Desain Turbin Angin Tipe Savonius dengan Twist 45 derajat kapasitas 100 watt untuk Sala View Hotel.
MOTTO
“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila
kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada
Tuhanmu”. (Q.S Al Insyirah : 6-8)
“Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga
mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri”
(Q.S. ArRa’ad : 11)
“Kamu adalah apa yang kamu yakini”
(Rica Rachmania)
iv
PERSEMBAHAN
Dengan segala puja dan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa dan atas
dukungan dan do’a dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat
dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa
bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada:
Tuhan YME, karena hanya atas izin dan karuniaNyalah maka skripsi ini
dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada
Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do’a.
Bapak dan Ibu saya, yang telah memberikan dukungan moril maupun materi
serta do’a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah
lantunan do’a dan tiada do’a yang paling khusuk selain do’a yang terucap dari
orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas
kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk
kalian bapak ibuku.
Bapak dan Ibu Dosen pembimbing, penguji dan pengajar, yang selama ini
telah tulus dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan
saya, memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya, agar
saya menjadi lebih baik. Terimakasih banyak Bapak dan Ibu dosen, jasa kalian
akan selalu terpatri di hati.
Saudara saya (Kakak dan Adik), yang senantiasa memberikan dukungan,
semangat, senyum dan do’anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah
memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk
kalian.
Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan
kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa,
tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan
manis
yang
telah
mengukir
v
selama
ini
Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua. Akhir kata saya
persembahkan skripsi ini untuk kalian semua, orang-orang yang saya sayangi.
Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk kemajuan ilmu
pengetahuan di masa yang akan datang, Aamiin
vi
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha
Panyayang, dengan ini kami panjatkan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah
melimpahkan rahmat-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan
skripsi dengan judul “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°
Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel”.
Adapun skripsi “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°
Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel” ini telah kami usahakan
semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan dari banyak pihak, sehingga
dapat memperlancar proses pembuatan makalah ini. Untuk itu penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang
senantiasa
memberikan
nasehat,
arahan
dan
bimbingan
dalam
menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT, selaku Dosen Pembimbing II yang
turut
serta
memberikan
motivasi,
arahan
dan
bimbingan
dalam
menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST.,MT., Bapak Eko Prasetya B,
ST.,M.T., dan Ibu Indri Yaningsih, ST.,MT. selaku dosen penguji tugas
akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.
4. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah
berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas
Sebelas Maret ini.
5. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.
6. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir.
7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan
studi S1.
vii
8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal
administrasi.
9. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku atas do’a restu, nasihat, motivasi, dukungan
material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi.
10. Rekan-rekan seperjuangan di Mecheng 11, kakak tingkat dan adik tingkat di
Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!!
11. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan
pembelajaran berharga yang akan selalu saya ingat.
12. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang
tidak bias penulis sebutkan satu-persatu.
Akhirnya penyusun mengharapkan semoga dari skripsi “Desain Turbin
Angin Tipe Savonius dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt untuk Sala View
Hotel” ini dapat diambil manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap
pembaca. Selain itu, kritik dan saran dari Anda kami tunggu untuk perbaikan
makalah ini nantinya.
Surakarta, 8 Maret 2016
Penulis
viii
DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45°
KAPASITAS 100 WATT
UNTUK SALA VIEW HOTEL
Rifqi Muhtar Atsnawi
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta Indonesia
E-mail : muhtaratsnawi@gmail.com
Abstrak
Kebutuhan akan energi saat ini sangatlah tinggi. Hal ini dikarenakan banyak
pertumbuhan industri, gedung, dan perumahan. Hal tersebut apabila dibiarkan
akan menyebabkan kelangkaan energi. Salah satu upaya untuk menanggulanginya
adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan, seperti pemanfaatan turbin angin.
Tugas akhir ini akan membahas mengenai perancangan turbin angin tipe Savonius
kapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk produksi energi.
Berdasarkan analisa hasil perhitungan yang telah dilakukan didapat kecepatan
angin pada Sala View Hotel sebesar 7,06 m/det. Nilai koefisien daya (Cp) sebesar
0,18 dan tip speed ratio (λ) yang digunakan adalah 1. σilai aspect ratio (α) dan
overlap ratio (β) sebesar 1,5 dan 0,2, maka didapatkan dimensi untuk luas sapuan
turbin sebesar 2,74 m2 dengan menggunakan sudu berbentuk twist 45° sebanyak
dua sudu dengan diameter sudu sebesar 0,75 m. Sehingga dimensi untuk tinggi
(H) dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,03 m dan 1,35 m.
