UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN
EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
LIBERT SIJABAT NIM. 080401070
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ABSTRAK
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang
mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin
Darrieus H merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang
memanfaatkan lift force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin
besar lift force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.
Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi
jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018
dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m
dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 00, 20, 40, 60, 80, 100, dan 120.
Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari
jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi
pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan
= 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi
angin pada sudut pitch = 60, sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah
diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.
Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio,
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan
karunia-Nya sehingga penulis dapat melakukan aktivitas terutama kegiatan
penelitian dan menyusun tugas akhir sebagai pertanggungjawaban atas hasil
penelitian yang telah dilakukan.
Tugas akhir ini memuat Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H
Dengan Profil Sudu NACA 0018 dan Analisa Perbandingan Menggunakan
Variasi Jumlah Sudu dan Sudut Serang. Efektifitas sudu turbin dalam
meng-ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat
dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari jumlah sudu dan
sudut serang turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip
speed ratio poros turbin angin.
Proses pembuatan objek dan kegiatan penelitian yang dilakukan penulis
terlaksana dan terwujud berkat doa dan dukungan semua pihak. Untuk itu, dengan
setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen
pembimbing yang memberikan bimbingan dan arahan sehingga
penelitian ini berjalan dengan baik dan benar.
2. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Kedua orang tua penulis, Wilson Sijabat dan Rumi Situmorang yang
sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk
apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa
serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
4. Saudara Kandung Penulis Silvia Christina Sijabat dan Willi Kaham
Sijabat yang selalu memberikan dukungan.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin
yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan
6. Rekan – rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Eka Wira
Napitupulu yang telah bekerja bersama-sama untuk menyelesaikan
skripsi ini.
7. Teman-teman seperjuangan dari tim Hidram, tim Pelton, tim Vortex
dan tim lainnya yang turut membantu dan mendukung menyelesaikan
skripsi ini.
8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan
satu-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah
mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
9. Teman-teman satu kos dari betlehem camp dan berdikari 94a yang turut
memberikan dukungan moral dalam menyelesaikan skripsi ini.
10.Irma Meliaki Simamora untuk kasih, doa, dan dukungan yang tidak
terbatas kepada penulis.
Penyusun menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik dari segi
teknis dan materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan laporan ini, kritik dan
saran pembaca sangat penulis harapkan, sehingga laporan akhir ini lebih sempurna.
Medan, 20 Juli 2013
DAFTAR ISI
ABSTRAK
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR SIMBOL ... vii
DAFTARGAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2
1.3.1 Rumusan Masalah ... 2
1.3.2 Batasan Masalah ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 4
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
1.6 Metode Pengumpulan Data ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Energi Angin ... 6
2.1.1 Asal energi angin ……… 6
2.1.2 Kandungan energi dalam angin ……….. 7
2.1.3 Pengukuran angin ……….. 7
2.3 Turbin Angin……… 10
2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin ………... 10
2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal ………... 11
2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……… 12
2.4 Airfoil……… 14
2.5 Gaya Aerodinamik Pada Turbin Angin ... 16
2.6 Power Coefficient dan Tip Speed Ratio ... 19
2.7 Karakteristik Daya Rotor ... 22
2.8 Generator ... 23
BAB III METODE PENELITIAN ... 25
3.1 Tempat Penelitian ... 25
3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 25
3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 36
3.3.1 Tahap persiapan ... 36
3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ... 37
3.4 Diagram Alir Penelitian ... 40
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 41
4.1 Hasil Pengujian ...41
4.1.1 Pengukuran kecepatan angin ... 41
4.1.2 Data pengujian tanpa beban ... 44
4.1.3 Data pengujian beban 3 watt ... 44
4.1.5 Data pengujian beban 10 watt ... 45
4.2 Analisa Data ... 45
4.2.1 Perhitungan daya angin ... 45
4.2.2 Perhitungan tip speed ratio ... 46
4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ... 46
4.3 Grafik Pengujian ... 50
4.3.1 Grafik pengujian 3 sudu ………..………... 50
4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu ………... 53
4.3.3 Grafik pengujian 5 sudu ………... 56
4.4 Perbandingan Turbin Angin Savonius Dengan Turbin Angin Darrieus H………. 59
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 61
5.1 Kesimpulan ... 61
5.2 Saran ... 61
DAFTAR PUSTAKA... 63
LAMPIRAN L1. Hasil Percobaan dan Ketidakpastian ... 63
L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 77
L3. Tabel Sifat Udara ... 78
L4. Koordinat NACA 0018 ... 79
L6. Rotor Turbin Angin Darrieus H ... 82
L7. Instalasi Turbin Angin Darrieus H ……….……… 83
L8. Hub Turbin Angin Darrieus H ……….……….. 84
L9. Data Kecepatan Angin di Indonesia ……….. 85
L10. Nilai Ekonomis Turbin Angin ……….. 86
DAFTAR SIMBOL
AoA angle of attack, (0)
