perancangan turbin angin tipe savonius dua tingkat … · ix perancangan turbin angin tipe savonius...

13
i PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: Satriya Riskiyanto NIM. I0411038 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET 2015

Upload: others

Post on 22-Oct-2019

32 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

i

PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT

DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG

SYARIAH HOTEL SOLO

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

Satriya Riskiyanto

NIM. I0411038

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

2015

Page 2: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

ii

Page 3: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

iii

Page 4: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

ix

PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA

TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT

UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO

Satriya Rizkiyanto

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret,

Surakarta, Indonesia

[email protected]

Abstrak

Daerah perkotaan merupakan daerah yang memiliki tingkat konsumsi energi yang

tinggi dibandingkan dengan daerah perdesaan. Semakin meningkatnya kebutuhan

energi didaerah perkotaan akan meningkatkan pula kebutuhan energi. Kebutuhan

energi yang tidak diiringi dengan produksi energi akan mengakibatkan kelangkaan

energi. Upaya pemanfaatan energi yang ramah lingkungan dan terbarukan harus

dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut. Salah satunya dengan memanfaatkan

turbin angin. Dalam skripsi ini akan dibahas mengenai perancangan turbin angin

tipe Savonius berkapasitas 100 Watt yang nantinya dapat digunakan untuk

produksi energi daerah perkotaan. Berdasarkan analisa hasil perhitungan

menggunakan fungsi distribusi Weibull, didapatkan kecepatan rata-rata pertahun

pada lokasi yaitu Gedung Syariah Hotel Solo sebesar 7,25 m/s. Nilai koefisien

daya (Cp) dan rasio kecepatan pada ujung sudu (λ) yang digunakan masing-

masing sebesar 0,18 dan 1, sedangkan nilai rasio antara tinggi dan diameter turbin

(α) dan rasio jarak antara poros dan sudu (β) sebesar 2 dan 0,2. Dimensi luas

sapuan turbin didapat sebesar 2,37 m2. Jumlah sudu yang digunakan sebanyak dua

buah pada setiap tingkatnya. Sudu berbentuk semi circular dengan diameter

sebesar 0,6 m dengan tinggi sebesar 1,076 m. Sehingga dimensi untuk tinggi (H)

dan diameter rotor (D) turbin sebesar 2,16 m dan 1,08 m.

Kata kunci : Daerah perkotaan; Energi terbarukan; Perancangan; Turbin angin;

Savonius

Page 5: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

x

DESIGN OF THE 100 WATT DOUBLE STAGE SAVONIUS

WIND TURBINE

FOR THE SYARIAH HOTEL SOLO

Satriya Rizkiyanto

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Sebelas Maret

University,

Surakarta, Indonesia

[email protected]

Abstract

The urban area is an area that has a high level of energy consumption compared to

rural areas. Increasing the energy consumption in urban areas also increase the

energy needs. When energy needs is higher than energy production it causes

energy shortages. Applying green and renewable energy must be done to avoid

these problems. The use of wind turbines is a good choice. This paper discussed

how to design Savonius wind turbines with a capacity of 100 Watts that can be

used for energy production in urban areas. Based on the analysis results have been

carried out the annual mean speed at the location that is Syariah Hotel Solo is 7.25

m/s, the value of the power coefficient (Cp) and the tip speed ratio (λ) respectively

of 0.18 and 1, and the value of the aspect ratio (α) and the overlap ratio (β) of 2

and 0.2. The sweep area of the turbine obtained of 2.37 m2. The wind turbine use

double stage with two blades in each stage. The blades using a semi-circular-

shaped blade with blade diameter of the turbine is 0.6 m and the blade height is

1.076 m. So the dimensions for height (H) and diameter (D) of the turbine is 2.16

m and 1.08 m.