Kata kunci: Kebutuhan energi, energi terbarukan, perancangan, turbin angin,
Savonius .
ix
DESIGN OF 450 TWISTED SAVONIUS WIND TURBINE WITH 100 WATT
CAPACITY AT SALA VIEW HOTEL
Rifqi Muhtar Atsnawi
Departement of Mechanical Engineering
Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia
E-mail : muhtaratsnawi@gmail.com
Abstract
Nowadays the need of energy is very high because there are so many industries,
buildings, and housing need major energy source. If that problem is ignored it
will cause crisis energy. An effort to resolve it, is to utilize renewable energy such
as the wind turbines. This paper will discuss the design of the type Savonius wind
turbines with a capacity of 100 Watts that can be used for energy production.
Based on the analysis results have been carried out wind speed obtained at Sala
View Hotel is 7.06 m / s. The value of the power coefficient (Cp) of 0.18 and tip
speed ratio (λ) used is 1. The value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β)
of 1.5 and 0.2, then obtained for the sweep area of the turbine dimensions of 2.74
m2 with using 45° blade twist and a blade diameter of 0.75 m. So the dimensions
for height (H) and a rotor diameter (D) turbine is 2.03 m and 1.35 m.
Keywords: needs of energy, renewable energy, design, wind turbines, Savonius.
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i
SURAT TUGAS ................................................................................................ ii
HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii
HALAMAN MOTTO ......................................................................................... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... v
KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii
ABSTRAK .......................................................................................................... ix
DAFTAR ISI ...................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiv
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv
DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xvi
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xix
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................ 2
1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 2
1.6 SistematikaPenulisan ...................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA......................................................................... 4
2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia ......................................... 4
2.2 Definisi Energi Angin ..................................................................... 5
2.3 Kondisi Arah Aliran Angin di Wilayah Perkotaan ......................... 6
2.3.1 Distribusi Weibull untuk Kecepatan Angin ............................ 7
2.3.2 Estimasi Energi Angin yang Tersedia ..................................... 8
2.4 Pengertian Turbin Angin................................................................. 9
2.5 Jenis Turbin Angin .......................................................................... 9
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (HAWT) ............................. 10
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ................................. 10
2.5.2.1 Turbin Angin Darrieus ................................................ 11
xi
2.5.2.2 Turbin Angin Savonius ............................................... 11
2.6 Desain Turbin Savonius .................................................................. 12
2.6.1 Beberapa Hal yang dapat Menambah Performa Turbin
Savonius .............................................................................. 12
2.6.1.1 Jumlah Sudu................................................................ 12
2.6.1.2 Bentuk Bucket ............................................................. 13
2.6.1.3 Aspect Ratio ................................................................ 16
2.6.1.4 Overlap Ratio.............................................................. 17
2.6.1.5 Endplate ...................................................................... 17
2.6.2 Parameter yang Bersangkutan dalam Pendesainan Turbin
Savonius ............................................................................... 17
2.6.2.1 Daya Turbin ................................................................ 18
2.6.2.2 σilai putaran rotor (ω), Tip speed ratio (TSR) dan
Power Coefficient (Cp) ............................................. 18
2.6.2.3 Torsi ............................................................................ 20
2.6.2.4 Poros ........................................................................... 20
2.6.2.5 Pasak ........................................................................... 21
2.6.2.5 Bantalan Atau Bearing ............................................... 23
2.6.2.7 Sistem Transmisi Daya ............................................... 23
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ..................................................... 24
3.1 Prosedur Penelitian ......................................................................... 24
3.1.1 Studi Literatur ......................................................................... 24
3.1.2 Pemilihan Lokasi ..................................................................... 24
3.1.3 Mengumpulkan Data Kecepatan Angin .................................. 24
3.1.4 Pengolahan Data Kecepatan Angin ......................................... 24
