RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SAVONIUS

KAPASITAS 3,858 WATT/JAM

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan

Program Pendidikan Diploma III

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

oleh :

1. AHMAD TEGUH PRAYOGI NIM : 1405012105

2. DAVIT PADILLAH HARAHAP NIM : 1505012124

3. NUR PRIHAT NINGSIH NIM : 1405011090

4. REZA ADITAMA NIM : 1405011087

5. RIYAN PAMBUDI UTOMO NIM : 1405012011

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

MEDAN

2017

xii

ABSTRACT

Wind power is an alternative power to burning fossil fuels, one of functions of wind

power is an cource of electric power, the totality of Savonius wind turbin show about

how to design and to build Savonius wind turbin, therefore, rotor dimention that is

designed is with extent of rotor 0,72 m² and kind of transmission is used Pulley and

Belt, while capacity that is needed to operate wind turbin is 2943,59 Watt and Tip

Speed Ratio (TSR) that is resulted amount 0,044.

Keyword : alternative power, Savonius wind turbin, Tip Speed Ratio (TSR).

xiii

KATA PENGANTAR

Segala puji, syukur dan hormat penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha

Esa, yang hanya karena kasih karunia dan penyertaan-Nya dalam kehidupan penulis,

maka penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini dengan hasil yang

maksimal dan sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Adapun Laporan Tugas

Akhir yang berjudul “RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SAVONIUS

KAPASITAS 3,858 WATT/JAM” disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan

pendidikan Diploma III, Jurusan Teknik Mesin, Program studi Teknik Mesin,

Politeknik Negeri Medan. Berdasarkan judul tugas akhir, maka topik pembahasan

dalam laporan tugas akhir ini adalah prinsip kerja turbin angin, komponen-komponen

utama yang digunakan pada turbin angin, proses pembuatan mesin, gambar rangkaian

serta sususan dan detailnya dari Rancang Bangun Turbin Angin Savonius. Penulis

sangat banyak mendapatkan masukan, bimbingan, pelajaran dan nasehat dari awal

penulisan sampai akhir penyususan laporan tugas akhir ini. Pada kesempatan ini

penulisan mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. M. Syahruddin, S.T., M.T. selaku Direktur Politeknik Negeri Medan;

2. Idham Kamil, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri

Medan;

3. Aulia Salman, S.T., M.T. selaku Sekretari Jurusan Teknik Mesin Politeknik

Negeri Medan;

4. Joni Indra, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Politeknik

Negeri Medan;

5. Drs. Supriyanto, M.P. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah

meluangkan waktu untuk membimbing penulis sehingga tugas akhir ini dapat

selesai dengan baik;

xiv

6. Drs. Anasril, M.T., selaku Dosen Wali ME-6F, Drs. Moch. Agus Zaenuri, M.T.,

selaku Dosen Wali ME-6D, Sarjianto, S.T., M.T., selaku Dosen Wali ME-6B

Politeknik Negeri Medan;

7. Bapak/Ibu Staf Pengajar Politeknik Negeri Medan;

8. Orang tua yang selama ini memberikan dukungan moril dan materil hingga

penulis dapat menyelesaikan perkuliahan di Politeknik Negeri Medan, beserta

keluarga, teman-teman, dan sanak saudara penulis yang senantiasa memberikan

semangat;

9. Rekan satu Tim Tugas Akhir saya :

1. Ahmad Teguh Prayogi;

2. Davit Padillah Harahap;

3. Nur Prihat Ningsih;

4. Reza Aditama;

5. Riyan Pambudi Utomo;

10. Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya juga penulis sampaikan kepada

segenap rekan Mahasiswa/I semester VI Jurusan Teknik Mesin Politeknik

Negeri Medan 2016 yang menjadi teman seperjuangan serta selalu memberikan

perhatian yang besar selama proses pengerjaan laporan hingga selesainya.

Medan, 03 Agustus 2017

Hormat Penulis,

1. Ahmad Teguh Prayogi NIM : 1405012105 1

2. Davit Padillah Harahap NIM : 1505012124 2

3. Nur Prihat Ningsih NIM : 1405011090 3

4. Reza Aditama NIM : 1405011087 4

5. Riyan Pambudi Utomo NIM : 1405012011 5

xv

DAFTAR ISI

SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ........................................................................... ii

LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................. iii

LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .................................................. vi

INTISARI .............................................................................................................. xi

ABSTRACT .......................................................................................................... xii

KATA PENGANTAR ......................................................................................... xiii

DAFTAR ISI ......................................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xix

DAFTAR TABEL ................................................................................................ xx

DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xxi

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang ................................................................................................. 1

B. Batasan Masalah ............................................................................................... 4

C. Tujuan ............................................................................................................... 4

D. Manfaat ............................................................................................................. 4