Keywords : Urban area; Renewable energy; Design; Wind turbine; Savonius

Page 6: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i

HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR ................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN .................................................... iv

HALAMAN MOTTO ..................................................................................... v

HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... vi

KATA PENGANTAR ................................................................................... vii

ABSTRAK ..................................................................................................... ix

ABSTRACT ................................................................................................... x

DAFTAR ISI ................................................................................................. xi

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xv

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................... xvii

DAFTAR NOTASI ......................................................................................... xviii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ................................................................................ 1

1.2. Rumusan Masalah ........................................................................... 2

1.3. Batasan Masalah .............................................................................. 2

1.4. Tujuan Penelitian ............................................................................. 3

1.5. Manfaat Penelitian............................................................................ 3

1.6. Sistematika Penulisan ...................................................................... 3

BAB II DASAR TEORI.................................................................................. 5

2.1. Tinjauan Pustaka .............................................................................. 5

2.2. Dasar Teori ...................................................................................... 6

2.2.1. Daya Dalam Energi Angin .................................................... 6

2.2.2. Distribusi Weibull Untuk Kecepatan Angin ........................... 8

2.2.3. Estimasi Energi Angin ........................................................... 9

2.2.4. Kecepatan Angin pada Gedung Bertingkat ............................ 10

2.2.5. Turbin Angin Savonius .......................................................... 14

2.2.6. Daya Turbin .......................................................................... 19

Page 7: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xii

2.2.7. Torsi...................................................................................... 20

2.2.8. Power Coefficient dan Tip Speed Ratio .................................. 21

2.2.9. Poros ..................................................................................... 22

2.2.10. Pasak ................................................................................... 24

2.2.11. Bantalan Atau Bearing ........................................................ 25

2.2.12. Basic Static Load Rating dan Dynamic Load Rating Pada

Bantalan .............................................................................. 27

2.2.13. Sistem Transmisi Daya ........................................................ 28

2.2.14. Sistem Konversi Energi ke Energi Listrik ............................ 28

2.2.15. Proses Perancangan ............................................................. 29

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN .................................................. 32

3.1. Identifikasi Permasalahan ................................................................. 32

3.1.1. Latar Belakang dan Perumusan Masalah ............................... 32

3.1.2. Tujuan dan Manfaat .............................................................. 32

3.1.3. Studi Literatur ....................................................................... 32

3.2. Pengumpulan dan Pengolahan Data .................................................. 32

3.2.1. Pengumpulan Data Kecepatan Angin..................................... 33

3.2.2. Perhitungan Data Kecepatan Angin ....................................... 33

3.3. Perancangan Turbin Angin ............................................................... 33

3.3.1. Penetapan Fungsi dan Spesifikasi Turbin Angin Tipe

Savonius .............................................................................. 33

3.3.2. Pengembangan dan Pemilihan Konsep Turbin Angin ............ 33

3.3.3. Membuat Rancangan Turbin Angin ...................................... 34

3.3.4. Analisa dan Evaluasi Desain Turbin Angin ........................... 34

3.4. Kesimpulan dan Saran ..................................................................... 34

3.5. Diagram Alir Perancangan ............................................................... 34

BAB IV ANALISA DAN PERANCANGAN ................................................. 37

4.1. Potensi Kecepatan Angin.................................................................. 37

4.1.1. Tempat Penelitian ................................................................. 37

4.1.2. Perhitungan Data Kecepatan Angin....................................... 37

4.1.3. Perhitungan Kecepatan Angin di Lokasi Penelitian ............... 38

Page 8: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xiii

4.1.4. Perhitungan kecepatan rata-rata angin dan standar deviasi di

lokasi .................................................................................... 40

4.1.5. Perhitungan fungsi probabilitas dan kumulatif distribusi

Weibull ................................................................................ 41

4.1.6. Perhitungan Energi Angin ..................................................... 42

4.1.7. Penentuan Arah dan Kecepatan Angin Lokasi ....................... 43

4.2. Perancangan Turbin Angin ............................................................... 45

4.2.1. Perhitungan Dimensi Rotor ................................................... 46

4.3. Pemilihan Bantalan .......................................................................... 54

4.3.1. Analisa Gaya Pada Bantalan ................................................. 54

4.3.2. Penentuan Basic Static Load Rating dan Dynamic Load

Rating .................................................................................. 57