3.1.5 Perancangan Desain Turbin Angin ......................................... 25
3.2 Penetapan Parameter Turbin Angin Savonius yang Akan didesain 25
3.3 Membuat Rancangan Turbin Angin................................................ 25
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ...................................................... 26
4.1 Potensi Kecepatan Angin ................................................................ 26
4.1.1.Perhitungan Data Kecepatan Angin ........................................ 26
4.1.2.Perhitungan Kecepatan Angin di Sala View Hotel ................. 27
xii
4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin Rata-Rata, Deviasi Standar
dan Nilai Parameter Bentuk (k) dan Parameter Skala(c) ........ 29
4.1.4.Fungsi Probabilitas dan Kumulatif Distribusi Weibull ........... 30
4.1.5.Potensi Energi Angin .............................................................. 31
4.1.6.Grafik Windrose Data Kecepatan Angin ................................. 32
4.2 Desain Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° .......................... 33
4.2.1.Perhitungan Rotor Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° 33
4.2.2.Perhitungan Luas Area Sapuan ............................................... 34
4.2.3.Perhitungan Dimensi Sudu ...................................................... 34
4.2.4.Perhitungan Diameter Endplate .............................................. 35
4.2.5.Perhitungan Diameter Sudu pada Rotor .................................. 35
4.2.6.Perhitungan Torsi dan Kecepatan Sudut ................................. 37
4.2.7.Perhitungan Diameter Poros.................................................... 37
4.2.8.Perhitungan Dimensi Pasak ..................................................... 42
4.3 Pemilihan Bearing .......................................................................... 43
4.4 Perancangan Transmisi Turbin ....................................................... 48
4.5 Pemilihan Generator ....................................................................... 49
4.6 Prediksi Performa Turbin ................................................................ 50
4.6.1.Perhitungan Saat Kondisi Start ............................................... 50
4.6.2. Perhitungan Saat Kondisi Charging....................................... 52
4.7 Rangka ............................................................................................ 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 54
5.1 Kesimpulan ................................................................................... 54
5.2 Saran ............................................................................................. 54
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Profil kecepatan angin di perkotaan ................................................6
Gambar 2.2 Beberapa contoh turbin angin .........................................................9
Gambar 2.3 Contoh turbin angin tipe horizontal ................................................10
Gambar 2.4 Contoh turbin angin tipe vertikal ....................................................11
Gambar 2.5 Contoh turbin angin tipe vertikal jenis Savonius ............................12
Gambar 2.6 Grafik pengaruh jumlah sudu ..........................................................13
Gambar 2.7 Savonius dengan profil semi circular .............................................14
Gambar 2.8 Savonius dengan profil twist ...........................................................14
Gambar 2.9 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Cp ........................15
Gambar 2.10 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Ct .......................15
Gambar 2.11 Tampak atas dan samping dari turbin dengan twist (a) 0° (b) 45° (c)
90° (d) 135° .................................................................................16
Gambar 2.12 Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin ..................17
Gambar 2.13 Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio ..........................19
Gambar 2.14 Pasak..............................................................................................22
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian..................................................................25
Gambar 4.1 Grafik fungsi probability density ....................................................30
Gambar 4.2 Grafik fungsi distribusi cumulative .................................................31
Gambar 4.3 Grafik Windrose ..............................................................................32
Gambar 4.4 Desain Turbin Angin Savoius dengan Twist 45° ............................33
Gambar 4.5 End-plate .........................................................................................35
Gambar 4.6 Sudu Savonius dengan Twist 45° ....................................................36
Gambar 4.7 Skema turbin angin Savonius ..........................................................39
Gambar 4.8 Ilustrasi aliran udara di perkotaan ...................................................40
Gambar 4.9 Pasak................................................................................................42
Gambar 4.10 Bantalan bolt flange mounted bearing ..........................................48
Gambar 4.11 Generator NE – 100S ....................................................................50