TSR tip speed ratio
VAWT vertical axis wind turbine
HAWT horizontal axis wind turbine
NACA National Advisory Committee of Aeronautics
rpm revolution per minute
a interference factor
A luas sapuan rotor, m2
c panjang chord sudu, m
C kecepatan absolut elemen sudu
CD koefisien drag
CL koefisien lift
Cp koefisien daya
Cp,max koefisien daya maksimum
d diameter turbin, m
D gaya drag, N
F gaya, N
Fmax gaya maksimum, N
Ek energi kinetik angin, J
H tinggi turbin, m
I kuat arus, A
m massa, kg
aliran massa, kg/s
putaran, rpm
N jumlah sudu
daya angin, J/s
Pa daya angin, J/s
daya turbin, J/s
radius turbin, m
Re bilangan Reynold
waktu, s
v kecepatan angin, m/s
V’ kecepatan angin tepat pada turbin, m/s
tegangan, Volt
tegangan rata – rata, Volt
U’ kecepatan tangensial elemen sudu, m/s
Z ketinggian, m
kecepatan sudut rotor, rad/s
kerapatan angin, kg/m3
! sudut serang (angle of attack), (0)
sudut azimuthal sudu, (0)
tip speed ratio
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon………... 9
Gambar 2.2 Aliran Angin di Indonesia……….. 10
Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ……… 12
Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal………. 14
Gambar 2.5 Airfoil ……… 16
Gambar 2.6 Penampang sudu………. 17
Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift ……….. 18
Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin……….. 19
Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin ………. 21
Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jumlah sudu……….. 22
Gambar 2.11 Kurva hubungan antara Tip-speed ratio terhadap Rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jenis turbin angin………... 24
Gambar 3.1 Prototipe Turbin Angin Darrieus H ... 30
Gambar 3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018…………. 32
Gambar 3.3 Digital Multimeter ... 33
Gambar 3.4 Digital Tachometer ... 34
Gambar 3.5 Thermo-Anemometer ... 35
Gambar 3.6 Motor listrik ... 35
Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG)... 36
Gambar 3.8 Busur ... 36
Gambar 3.9 Prosedur Pengujian ……… 38
Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 39
Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ... 40
Gambar 4.1 Pengukuran Kecepatan Angin ... 41
Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah... 50
Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap
tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan
jumlah sudu 3 buah ………... 52
Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin
darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah... 53
Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap
efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah ……. 54
Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap
tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan
jumlah sudu 4 buah ………... 55
Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin
darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah... 56
Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap
efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah ……. 57
Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap
tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan
jumlah sudu 5 buah ………... 58
Gambar 4.11 Grafik pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin angin
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia………... 9
Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, Darrieus dan Tipe H ……… 14
Tabel 3.1 Koefisien lift CL, koefisien drag CD dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018……… 29
Tabel 3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H... 31
Tabel 3.3 Spesifikasi sudu………... 31
Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……... ... 32
Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer……….. ... 34
Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik …... 42
Tabel 4.2 Hasil Teoritis …... 43
Tabel 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum …... 43
Tabel 4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu ……... 44
Tabel 4.5 Data pengujian beban 3 Watt ………... 44
Tabel 4.6 Data pengujian beban 5 Watt ..…... 44
Tabel 4.7 Data pengujian beban 10 Watt ... 45
Tabel 4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt ………... 47
Tabel 4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 47
Tabel 4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 47
Tabel 4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt... 48
Tabel 4.12 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 48
Tabel 4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 49
Tabel 4.15 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 49
Tabel 4.16 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 49
Tabel 4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu lurus dan jumlah sudu 6 buah dengan sudu pengarah ………. 60
Tabel 4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil NACA 0018 dan jumlah sudu 3 buah ……….. 60
Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban... 65
Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 66
Tabel L.3 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt... 67
Tabel L.4 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt... 68
Tabel L.5 Data pengujian 4 sudu tanpa beban... 69
Tabel L.6 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 70
Tabel L.7 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 71
Tabel L.8 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 72
Tabel L.9 Data pengujian 5 sudu tanpa beban... 73
Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 74
Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt... 75
Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 76
Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 77
Tabel L.14 Koordinat airfoil NACA 0012……... 79
Tabel L.15 Nilai ekonomis berbagai sumber energi……... 86
ABSTRAK
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang
mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin
Darrieus H merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang
memanfaatkan lift force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin
besar lift force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.
Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi
jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018
dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m
dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 00, 20, 40, 60, 80, 100, dan 120.
Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari
jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi
pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan
= 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi
angin pada sudut pitch = 60, sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah
diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.
Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio,
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Penggunaan bahan bakar fosil selain mengurangi cadangan dalam bumi,
juga berdampak pada terjadinya pemanasan global. Karena itu, diperlukan suatu
tindakan untuk mencari pengganti sumber bahan bakar fosil. Di Indonesia,
sebenarnya cukup banyak sumber-sumber energi alternatif yang tersedia.
Berdasarkan hasil pengkajian, potensi pemanfaatan energi alternatif di Indonesia
sangat besar. Untuk potensi solar cell, letak Indonesia yang berada di garis
khatulistiwa sudah tidak diragukan lagi dengan potensi sebesar 4 W/m2. Sumber
energi alternatif lainnya-pun memiliki potensi yang besar
seperti geothermal dengan total potensi sebesar 19.658 MW, hydro memiliki total
potensi 75.000 MW. Energi angin, Indonesia memiliki potensi sebesar 9.286 MW.
(KESDM, 2010)
Energi angin sebagai salah satu sumber energi alternatif terbarukan
merupakan energi yang mempunyai potensi cukup besar (9,29 GW) namun dalam
penggunaan sekarang ini masih sangat minim yaitu sekitar 800 kW atau
0,008% dari potensi sesungguhnya. Salah satu penyebabnya minimnya
pemanfaatan energi angin adalah kecepatan angin rata-rata di wilayah Indonesia,
yang berkisar hanya antara 2 hingga 5 m/s, tergolong rendah sehingga secara teori
sulit untuk menghasilkan energi listrik dalam skala besar . Namun demikian,
dengan potensi angin di Indonesia yang hampir tersedia sepanjang tahun,
pengembangan sistem pembangkit listrik energi angin untuk skala kecil sangat
mungkin untuk diterapkan. Energi angin merupakan sumber energi yang ramah
lingkungan. Pembangkitan energi angin tersebut tidak menimbulkan emisi karbon
dioksida sehingga ramah lingkungan. Hal inilah yang mendorong penulis untuk
merancang dan membuat turbin angin skala kecil yang mana perancangan ini
dapat digunakan sebagai acuan pembuatan turbin angin untuk memanfaatkan
Konstruksi turbin angin yang akan dikembangkan oleh penulis adalah turbin
angin sumbu vertikal Darrieus tipe-H. Keuntungan dari turbin angin ini yaitu:
konstruksi turbin yang sedehana dan turbin ini menangkap angin dari segala arah
yang tegak lurus terhadap sumbu turbin angin tersebut, sehingga turbin angin ini
dapat bekerja pada kondisi angin yang turbulen. Turbin angin Darrieus
menggunakan sudu dengan bentuk yang menyerupai sayap pesawat, maka turbin
angin ini memanfatkan gaya angkat yang dihasilkan oleh angin. Karena turbin
angin ini memanfaatkan gaya angkat, maka kecepatan putaran turbin angin ini
bisa lebih besar dari kecepatan angin di sekitar, sehingga efisiensi untuk
mengekstrak energi angin menjadi lebih besar. Konstruksi turbin angin yang
dikembangkan penulis dapat berputar pada kecepatan angin 3,85 m/s. Nantinya
hasil rancangan yang dikembangkan oleh penulis diharapkan dapat digunakan di
daerah Kamanggih, Nusa Tenggara Timur. Dimana di daerah Kamanggih
kecepatan angin rata-rata sebesar 3,9 m/s. (majalahenergi.com)
1.2 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah:
- Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin.