4.3.3. Pemilihan Bantalan ............................................................... 58

4.4. Perancangan Sistem Transmisi Turbin .............................................. 59

4.5. Pemilihan Generator ......................................................................... 61

4.6. Perancangan Rangka ........................................................................ 62

4.7. Prediksi Performa Turbin ................................................................. 65

4.7.1. Perhitungan Saat Kondisi Start .............................................. 65

4.7.2. Perhitungan Saat Kondisi Charging ....................................... 66

4.7.3. Perhitungan Saat Kondisi Stop ............................................... 67

4.8. Perhitungan Annual Energy Turbin................................................... 68

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN........................................................... 70

5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 70

5.2. Saran ............................................................................................... 70

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 72

LAMPIRAN .................................................................................................. 76

Page 9: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Klasifikasi daya angin .................................................................... 7

Tabel 2.2. Klasifikasi kecepatan angin ............................................................ 11

Tabel 2.3. Nilai koefisien kekasaran dan layer thickness berdasarkan lokasi

yang berbeda ................................................................................... 13

Tabel 2.4. Faktor Km dan Kt ........................................................................... 24

Tabel 2.5. Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ...................................... 25

Tabel 2.6. Pemilihan faktor koreksi pada bantalan........................................... 28

Tabel 4.1. Hasil perhitungan kecepatan angin lokasi Januari 2013 ................... 38

Tabel 4.2. Frekuensi kecepatan angin pada tahun 2013 hingga tahun 2014 ...... 40

Tabel 4.3. Nilai safety factor ........................................................................... 48

Tabel 4.4. Dimensi bantalan 5208 ................................................................... 59

Tabel 4.5. Data teknik generator NE – 100S .................................................... 61

Page 10: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Profil kecepatan angin berdasarkan ketinggian ............................ 12

Gambar 2.2. Prinsip kerja rotor Savonius ........................................................ 14

Gambar 2.3. Turbin angin tipe Savonius dengan biaya rendah ......................... 15

Gambar 2.4. Aspect ratio ................................................................................ 16

Gambar 2.5. Grafik pengaruh end-plates terhadap performa turbin ................. 17

Gambar 2.6. Skema rotor Savonius, (a) pandangan depan; (b) pandangan atas 17

Gambar 2.7. Pengaruh overlap ratio ............................................................... 18

Gambar 2.8. Pengaruh jumlah sudu (a) Posisi angular terhadap momen; (b)

Pengaruh terhadap nilai Cp dan TSR .......................................... 18

Gambar 2.9. Turbin Savonius bertingkat ......................................................... 19

Gambar 2.10. Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio ....................... 22

Gambar 2.11. Pasak ....................................................................................... 24

Gambar 2.12. Radial ball bearing ................................................................... 26

Gambar 2.13. Proses perancangan berdasarkan Hampel .................................. 30

Gambar 3.1. Diagram alir metodologi perancangan ......................................... 35

Gambar 3.2. Diagram alir metodologi perancangan (lanjutan) ......................... 36

Gambar 4.1. Syariah Hotel Solo ...................................................................... 37

Gambar 4.2. Grafik fungsi distribusi Weibull (a) Distribusi probabilitas; (b)

Distribusi kumulatif .................................................................... 41

Gambar 4.3. Potensi energi angin .................................................................... 43

Gambar 4.4. Arah angin berdasarkan kecepatan angin ..................................... 44

Gambar 4.5. Frekuensi arah angin kumulatif .................................................. 44

Gambar 4.6. Hasil perhitungan nilai VEmax ...................................................... 45

Gambar 4.7. Analisa momen akibat gaya drag angin ....................................... 49

Gambar 4.8. Pasak ......................................................................................... 51

Gambar 4.9. Dimensi rotor turbin (a) Tampak depan; (b) Tampak atas ........... 52

Gambar 4.10. Rotor turbin tipe Savonius 3D ................................................... 53

Gambar 4.11. Analisa gaya pada bantalan ....................................................... 54

Gambar 4.12. Bantalan bolt flange mounted bearing ...................................... 59

Gambar 4.13. Generator model NE – 100S ..................................................... 61

Page 11: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xvi

Gambar 4.14. Rancangan rangka ..................................................................... 62

Gambar 4.15. Analisa gaya yang terjadi pada turbin ........................................ 63