Gambar 4.12 Performa Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal .......................53
Gambar 4.13 Rangka ...........................................................................................53
Gambar 4.14 Turbin angin Savonius dengan twist 45° .......................................54
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pengelompokan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi
potensial ........................................................................................... 5
Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasaran dan nilai gradien tinggi pada puncak lapis
batas berdasarkan lokasi yang berbeda ............................................... 7
Tabel 2.3 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ......................................... 22
Tabel 4.1 Contoh data kecepatan angin pada bulan Januari 2013 ...................... 26
Tabel 4.2 Contoh data kecepatan angin bulan Januari 2013 pada ketinggian
45 m .................................................................................................... 28
Tabel 4.3 Arah angin selama dua tahun .............................................................. 32
Tabel 4.4 Parameter-parameter dalam menentukan dimensi turbin.................... 34
Tabel 4.5 Daftar Nilai Safety Factor ................................................................... 38
Tabel 4.6 Nilai koefisien drag ............................................................................ 39
Tabel 4.7 Dimensi bantalan 5208........................................................................ 48
xv
DAFTAR NOTASI
A
luas area (m2)
AR
aspect ratio
As
luas sapuan untuk rotor turbin Savonius (m2)
At
luas sapuan rotor turbin (m2)
C
kapasitas beban dinamik
c
parameter skala distribusi Weibull
C0
kapasitas beban statik
Cd
koefisien Drag
Cp
koefisien daya turbin
D
diameter turbin angin (m)
Df
diameter endplate (m)
dp
diameter poros (m)
Ds
diameter rotor turbin angin (m)
e
jarak antara dua sudu turbin (m)
E
energi kinetik (Nm)
Ed
energi per satuan waktu
Et
energi selama satu satuan waktu
F(V)
fungsi cumulative distribusi Weibull
f(V)
fungsi probability density distribusi Weibull
Fd
gaya drag (N)
H
tinggi turbin angin (m)
H1
ketinggian pengukuran angin oleh badan meteorologi (10 m)
H2
ketinggian tempat yang ingin dilakukan observasi (m)
Hs
tinggi rotor turbin angin Savonius (m)
k
parameter bentuk distribusi Weibull
Km
faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan bending
Ks
faktor keamanan untuk bearing
Kt
faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan torsi
l
panjang pasak (m)
xvi
Lh
umur bantalan/bearing
M
momen (N.m)
M
massa udara yang bergerak (kg)
mb
massa sudu (kg)
Me
momen bending (N.m)
N
kecepatan putar (rpm)
N
safety factor
P
daya (Watt)
Pt
daya yang dihasilkan turbin (Watt)
R
jari jari turbin angin (m)
r
jari jari rotor turbin Savonius (m)
Sy
tegangan yield material (N/m2)
t
tebal pasak (m)
T
torsi yang dihasilkan oleh turbin angin (N.m)
Te
momen puntir (N.m)
V
kecepatan angin (m/s2)
V1
kecepatan angin yang diukur Badan Meteorologi (m/s)
V2
kecepatan angin yang diukur pada ketinggian Z2 (m/s)
VE
besar kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimum (m/s)
Vf
kecepatan angin yang sering muncul selama satu periode waktu (m/s)
Vm
kecepatan rata rata (m/s)
W
beban radial ekivalen dinamik
w
lebar pasak (m)
WA
beban aksial (N)
WR
beban radial (N)
X
faktor beban radial
Y
faktor rotasi
Z1
nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi Badan Meteorologi
Z2
nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi yang ingin diketahui
α1
kekasaran permukaan di lokasi Badan Meteorologi
α2
kekasaran permukaan di lokasi yang ingin diketahui
δ
overlap ratio
xvii
λ
tip speed ratio
ρ
massa jenis udara (kg/m3),
solidity
standar deviasi
d
tegangan tarik ijin material untuk desain (N/m2)
d
tegangan geser ijin material untuk desain (N/m2)
ω
kecepatan sudut putar turbin angin (rad/s)
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Kecepatan Angin .................................................................. 59
Lampiran 2. Hasil perhitungan VEmax per bulan ............................................. 71
Lampiran 3. Hasil Pengolahan Data Kecepatan Angin perbulan Selama Dua
Tahun ............................................................................................. 71
Lampiran 4. Hasil Perhitungan Arah Angin ....................................................... 71
Lampiran 5. Tabel Standar Ukuran Pasak .......................................................... 72
Lampiran 6. Standar Ukuran Bantalan ............................................................... 72
xix
vii
“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila
kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada
Tuhanmu”. (Q.S Al Insyirah : 6-8)
“Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga
mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri”
(Q.S. ArRa’ad : 11)
“Kamu adalah apa yang kamu yakini”
(Rica Rachmania)
iv
PERSEMBAHAN
Dengan segala puja dan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa dan atas
dukungan dan do’a dari orang-orang tercinta, akhirnya skripsi ini dapat
dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa
bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada:
Tuhan YME, karena hanya atas izin dan karuniaNyalah maka skripsi ini
dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada
Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do’a.
