BAB III METODE PENELITIAN
3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian
3.2.1 Objek Penelitian
Sebelum penulis membuat komponen-komponen turbin angin Darrieus, penulis terlebih dahulu menentukan dimensi bagian utama turbin.
1. Menentukan kecepatan angin pengujian
Sebelum menentukan dimensi utama turbin, penulis terlebih dahulu mempertimbangkan kondisi kecepatan angin pengujian. Potensi sumber daya angin di Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/s pada ketinggian 24 m diatas permukaan tanah (Indonesia Energy Outlook, 2010). Sementara turbin angin Darrieus akan menghasilkan daya pada kecepatan angin (v 3 m/s). Dari data kecepatan angin di berbagai wilayah di Indonesia, penulis mengharapkan turbin angin ini nantinya dapat diaplikasikan di daerah Kamanggih, Nusa Tenggara Timur dengan kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar v = 3,85 m/s (lihat Lampiran IX). Sehingga kecepatan angin dalam pengujian turbin angin ini disesuaikan dengan kondisi kecepatan angin di lapangan. Maka penulis menyimpulkan bahwa pengujian turbin angin Darrieus akan dilakukan pada kecepatan angin v = 3,85 m/s.
2. Menentukan geometri turbin dan perhitungan daya maksimum rotor
Menurut aturan Betz, turbin angin hanya mampu mengekstrak energi angin sebesar 59,3% dari total daya angin yang melalui luas sapuan turbin dengan
asumsi aliran tidak viskos, arah aliran angin tegak lurus terhadap turbin dan tidak ada turbulensi. Sementara untuk kondisi aktual hal ini tidak bisa tercapai dan untuk turbin angin Darrieus berkisar antara 25 – 40 %.
Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh energi angin yang tersedia, baik untuk kegunaan elektrikal maupun mekanikal. Perkiraan diameter rotor ini tidak terlalu eksak. Kompromi dapat dilakukan dalam rangka optimisasi dengan kekuatan struktur sudu dan juga biaya pembuatan. Dengan efisiensi rotor dan kondisi angin yang sama, semakin besar diameter rotor semakin besar pula energi angin yang dapat diekstrak. Oleh karena itu ukuran rotor menggambarkan berapa besar kapasitas suatu sistem konversi energi angin (Daryanto, 2007).
Untuk turbin angin Darrieus dengan diameter rotor 1.5 m dan tinggi rotor 1.5 m, daya maksimum yang dapat diekstrak dari angin dengan temperatur udara 320 C adalah sebagai berikut.
d = 1.5 m h = 1.5 m A = dh = 2.25 m2 = 1.1594 kg/m3 v = 3.85 m/s Pa = ½ Av3 Pa = ½ (1.1594)(2.25)(3.85)3 = 74.43 W PT = (0.25 s/d 0.4) Pa = (18.60 s/d 29.77) W 3. Menentukan tipe airfoil sudu
Tipe airfoil berhubungan dengan karakteristik koefisien liftCL dan koefisien
drag CD terhadap besarnya sudut serang ( ). Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat baik biasanya menghasilkan geometri sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang kompleks tentu akan mempertinggi
tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan. Dengan demikian pertimbangan aerodinamik yang tepat diharapkan dapat memberikan rekomendasi bentuk sudu dan rotor yang tepat yang memiliki efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu (baik mekanikal maupun elektrikal), sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi untuk desain dan pembuatan (Daryanto, 2007). Selain itu ketersediaan data koefisien lift dan koefisien drag airfoil tersebut harus diperhatikan. Atas per-timbangan di atas, maka penulis memilih profil sudu NACA 0018 dengan panjang
chordc = 0,3 m. Sehingga soliditas ( ) turbin adalah:
= N c/d
c (m) D (m) Jumlah sudu (N)
0.3 1.5 3 0.6
0.3 1.5 4 0.8
0.3 1.5 5 1
4. Menentukan tip speed ratio ( )
Karena putaran dan daya turbin ini akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan cara meng-kopel poros turbin dengan generator sehingga turbin angin Darrieus ini diharapkan berputar pada 70 rpm. Sehingga tip speed ratio
turbin dapat diketahui dengan rumus: = "
dimana,
=2$60 =2 3.14 7060 = 7.397 rad/s
= (7.397)(0.75)/3.85 = 1.441
5. Menentukan bilangan Reynold (Re) dan sudut serang ( )
Untuk medapatkan nilai koefisien liftCL dan koefisien dragCD, sebelumnya harus menentukan bilangan Reynold dan sudut serang airfoil.