Gambar 4.16. Gambar turbin angin tipe Savonius ........................................... 64

Gambar 4.17. Gambar 3D turbin angin tipe Savonius (a) Tampak depan; (b)

Tampak isometrik .................................................................... 65

Gambar 4.18. Prediksi daya output turbin Savonius ........................................ 68

Gambar 4.19. Faktor kapasitas berdasarkan kecepatan angin rata-rata ............. 69

Gambar 4.20. Energi tahunan .......................................................................... 69

Page 12: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel data kecepatan angin.......................................................... 77

Lampiran 2. Tabel hasil perhitungan VEmax perbulan ....................................... 89

Lampiran 3. Tabel hasil perhitungan pertahun ................................................. 89

Lampiran 4. Tabel hasil perhitungan arah angin .............................................. 89

Lampiran 5. Tabel standar ukuran pasak ......................................................... 90

Lampiran 6. Tabel standar ukuran bantalan ..................................................... 91

Lampiran 7. Tabel standar ukuran sabuk v ...................................................... 92

Lampiran 8. Ilustrasi peletakan turbin angin Savonius ..................................... 93

Lampiran 9. Nilai koefisien drag..................................................................... 94

Lampiran 10. Tabel hasil perhitungan annual energy ...................................... 94

Lampiran 11. Tabel kekuatan material ............................................................ 95

Lampiran 12. Gambar 2D turbin angin tipe Savonius ...................................... 96

Lampiran 13. Gambar 2D end plate tengah ..................................................... 97

Lampiran 14. Gambar 2D end plate ................................................................ 98

Lampiran 15. Gambar 2D poros ...................................................................... 99

Lampiran 16. Gambar 2D sudu turbin angin .................................................... 100

Lampiran 17. Gambar 2D rangka .................................................................... 101

Page 13: PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT … · ix PERANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE SAVONIUS DUA TINGKAT DENGAN KAPASITAS 100 WATT UNTUK GEDUNG SYARIAH HOTEL SOLO Satriya Rizkiyanto

xviii

DAFTAR NOTASI

A

ɑ

C

C0

CD

CF

CP

c

D

Df

d

dp

EA

ED

EI

e

FD

f

g

H

KM

KT

k

L

LH

M

Me

= Swept area rotor (m2)

= Kekasaran permukaan

= Basic dynamic load rating (N)

= Basic static load rating (N)

= Koefisien drag

= Faktor kapasitas

= Koefisien performa turbin

= Parameter skala Weibull (m/s)

= Diameter rotor (m)

= Diameter end-plates (m)

= Diameter sudu (m)

= Diameter poros (m)

= Energi tahunan (kWj/tahun)

= Densitas energi angin (kW/m2)

= Intensitas energi (kW/m2/bulan)

= Overlap (m)

= Gaya drag (N)

= Frekuensi

= Percepatan gravitasi (m/s2)

= Tinggi rotor (m)

= Faktor beban akibat bending

= Faktor beban akibat torsi

= Parameter bentuk Weibull

= Umur kerja bantalan (rev)

= Waktu kerja bantalan (jam)

= Gaya momen (Nm)

= Momen akibat bending (Nm)

N

P

ρ

Sy

Sf

T

Te

v

Vm

VEmax

VFmax

W

WA

WR

X

Y

Zg

α

β

σ

σv

λ

τ

ω

= Putaran rotor (rpm)

= Daya (Watt)

= Massa jenis udara (kg/m3)

= Yield strength (MPa)

= Faktor keamanan

= Torsi (Nm)

= Momen akibat torsi (Nm)

= Kecepatan angin (m/s)

= Kecepatan angin rata-rata (m/s)

= Kecepatan rerata tahunan (m/s)

= Kecepatan terbanyak (m/s)

= Beban ekuivalen dinamik (N)

= Gaya aksial (N)

= Gaya radial (N)

= Faktor radial

= Faktor aksial

= Tebal lapis batas (m)

= Aspect ratio

= Overlap ratio

= Tegangan tarik ijin (Mpa)

= Standar deviasi (m/s)

= Tip speed ratio

= Tegangan geser ijin (MPa)

= Kecepatan sudut (rad/s)