Bapak dan Ibu saya, yang telah memberikan dukungan moril maupun materi
serta do’a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah
lantunan do’a dan tiada do’a yang paling khusuk selain do’a yang terucap dari
orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas
kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk
kalian bapak ibuku.
Bapak dan Ibu Dosen pembimbing, penguji dan pengajar, yang selama ini
telah tulus dan ikhlas meluangkan waktunya untuk menuntun dan mengarahkan
saya, memberikan bimbingan dan pelajaran yang tiada ternilai harganya, agar
saya menjadi lebih baik. Terimakasih banyak Bapak dan Ibu dosen, jasa kalian
akan selalu terpatri di hati.
Saudara saya (Kakak dan Adik), yang senantiasa memberikan dukungan,
semangat, senyum dan do’anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah
memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk
kalian.
Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan
kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa,
tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan
manis
yang
telah
mengukir
v
selama
ini
Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk kalian semua. Akhir kata saya
persembahkan skripsi ini untuk kalian semua, orang-orang yang saya sayangi.
Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan berguna untuk kemajuan ilmu
pengetahuan di masa yang akan datang, Aamiin
vi
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha
Panyayang, dengan ini kami panjatkan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah
melimpahkan rahmat-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan
skripsi dengan judul “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°
Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel”.
Adapun skripsi “Desain Turbin Angin Tipe Savonius Dengan Twist 45°
Kapasitas 100 Watt Untuk SALA VIEW Hotel” ini telah kami usahakan
semaksimal mungkin dan tentunya dengan bantuan dari banyak pihak, sehingga
dapat memperlancar proses pembuatan makalah ini. Untuk itu penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang
senantiasa
memberikan
nasehat,
arahan
dan
bimbingan
dalam
menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT, selaku Dosen Pembimbing II yang
turut
serta
memberikan
motivasi,
arahan
dan
bimbingan
dalam
menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST.,MT., Bapak Eko Prasetya B,
ST.,M.T., dan Ibu Indri Yaningsih, ST.,MT. selaku dosen penguji tugas
akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.
4. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah
berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas
Sebelas Maret ini.
5. Bapak Dr Eng Syamsul Hadi ST.,MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.
6. Bapak Dr Nurul Muhayat ST, MT. selaku koordinator Tugas Akhir.
7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan
studi S1.
vii
8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal
administrasi.
9. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku atas do’a restu, nasihat, motivasi, dukungan
material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi.
10. Rekan-rekan seperjuangan di Mecheng 11, kakak tingkat dan adik tingkat di
Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!!
11. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan
pembelajaran berharga yang akan selalu saya ingat.
12. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang
tidak bias penulis sebutkan satu-persatu.
Akhirnya penyusun mengharapkan semoga dari skripsi “Desain Turbin
Angin Tipe Savonius dengan Twist 45° Kapasitas 100 Watt untuk Sala View
Hotel” ini dapat diambil manfaatnya sehingga dapat memberikan inpirasi terhadap
pembaca. Selain itu, kritik dan saran dari Anda kami tunggu untuk perbaikan
makalah ini nantinya.
Surakarta, 8 Maret 2016
Penulis
viii
DESAIN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TWIST 45°
KAPASITAS 100 WATT
UNTUK SALA VIEW HOTEL
Rifqi Muhtar Atsnawi
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta Indonesia
E-mail : muhtaratsnawi@gmail.com
Abstrak
Kebutuhan akan energi saat ini sangatlah tinggi. Hal ini dikarenakan banyak
pertumbuhan industri, gedung, dan perumahan. Hal tersebut apabila dibiarkan
akan menyebabkan kelangkaan energi. Salah satu upaya untuk menanggulanginya
adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan, seperti pemanfaatan turbin angin.
Tugas akhir ini akan membahas mengenai perancangan turbin angin tipe Savonius
kapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk produksi energi.