- Untuk mengetahui pengaruh sudut pitch terhadap efisiensi turbin.
1.3 Rumusan dan Batasan Masalah
1.3.1 Rumusan masalah
Dalam penelitian turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H yang
terkonsentrasi pada pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dapat
dibangkitkan turbin ini yang kemudian dikonversikan dalam bentuk energi listrik.
Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin tentu bervariasi terhadap
penggunaan jumlah dan profil sudu yang digunakan serta kecepatan angin yang
akan melalui turbin ini.
Sebelum penulis melakukan penelitian ini, terlebih dahulu penulis
1. Pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dihasilkan oleh
turbin angin.
2. Pengaruh sudut pitch terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin
angin.
1.3.2 Batasan masalah
Banyak aspek yang mempengaruhi performansi turbin angin Darrieus
tipe-H seperti jumlah sudu, profil sudu, rasio kepadatan (solidity), sudut pitch ( ),
kecepatan angin dan lain-lain. Karena ruang lingkup penelitian untuk turbin angin
ini sangat luas, maka penulis membuat batasan masalah penelitian yaitu:
1. Turbin angin Darrieus tipe-H dengan spesifikasi
Diameter rotor : 1,5 m
Tinggi rotor : 1,5 m
Profil sudu : NACA 0018
2. Variasi dalam pengujian adalah:
Jumlah sudu : 3, 4, 5
Sudut pitch ( ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12
3. Pengujian dilakukan dengan menggunakan angin buatan yang
dihembuskan oleh kipas agar kecepatan angin yang didapatkan konstan
sebesar 3,85 m/s.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari:
1. Aspek keilmuan atau akademis
Penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Mekanika Fluida, Mesin
Konversi Energi, dan CFD (Computational Fluid Dynamics), sehingga
dengan dilakukannya penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini
dapat menambah wawasan tentang turbin angin serta mengembangkan
pola pikir tentang pemanfaatan energi angin dengan menggunakan turbin
2. Aspek praktik atau implementasi
Penelitian ini difokuskan pada pembuatan turbin angin Darrieus tipe-H
skala kecil. Energi listrik yang dihasilkan turbin ini akan disimpan di
dalam baterai, kemudian digunakan untu keperluan tertentu seperti,
kebutuhan rumah tangga, menghidupkan lampu jalan, penggerak pompa
air untuk daerah pertanian, untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk
daerah yang belum terjangkau oleh PLN, dan sebagainya.
1.5 Sistematika Penulisan
Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematia penulisan sebagai
berikut:
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini terdiri dari sub-bab latar belakang, tujuan, rumusan dan batasan masalah,
manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Bab berisi hal – hal yang
melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis sehingga akan dilakukannya
suatu penelitian. Penelitian merupakan kegiatan ilmiah yang tentunya memiliki
tujuan yang akan dicapai dibahas dalam sub-bab tujuan penelitian.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini terdiri dari beberapa sub-bab yang keseluruhan sub-bab berisikan teori –
teori pendukung untuk melakukan pendekatan – pendekatan teoritis dalam
menganalisis data hasil pengujian.
BAB III. PERANCANGAN TURBIN ANGIN DARRIEUS TIPE-H
Bab ini berisi tentang perancangan turbin angin Darrieus tipe-H meliputi desain,
bahan dan dimensi rancangan. Adapun elemen – elemen utama yang diperkirakan
adalah profil sudu, dimensi rotor, metode penyimpanan energi.
BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tentang metode yang dilakukan penulis dalam melakukan
perancangan dan pengujian turbin angin Darrieus tipe-H.
BAB V. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
Bab ini berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari pengukuran daya dan
putaran yang dihasilkan turbin angin. Kemudian dilakukan analisa data hasil
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan jawaban dari tujuan dilakukannya penelitian.
1.6 Metode Pengumpulan Data
Metode pengumpulan data yang dilakukan penulis untuk mendukung
keberhasilan penelitian ini adalah:
1. Studi literatur
2. Studi lapangan
3. Survei alat dan bahan yang akan digunakan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Angin
Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga
zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya
dikenal banyak jenis energi. Diantaranya, energi gelombang, energi arus laut,
energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi
lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kebutuhan manusia. Salah satu
dari energi tersebut adalah energi angin yang jumlahnya tak terbatas dan banyak
digunakan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak
sehingga mampu menggerakkan perahu layar, kincir angin, dan bisa dimanfaatkan
menjadi pembangkit listrik yaitu berupa turbin angin. Keberadaan energi angin ini
terdapat di lapisan atmosfer bumi yang banyak mengandung partikel udara dan
gas. Lapisan troposfer merupakan lapisan atmosfer terendah bumi dan dilapisan
ini semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.
Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang
bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. Pemanasan bumi oleh sinar
matahari menyebabkan perbedaan massa jenis ( ) udara. Perbedaan massa jenis
ini menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida
dan menghasilkan angin. Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau
permukaan bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperatur
permukaan bumi.
2.1.1 Asal Energi Angin
Hampir semua energi terbarukan yaitu energi pasang surut, arus dan
gelombang air, bahkan energi fosil berasal dari energi matahari. Matahari
meradiasikan 1,74 x 1017 joule energi ke permukaan bumi setiap detiknya. Sekitar
1% hingga 2% energi yang datang dari matahari diubah menjadi energi angin.
Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin
angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak.
Besarnya energi yang terkandung pada angin tergantung pada kecepatan angin
dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan,
besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang
bermassa m dan berkecepatan v adalah :
2
2 1
mv Ek =
………..(2.1)
Dimana:
Ek = Energi kinetic (joule)
m = massa udara (kg)
v = kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa
jenis udara ( ) dan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatannya.
2.1.3 Pengukuran Angin
Parameter yang diukur pada proses konversi energi angin pada umumnya
adalah kecepatan dan arahnya. Kecepatan angin diukur dengan menggunakan alat
anemometer. Anemometer mempunyai banyak jenis dan salah satunya adalah
anemometer tangan.
Anemometer tangan terdiri dari semacam kipas kecil pada ujungnya yang
akan berputar ketika dilalui oleh angin . Jumlah putaran setiap waktu direkam dan
dinyatakan dalam besaran kecepatan angin. Pembacaan skala kecepatan angin
dapat dilakukan dengan melihat skala pembaca yang terdapat pada anemometer.
Griggs-Putnam membuat indeks kecepatan angin berdasarkan deformasi
Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon (Sumber : Wind Turbine Techonology)
2.2 Potensi Angin Di Indonesia
Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi
angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/detik pada ketinggian 24 meter di atas
permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia
termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara
keseluruhan, potensi energi angin Indonesia diperkirakan mencapai 9.290 MW.
Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup
dari arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah selatan
khatulistiwa bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera
bagian selatan dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara.
Dikutip dari majalahenergi.com diperoleh data kecepatan angin rata-rata
tahunan pada beberapa daerah di kawasan Indonesia. Pengukuran kecepatan angin
ini dilakukan pada ketinggian 50 m yang dapat dilihat pada Lampiran. Dari data
kecepatan angin ini memungkinkan untuk mengembangkan pembangkit listrik
tenaga angin berskala kecil di Indonesia. Berikut ini merupakan data potensi
Tabel.2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia
Jenis energi Sumber daya Setara Kapasitas terpasang
Air 845 x 106 BOE 75,7 GW 4200 MW
Panas bumi 219 x 106 BOE 27,0 GW 800 MW
Mini/Mikrohidro 458 MW 458 MW 84 MW
Biomassa 49,81 GW 49,8 GW 302,4 MW
Surya 4,8 kWh/m2/hari --- 8,0 MW
Angin 9,29 GW 9,3 GW 0,5 MW
Sumber: DESDM, 2005
Gambar.2.2 Aliran angin di Indonesia (Sumber: bmkg.go.id)
2.3 Turbin Angin
Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme kerjanya
memanfaatkan energi angin. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan
turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat
menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt. Di
negara-negara berkembang, penggunaan turbin angin berada dalam skala riset.