E. Teknik Pengumpulan Data .............................................................................. 5

BAB II LANDASAN TEORI

A. Energi Angin ..................................................................................................... 6

1. Definisi Energi Angin .............................................................................. 6

2. Asal Energi Angin .................................................................................... 7

xvi

3. Pemanfaatan Energi Angin ...................................................................... 8

B. Turbin Angin ..................................................................................................... 9

1. Definisi Turbin Angin .............................................................................. 9

2. Jenis Turbin Angin ................................................................................. 11

a. Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) .......................................... 11

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) .............................................`13

3. Sistem Konversi Energi Angin .............................................................. 14

C. Teori Dasar Perhitungan Elemen Mesin ....................................................... 17

1. Perencanaan Daya Turbin ...................................................................... 17

a. Menentukan Daya Turbin .................................................................. 17

b. Menentukan Rotor Power Coeficient (Cpr)........................................ 18

c. Menentukan Tip Speed Ratio (TSR) ................................................... 18

d. Menentukan Rotor Torque Coeficient (Cq) ........................................ 19

2. Puli dan Sabuk ........................................................................................ 19

a. Perbandingan Putaran dan Diameter Puli ........................................... 20

b. Panjang Sabuk .................................................................................... 21

c. Kecepatan Linier Sabuk ...................................................................... 21

d. Besar Sudut Kontak Sabuk ................................................................. 22

e. Tegangan Sabuk .................................................................................. 22

f. Daya yang Ditransmisikan Oleh Sabuk .............................................. 23

3. Poros ....................................................................................................... 23

a. Kekuatan Poros ................................................................................... 24

b. Kekakuan Poros .................................................................................. 24

c. Putaran Kritis ...................................................................................... 24

d. Massa Poros ........................................................................................ 24

e. Tegangan Puntir Poros ........................................................................ 25

f. Daya Rencana pada Poros .................................................................. 25

g. Torsi Poros .......................................................................................... 25

h. Torsi Equivalen .................................................................................. 26

i. Diameter Poros .................................................................................... 26

4. Bantalan................................................................................................... 27

a. Bantalan Luncur .................................................................................. 27

b. Bantalan Gelinding ............................................................................. 27

xvii

BAB III PEMBAHASAN

A. Gambar Turbin Angin Savonius Beserta Komponen-Komponen ....... 29

B. Perhitungan Komponen Utama Turbin Angin ....................................... 30

1. Daya Turbin Angin ................................................................................ 30

a. Menentukan luas area sapuan rotor .................................................... 30

b. Menentukan Tip Speed Ratio (TSR) ................................................... 31

c. Menentukan Rotor Torque Coeficient (Cqr) ....................................... 32

d. Menentukan Rotor Power Coeficient (Cpr) ....................................... 32

2. Sistem Transmisi (Puli dan Sabuk) ........................................................ 33

a. Puli ...................................................................................................... 33

b. Sabuk .................................................................................................. 34

1) Sabuk pada puli turbin angin ......................................................... 34

2) Sabuk pada puli gandengan ........................................................... 38

3.Poros ........................................................................................................ 42

a. Perhitungan poros turbin .................................................................... 42

1) Massa poros .................................................................................. 42

2) Tegangan puntir poros .................................................................. 43

3) Torsi pada poros ........................................................................... 43

4) Gaya-gaya yang bekerja pada poros ............................................. 44

5) Torsi equivalen ............................................................................. 47

6) Diameter poros ............................................................................. 47

b. Perhitungan poros pada puli gandengan........................................... 48

1) Massa poros .................................................................................. 48

2) Tegangan puntir poros .................................................................. 48

3) Torsi pada poros ........................................................................... 49

4) Gaya-gaya yang bekerja pada poros ............................................. 49

5) Torsi equivalen ............................................................................. 52

6) Diameter poros ............................................................................. 52

4. Bantalan.................................................................................................. 53

a. Pemilihan bantalan pada poros turbin .............................................. 53

b. Pemilihan bantalan pada poros puli gandengan ............................... 54

xviii

BAB IV ANALISA BIAYA, PERAWATAN DAN PERRBAIKAN TURBIN

A. Analisa Biaya ........................................................................................... 56

1. Biaya Material .................................................................................... 56

2. Biaya Pengerjaan ................................................................................ 57

3. Total Biaya ......................................................................................... 58

4. Harga Penjualan Turbin ..................................................................... 59

B. Perawatan dan Perbaikan Turbin ............................................................. 60

1. Pengertian dan tujuan perawatan ....................................................... 60

2. Perawatan komponen turbin ............................................................... 61

BAB V PENUTUP

A. Kesimpulan ................................................................................................ 62

B. Saran .......................................................................................................... 62

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN - LAMPIRAN

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Merupakan suatu kenyataan bahwa kebutuhan akan energi khususnya energi

listrik di Indonesia makin berkembang dan tak terpisahkan dari kebutuhan

kehidupan masyarakat sehari -hari seiring dengan pesatnya pembangunan di bidang

teknologi, industri dan informatika. Namun pelaksanaan penyediaan energi listrik

yang dilakukan oleh PT PLN (Persero), selaku lembaga resmi yang ditunjuk oleh

pemerintah untuk mengelolah masalah kelistrikan di Indonesia, sampai saat ini

masih belum dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik secara

keseluruhan. Kondisi geografis Indonesia yang terdiri atas ribuan pulau dan

kepulauan, tersebar dan tidak meratanya pusat-pusat beban listrik, rendahnya tingkat

permintaan listrik di beberapa wilayah, tingginya biaya pembangunan sistem suplai

energi listrik, serta terbatasnya kemampuan finansial, merupakan faktor-faktor

penghambat penyediaan energi listrik dalam skala nasional.