Berdasarkan analisa hasil perhitungan yang telah dilakukan didapat kecepatan
angin pada Sala View Hotel sebesar 7,06 m/det. Nilai koefisien daya (Cp) sebesar
0,18 dan tip speed ratio (λ) yang digunakan adalah 1. σilai aspect ratio (α) dan
overlap ratio (β) sebesar 1,5 dan 0,2, maka didapatkan dimensi untuk luas sapuan
turbin sebesar 2,74 m2 dengan menggunakan sudu berbentuk twist 45° sebanyak
dua sudu dengan diameter sudu sebesar 0,75 m. Sehingga dimensi untuk tinggi
(H) dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,03 m dan 1,35 m.
Kata kunci: Kebutuhan energi, energi terbarukan, perancangan, turbin angin,
Savonius .
ix
DESIGN OF 450 TWISTED SAVONIUS WIND TURBINE WITH 100 WATT
CAPACITY AT SALA VIEW HOTEL
Rifqi Muhtar Atsnawi
Departement of Mechanical Engineering
Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia
E-mail : muhtaratsnawi@gmail.com
Abstract
Nowadays the need of energy is very high because there are so many industries,
buildings, and housing need major energy source. If that problem is ignored it
will cause crisis energy. An effort to resolve it, is to utilize renewable energy such
as the wind turbines. This paper will discuss the design of the type Savonius wind
turbines with a capacity of 100 Watts that can be used for energy production.
Based on the analysis results have been carried out wind speed obtained at Sala
View Hotel is 7.06 m / s. The value of the power coefficient (Cp) of 0.18 and tip
speed ratio (λ) used is 1. The value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β)
of 1.5 and 0.2, then obtained for the sweep area of the turbine dimensions of 2.74
m2 with using 45° blade twist and a blade diameter of 0.75 m. So the dimensions
for height (H) and a rotor diameter (D) turbine is 2.03 m and 1.35 m.
Keywords: needs of energy, renewable energy, design, wind turbines, Savonius.
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i
SURAT TUGAS ................................................................................................ ii
HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii
HALAMAN MOTTO ......................................................................................... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... v
KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii
ABSTRAK .......................................................................................................... ix
DAFTAR ISI ...................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiv
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv
DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xvi
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xix
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................ 2
1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 2
1.6 SistematikaPenulisan ...................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA......................................................................... 4
2.1 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia ......................................... 4
2.2 Definisi Energi Angin ..................................................................... 5
2.3 Kondisi Arah Aliran Angin di Wilayah Perkotaan ......................... 6
2.3.1 Distribusi Weibull untuk Kecepatan Angin ............................ 7
2.3.2 Estimasi Energi Angin yang Tersedia ..................................... 8
2.4 Pengertian Turbin Angin................................................................. 9
2.5 Jenis Turbin Angin .......................................................................... 9
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (HAWT) ............................. 10
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (VAWT) ................................. 10
2.5.2.1 Turbin Angin Darrieus ................................................ 11
xi
2.5.2.2 Turbin Angin Savonius ............................................... 11
2.6 Desain Turbin Savonius .................................................................. 12
2.6.1 Beberapa Hal yang dapat Menambah Performa Turbin
Savonius .............................................................................. 12
2.6.1.1 Jumlah Sudu................................................................ 12
2.6.1.2 Bentuk Bucket ............................................................. 13
2.6.1.3 Aspect Ratio ................................................................ 16
2.6.1.4 Overlap Ratio.............................................................. 17
2.6.1.5 Endplate ...................................................................... 17
2.6.2 Parameter yang Bersangkutan dalam Pendesainan Turbin
Savonius ............................................................................... 17
2.6.2.1 Daya Turbin ................................................................ 18
2.6.2.2 σilai putaran rotor (ω), Tip speed ratio (TSR) dan
Power Coefficient (Cp) ............................................. 18
2.6.2.3 Torsi ............................................................................ 20
2.6.2.4 Poros ........................................................................... 20
2.6.2.5 Pasak ........................................................................... 21
2.6.2.5 Bantalan Atau Bearing ............................................... 23