+, = -./
! = 0 . 0 1 + .62 4723 4 dimana,
Re = bilangan Reynold = 1.1594 kg/m3
= tip speed ratio = 0.000017887 kg/m.s
c = panjang chord (m) C = kecepatan relatif (m/s)
v = kecepatan angin (m/s) = sudut serang (0)
Perhitungan kecepatan relatif dan bilangan Reynold dibuat pada tabel di bawah pada putaran 80 rpm. (Untuk jumlah sudu 3 buah dan sudut pitch 60)
6. Menentukan koefisien lift CL, koefisien drag CDdan gaya tangensial sudu (F) Nilai CL dan CD untuk airfoil NACA 0018 diperoleh dari JavaFoil. Setelah CL dan CD didapat, maka dapat diperoleh koefisien gaya tangensial dan koefisien gaya normal.
CT = CL sin – CD cos CN = - CL cos – CD sin
Setelah itu dicari besarnya gaya tangensial (F) sebagai fungsi dari sudut azimuth sudu ( ).
F = ½ v2 H c (-CN sin – CT cos )
Tabel.3.1 Koefisien lift CL, koefisien drag CD dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018 Φ θ α Re C' cl cd ct Ft 0 0 0.000 163912.1 9.345 0 0.017 -0.017 -0.383 0 15 6.172 162553.5 9.268 0.757 0.021 0.061 1.360 0 30 12.300 158503 9.037 1.303 0.046 0.232 4.949 0 45 18.330 151837.1 8.657 1.447 0.159 0.304 5.952 0 60 24.197 142683.3 8.135 1.374 0.285 0.303 5.237 0 75 29.807 131221.2 7.481 1.163 0.448 0.190 2.770 0 90 35.017 117685.4 6.710 0.952 0.655 0.009 0.111 0 105 39.580 102375.4 5.837 0.794 0.865 -0.161 -1.427 0 120 43.044 85680.74 4.885 0.695 1.093 -0.325 -2.021
0 135 44.476 68155.78 3.886 0.654 1.233 -0.421 -1.660 0 150 41.697 50759.37 2.894 0.73 1.182 -0.397 -0.867 0 165 29.293 35722.21 2.037 1.181 0.569 0.082 0.089 0 180 0.000 28853.45 1.645 0 0.029 -0.029 -0.020 0 195 -29.293 35722.21 2.037 -1.181 0.574 0.077 0.083 0 210 -41.697 50759.37 2.894 -0.73 1.182 -0.397 -0.867 0 225 -44.476 68155.78 3.886 -0.654 1.250 -0.434 -1.710 0 240 -43.044 85680.74 4.885 -0.695 1.089 -0.321 -2.000 0 255 -39.580 102375.4 5.837 -0.794 0.866 -0.161 -1.434 0 270 -35.017 117685.4 6.710 -0.952 0.653 0.011 0.135 0 285 -29.807 131221.2 7.481 -1.163 0.449 0.188 2.749 0 300 -24.197 142683.3 8.135 -1.374 0.285 0.303 5.226 0 315 -18.330 151837.1 8.657 -1.447 0.154 0.309 6.041 0 330 -12.300 158503 9.037 -1.303 0.046 0.232 4.947 0 345 -6.172 162553.5 9.268 -0.757 0.021 0.061 1.360 0 360 0.000 163912.1 9.345 0 0.017 -0.017 -0.383 Fave 1.129
Data CL dan CD didapat dari JavaFoil v2.20 Copyright©2001-2012©Martin Hepperle Keterangan: tanda minus (-) hanya menunjukkan arah
Gaya tangensial rata-rata Fave = 1,129 N
7. Menentukan daya turbin (PT) dan efisiensi turbin ( T) Daya teoritis turbin dapat dihitung dengan rumus:
PT = T dimana,
T = Nb Fave r = 3(1.129)(0.75) = 2.54025 N.m = 7.397 rad/s
Nb = jumlah sudu = 3 buah sehingga ,
PT = T = 2.54025(7.397) = 18.79 W Efisiensi teoritis turbin angin:
T = (PT / Pa) x 100% = (18.79/ 74.43) x 100% = 25.25 %
Adapun objek penelitian yaitu turbin angin tipe Darrieus-H seperti gambar 3.1 dengan desain rancangan terlampir (lihat lampiran V, VI, VII, dan VIII).