Selain itu, makin berkurangnya sumber daya energi fosil, khususnya minyak

bumi, yang sampai saat ini masih merupakan tulang punggung dan komponen utama

penghasil energi listrik di Indonesia, serta makin meningkatnya kesadaran akan

usaha melestarikan lingkungan, menyebabkan kita harus berpikir untuk mencari

alternatif penyediaan energi listrik yang memiliki karakter :

1. Dapat mengurangi ketergantungan terhadap pemakaian energi fosil, khususnya

minyak bumi

2. Dapat menyediakan energi listrik dalam skala regional

3. Mampu memanfaatkan potensi sumber daya energi setempat, serta

2

4. Cinta lingkungan, dalam artian proses produksi dan pembuangan hasil

produksinya tidak merusak lingkungan hidup sekitarnya.

Sistem penyediaan energi listrik yang dapat memenuhi kriteria di atas adalah

sistem energi yang memanfaatkan sumber daya energi terbarukan, seperti : matahari,

angin, air, biomass dan lain sebagainya.

Indonesia adalah negara yang memiliki sumber daya yang sangat melimpah,

salah satunya adalah sumber energi angin. Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan

dan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi menunjukkan, beberapa wilayah

memiliki kecepatan angin diatas 5 m/s, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa

Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa.

Angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara

dingin. Di daerah khatulistiwa, udaranya menjadi panas kemudian mengembang dan

menjadi ringan, naik keatas 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 perpindahaan udara dari khatulistiwa

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 m/s

sampai 7 m/s. (LAPAN, 2005)

3

Tabel 1. Pengelompokkan potensi energi angin, pemanfaatan dan lokasi potensial.

Sumber : LAPAN, 2005

Tabel 2. Kecepatan angin daerah Sibolga dan Aek Godang.

Kelas Kecepatan

Angin

(m/s)

Daya

Spesifik

(W/m²)

Kapasitas

(kW)

Lokasi

Skala

Kecil

2,5 – 4,0 < 75 s/d 10 Jawa,

NTB,

NTT,

Maluku,

Sulawesi

Skala

Menengah

4,0 – 5,0 75 – 150 10 – 100 NTB,

NTT,

Sulsel,

Sultra

Skala

Besar

˃ 5,0 ˃ 150 ˃ 100 Sulsel,

NTB,

NTT,

Pantai

Selatan

Jawa

4

Salah satu pemanfaatan energi angin adalah penggunaan kincir angin. Kincir

angin adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi angin menjadi energi

mekanik. Kincir angin pertama kali digunakan untuk membangkitkan energi listrik

dibangun oleh P. La Cour dari Denmark di akhir abad ke-19.

Turbin angin tipe Savonius adalah salah satu jenis turbin angin dengan

sumbu vertikal yang mampu mengubah energi angin menjadi energi kinetik rotasi.

Turbin ini dikembangkan oleh insinyur asal Finlandia Sigurd Johannes Savonius

pada tahun 1922.

B. Batasan Masalah

Dalam penulisan Tugas Akhir (TA) ini penulis membahas beberapa hal, yaitu :

1. Mekanisme kerja turbin angin vertikal tipe Savonius.

2. Komponen yang digunakan beserta fungsi-fungsinya.

5

C. Tujuan

Adapun tujuan dibuatnya penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Sebagai syarat untuk menyelesaikan studi Diploma-3 di Politeknik

Negeri Medan.

2. Untuk mengaplikasikan ilmu yang didapat di bangku kuliah secara teori

dan praktek.

3. Untuk membantu masyarakat dalam penerapan energi terbarukan.

D. Manfaat

Hasil kegiatan merancang bangun ini diharapkan dapat bermanfaat :

1. Untuk solusi penyediaan listrik didaerah-daerah yang terpencil yang

memiliki sumber energi angin yang dapat dimanfaatkan.

2. Mahasiswa yang akan membahas hal yang sama untuk dijadikan bahan

dan masukan atau sebagai bahan pembanding.

3. Penulis sendiri, untuk menambah pengetahuan dan pengalaman yang

kelak berguna setelah bekerja atau terjun ke lapangan pekerjaan

E. Teknik Pengumpulan Data

Dalam menulis laporan tugas akhir ini dibutuhkan data-data yang akurat

dan benar, agar kelayakan sebuah laporan tugas akhir ini dapat dipertanggung

jawabkan bagi para pembacanya. Adapun teknik pengumpulan data yang dilakukan

penulis adalah :

1. Mendapatkan data sekunder kecepatan angin di Sumatera Utara dari kantor

Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika (BMKG).