2.6.2.7 Sistem Transmisi Daya ............................................... 23
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ..................................................... 24
3.1 Prosedur Penelitian ......................................................................... 24
3.1.1 Studi Literatur ......................................................................... 24
3.1.2 Pemilihan Lokasi ..................................................................... 24
3.1.3 Mengumpulkan Data Kecepatan Angin .................................. 24
3.1.4 Pengolahan Data Kecepatan Angin ......................................... 24
3.1.5 Perancangan Desain Turbin Angin ......................................... 25
3.2 Penetapan Parameter Turbin Angin Savonius yang Akan didesain 25
3.3 Membuat Rancangan Turbin Angin................................................ 25
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ...................................................... 26
4.1 Potensi Kecepatan Angin ................................................................ 26
4.1.1.Perhitungan Data Kecepatan Angin ........................................ 26
4.1.2.Perhitungan Kecepatan Angin di Sala View Hotel ................. 27
xii
4.1.3.Perhitungan Kecepatan Angin Rata-Rata, Deviasi Standar
dan Nilai Parameter Bentuk (k) dan Parameter Skala(c) ........ 29
4.1.4.Fungsi Probabilitas dan Kumulatif Distribusi Weibull ........... 30
4.1.5.Potensi Energi Angin .............................................................. 31
4.1.6.Grafik Windrose Data Kecepatan Angin ................................. 32
4.2 Desain Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° .......................... 33
4.2.1.Perhitungan Rotor Turbin Angin Savonius dengan Twist 45° 33
4.2.2.Perhitungan Luas Area Sapuan ............................................... 34
4.2.3.Perhitungan Dimensi Sudu ...................................................... 34
4.2.4.Perhitungan Diameter Endplate .............................................. 35
4.2.5.Perhitungan Diameter Sudu pada Rotor .................................. 35
4.2.6.Perhitungan Torsi dan Kecepatan Sudut ................................. 37
4.2.7.Perhitungan Diameter Poros.................................................... 37
4.2.8.Perhitungan Dimensi Pasak ..................................................... 42
4.3 Pemilihan Bearing .......................................................................... 43
4.4 Perancangan Transmisi Turbin ....................................................... 48
4.5 Pemilihan Generator ....................................................................... 49
4.6 Prediksi Performa Turbin ................................................................ 50
4.6.1.Perhitungan Saat Kondisi Start ............................................... 50
4.6.2. Perhitungan Saat Kondisi Charging....................................... 52
4.7 Rangka ............................................................................................ 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 54
5.1 Kesimpulan ................................................................................... 54
5.2 Saran ............................................................................................. 54
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Profil kecepatan angin di perkotaan ................................................6
Gambar 2.2 Beberapa contoh turbin angin .........................................................9
Gambar 2.3 Contoh turbin angin tipe horizontal ................................................10
Gambar 2.4 Contoh turbin angin tipe vertikal ....................................................11
Gambar 2.5 Contoh turbin angin tipe vertikal jenis Savonius ............................12
Gambar 2.6 Grafik pengaruh jumlah sudu ..........................................................13
Gambar 2.7 Savonius dengan profil semi circular .............................................14
Gambar 2.8 Savonius dengan profil twist ...........................................................14
Gambar 2.9 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Cp ........................15
Gambar 2.10 Hubungan variasi twist pada sudu dengan nilai Ct .......................15
Gambar 2.11 Tampak atas dan samping dari turbin dengan twist (a) 0° (b) 45° (c)
90° (d) 135° .................................................................................16
Gambar 2.12 Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin ..................17
Gambar 2.13 Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio ..........................19
Gambar 2.14 Pasak..............................................................................................22
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian..................................................................25
Gambar 4.1 Grafik fungsi probability density ....................................................30
Gambar 4.2 Grafik fungsi distribusi cumulative .................................................31
Gambar 4.3 Grafik Windrose ..............................................................................32
Gambar 4.4 Desain Turbin Angin Savoius dengan Twist 45° ............................33