1. Prototype Turbin Angin
Gambar 3.1 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H
Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H
No Spesifikasi Keterangan
1 Jenis Sumbu vertikal
2 Diameter 1500 mm
3 Tinggi 1500 mm
4 Lengan Rectangular tube 50x25x1.5 5 Jumlah sudu 3, 4, 5
2. Sudu
Sudu, merupakan bagian dari rotor turbin yang mengekstrak sebahagian dari total energi angin yang melalui area sapuan rotor.
Tabel.3.3 Spesifikasi sudu
No Spesifikasi Keterangan
1 Profil Sudu NACA 0018 2 Chord (c) 300 mm
3 Tinggi 1500 mm
4 Bahan Pelat aluminium 0.5 mm 5 Jumlah sudu 3, 4 dan 5
Gambar.3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah
1. Digital Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan yang mengalir pada beban, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Krisbow Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter
Function Range Accuracy
(%rdg + digits) DC Voltage V 326m, 3.26, 32.6, 326, 1000 ± (0.5% + 2d) AC Voltage V 3.26, 32.6, 326, 750 ± (1.2% + 4d) DC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.2% + 3d) AC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.5% + 5d) Resistance 326, 3.26K, 32.6K, 326K, 3.26M,
32.6M
± (2.0% + 4d)
Gambar 3.3 Digital Multimeter
2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin savonius, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Krisbow
Dimension : 210 x 74 x 37 (mm)
Type : Display 5 digital 18 mm (0,7” LCD) Accuracy : ± (0,05 % + 1 digital)
Sampling time : 0,8 sec (over 60 rpm) Range select : Auto range
Time base : Quartz crystal
Detecting distance : 50mm---500mm (photo)
Power : 4 x 1,5 VAA size battery or 6V direct current stable voltage power
Power cunsumtion : approx 65 mA
3. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur kecepatan angin dan temperatur lingkungan, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Extech
Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer
Specification Range Resolution
m/s 0.6 – 30 m/s 0.01 m/s
ft/min 196 – 5900 ft/min 1 ft/min
km/h 3.6 – 108 km/h 0.1 km/h
MPH 2.2 – 67 MPH 0.1 MPH
Knots 1.9 – 58 knots 0.1 knots
Temperature 14 – 140 °F (-10 – 60 °C) 0.1 °F / °C
Gambar 3.5 Thermo-Anemometer
4. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan :
Daya : 1,5 kW / 2 Hp
Putaran :1480 rpm
Tegangan : 220/380
Gambar 3.6 Motor listrik 5. Permanent Magnet Generator (PMG)
Type : Permanet magnet generator (PMG) Cogging torque : zero cogging torque
Rpm : very low rpm (20 s/d 500 rpm) : 0.7
Rotor Stator
Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG) 6. Busur
Busur digunakan untuk mengatur sudut pitch ( ) pada sudu turbin.
