

4.4.1 Berat Ekor Pengarah ..…..……… 31

4.5 Desain Menara ...…..………... 32

4.5.1 Gaya Aksial yang Bekerja pada Tower …...………. 32

4.5.2 Gaya Angin yang Bekerja pada Tower ...…………. 32

4.5.3 Pemilihan Pipa ……… 33

4.5.3.1 Analisis pada Dinding Pipa ……… 33

4.5.3.2 Analisis Tegangan Kolom Pipa ……… 35

4.6 Perencanaan Tali Baja …..………. 36

4.6.1 Tegangan pada Tali Baja ….……….. 38

4.6.1.1 Tegangan pada Tali Baja Level 1 …..………. 38

4.6.1.2 Tegangan pada Tali Baja Level 2 …..………. 39

4.7 Pemilihan Alternator ………... 42

BAB V KESIMPULAN ………... 43

5.1 Kesimpulan ………... 43

5.2 Saran ……..………. 43

DAFTAR PUSTAKA ………... 44 LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ……….. 6

Gambar 2.2 Turbin Darrieus ……….. 6

Gambar 2.3 Turbin Savonius ……….. 7

Gambar 2.4 Alternator Tipe IC Built-in ……….. 9

Gambar 2.5 Hub ……….. 10

Gambar 2.6 Jenis Tail atau Pengarah Angin ……….. 10

Gambar 2.7 Tower Tipe Guyed Tilt-up ……….. 11

Gambar 2.8 Tali Baja (Sling) Jenis Konstruksi Tali Parelel ……….. 11

Gambar 2.9 Bantalan (Bearing) Jenis Bola Radial ……….. 12

Gambar 2.12 Inverter Daya 600 Watt ………... 13

Gambar 2.13 Aki Kering (MF) ……….. 14

Gambar 2.14 Bagian-bagian kayu ……….. 15

Gambar 2.15 Tipe variasi pohon ……….. 16

Gambar 4.1 Konsep Desain ……….. 22

Gambar 4.3 Bagian Dari Blade ……….. 29

Gamabar 4.4 Tegangan Tarik Melingkar dan Memanjang Pada Pipa …….. 33

Gamabar 4.5 Kolom Pipa Tower ……….. 35

Gambar 4.6 Segitiga siku-siku ……….. 36

Gambar 4.7 Penampang Tower ……….. 37

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kelas Kayu Berdasarkan Berat Jenisnya ……… 17

Tabel 2.2 Kekutan Kayu Menurut Jenisnya (LPH – Bogor) ……… 17

Tabel 4.1 Pemilihan Jumlah Bilah Sudu Berdasarkan TSR ……… 25

Tabel 4.2 Harga Radius Lokal Blade ……… 26

Table 4.3 Jenis Sudu dan Sifat – sifat Aerodinamika ………... 27

Tabel 4.4 Harga Geometri Sudu-Sudu ……… 29

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar W, 2004, “Penggerak Mula Turbin”, ITB, Bandung.

Badan Pusat Statistika Kota Sukabumi (2002), Profil Kabupaten / Kota Sukabumi Jawa Barat, Sukabumi.

DESDM (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Jakarta.

Djojodiharjo H. dan Molly JP., 1983, “Wind Energy System”, Alumni Press Bandung, Bandung.

Harsokusoemo D., 2000, “Pengantar Perancangan Teknik”, Departemen DIKNAS. Iswahyudi A., 2007, “Perancangan Sudu Turbin Angin Sebagai Energi Alternatif untuk Desalinasi dengan Daya 1000 watt”, Universitas Muhammadiyah Malang. Khurmi R.S., J.K. Gupta, 1974, “A Text Book of Machine Design”.

Rudenko N, 1992, “Mesin Pemindah Bahan”, Erlangga, Jakarta.

Setiono P., 2006, “Pemanfaatan Alternator Mobil Sebagai Pembangkit Tenaga Listrik Tenaga Angin”, Universitas Negeri Semarang.

Timoshenko, 1997, “Mekanika Bahan”, Erlangga, Jakarta.

Syamsir A, 1990 “Pesawat-pesawat Pengangkat”, CV. Rajawali Pers, Jakarta. R.Wartena, Harun, dkk, ‘Generator Angin”,