Gambar 4.5 End-plate .........................................................................................35
Gambar 4.6 Sudu Savonius dengan Twist 45° ....................................................36
Gambar 4.7 Skema turbin angin Savonius ..........................................................39
Gambar 4.8 Ilustrasi aliran udara di perkotaan ...................................................40
Gambar 4.9 Pasak................................................................................................42
Gambar 4.10 Bantalan bolt flange mounted bearing ..........................................48
Gambar 4.11 Generator NE – 100S ....................................................................50
Gambar 4.12 Performa Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal .......................53
Gambar 4.13 Rangka ...........................................................................................53
Gambar 4.14 Turbin angin Savonius dengan twist 45° .......................................54
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pengelompokan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi
potensial ........................................................................................... 5
Tabel 2.2 Nilai koefisien kekasaran dan nilai gradien tinggi pada puncak lapis
batas berdasarkan lokasi yang berbeda ............................................... 7
Tabel 2.3 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ......................................... 22
Tabel 4.1 Contoh data kecepatan angin pada bulan Januari 2013 ...................... 26
Tabel 4.2 Contoh data kecepatan angin bulan Januari 2013 pada ketinggian
45 m .................................................................................................... 28
Tabel 4.3 Arah angin selama dua tahun .............................................................. 32
Tabel 4.4 Parameter-parameter dalam menentukan dimensi turbin.................... 34
Tabel 4.5 Daftar Nilai Safety Factor ................................................................... 38
Tabel 4.6 Nilai koefisien drag ............................................................................ 39
Tabel 4.7 Dimensi bantalan 5208........................................................................ 48
xv
DAFTAR NOTASI
A
luas area (m2)
AR
aspect ratio
As
luas sapuan untuk rotor turbin Savonius (m2)
At
luas sapuan rotor turbin (m2)
C
kapasitas beban dinamik
c
parameter skala distribusi Weibull
C0
kapasitas beban statik
Cd
koefisien Drag
Cp
koefisien daya turbin
D
diameter turbin angin (m)
Df
diameter endplate (m)
dp
diameter poros (m)
Ds
diameter rotor turbin angin (m)
e
jarak antara dua sudu turbin (m)
E
energi kinetik (Nm)
Ed
energi per satuan waktu
Et
energi selama satu satuan waktu
F(V)
fungsi cumulative distribusi Weibull
f(V)
fungsi probability density distribusi Weibull
Fd
gaya drag (N)
H
tinggi turbin angin (m)
H1
ketinggian pengukuran angin oleh badan meteorologi (10 m)
H2
ketinggian tempat yang ingin dilakukan observasi (m)
Hs
tinggi rotor turbin angin Savonius (m)
k
parameter bentuk distribusi Weibull
Km
faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan bending
Ks
faktor keamanan untuk bearing
Kt
faktor kombinasi beban kejut dan lelah untuk pembebanan torsi
l
panjang pasak (m)
xvi
Lh
umur bantalan/bearing
M
momen (N.m)
M
massa udara yang bergerak (kg)
mb
massa sudu (kg)
Me
momen bending (N.m)
N
kecepatan putar (rpm)
N
safety factor
P
daya (Watt)
Pt
daya yang dihasilkan turbin (Watt)
R
jari jari turbin angin (m)
r
jari jari rotor turbin Savonius (m)
Sy
tegangan yield material (N/m2)
t
tebal pasak (m)
T
torsi yang dihasilkan oleh turbin angin (N.m)
Te
momen puntir (N.m)
V
kecepatan angin (m/s2)
V1
kecepatan angin yang diukur Badan Meteorologi (m/s)
V2
kecepatan angin yang diukur pada ketinggian Z2 (m/s)
VE
besar kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimum (m/s)
Vf
kecepatan angin yang sering muncul selama satu periode waktu (m/s)
Vm
kecepatan rata rata (m/s)
W
beban radial ekivalen dinamik
w
lebar pasak (m)
WA
beban aksial (N)
WR
beban radial (N)
X
faktor beban radial
Y
faktor rotasi
Z1
nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi Badan Meteorologi
Z2
nilai gradien tinggi pada puncak lapis batas lokasi yang ingin diketahui
α1
kekasaran permukaan di lokasi Badan Meteorologi
α2
kekasaran permukaan di lokasi yang ingin diketahui
δ
overlap ratio
xvii
λ
tip speed ratio
ρ
massa jenis udara (kg/m3),
solidity
standar deviasi
d
tegangan tarik ijin material untuk desain (N/m2)
d
tegangan geser ijin material untuk desain (N/m2)
ω
kecepatan sudut putar turbin angin (rad/s)
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Kecepatan Angin .................................................................. 59
Lampiran 2. Hasil perhitungan VEmax per bulan ............................................. 71
Lampiran 3. Hasil Pengolahan Data Kecepatan Angin perbulan Selama Dua
Tahun ............................................................................................. 71
Lampiran 4. Hasil Perhitungan Arah Angin ....................................................... 71
Lampiran 5. Tabel Standar Ukuran Pasak .......................................................... 72
Lampiran 6. Standar Ukuran Bantalan ............................................................... 72
xix
vii