Hal ini dikarenakan teknologi yang berada di negara tersebut masih butuh
karena itu, untuk riset turbin angin akan dicari sebuah desain dan bahan beserta
analisanya untuk membuat turbin angin lebih baik dari sebelumnya.
2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin
Turbin angin adalah sebuah alat yang memanfaatkan energi kinetik angin
dan mengubahnya kedalam bentuk energi gerak putaran rotor dan poros generator
untuk menghasilkan energi listrik. Energi gerak yang berasal dari angin akan
diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang kemudian
akan dihasilkan energi listrik. Turbin angin adalah mesin penggerak yang
memanfaatkan angin sebagai penggeraknya.
Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu:
turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin
sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah. Turbin angin
sumbu vertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah.
Berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi pada rotor, turbin
angin terbagi 2 yaitu drag dan lift. Pengelompokan berdasarkan prinsip
aerodinamik pada rotor adalah apakah turbin angin menangkap energi angin
dengan hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau
memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui bentuk
aerodinamis sudu. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada
kecepatan putar rotornya. Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan
putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah. Rotor turbin
angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila
dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin
putaran tinggi. Setiap jenis turbin angin memiliki perancangan, kekurangan dan
kelebihan masing-masing.
2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak
sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah
angin.Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade),
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin sumbu
horizontal dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1. Upwind
2. Downwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya
angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi
arah datang angin.
Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal (Sumber: Wind
Blade Rotor Construction, Hugh Piggot)
2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat
manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu
karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu sehingga
menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Salah satu contoh turbin
angin sumbu vertikal jenis drag adalah turbin angin savonius, yang mana terdiri
dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang
sama terhadap sumbu putar. Turbin angin poros vertikal atau yang lebih dikenal
memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin
atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.
Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah lebih
horizontal. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya adalah memungkinkan
penempatan komponen mekanik, komponen elektronik, transmisi roda gigi, dan
generator dekat dengan permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal
berputar tanpa dipengaruhi arah datangnya angin sehingga tidak membutuhkan
mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin angin sumbu
horizontal.
Beberapa jenis turbin angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut:
a. Savonius Rotor
Turbin angin dengan konstruksi sederhana yang ditemukan oleh sarjana
Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk dalam
kategori TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) ini memiliki rotor dengan bentuk
dasar setengah silinder. Konsep turbin angin savonius cukup sederhana, prinsip
kerjanya berdasarkan differential drag windmill. Pada perkembangan selanjutnya,
savonius rotor tidak lagi berbentuk setengah silinder tetapi telah mengalami
modifikasi guna peningkatan performance dan efisiensi.
b. Darrieus Rotor
Merupakan salah satu TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) dengan
efisiensi terbaik serta mampu menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan
kecepatan angin yang tinggi. Turbin angin Darrieus mengaplikasikan blade
dengan bentuk dasar aerofoil NACA. Prinsip kerja turbin angin Darrieus yaitu
memanfaatkan gaya lift. Kelemahan utama dari turbin angin Darrieus yaitu yakni
memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan self
start. Pada aplikasiya, darrieus wind turbine selalu membutuhkan perangkat
bantuan untuk melakukan putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa
motor listrik atau umumnya lebih sering menggunakan gabungan turbin angin
Savonius pada poros utama. Untuk menghindari fluktuasi torsi yang besar,
aplikasi turbin angin Darrieus umumnya menggunakan tiga blade.
c. H-Rotor
Turbin tipe H adalah variasi dari tipe Darrieus. Keduanya sama-sama
menggunakan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Tipe H jauh lebih
maka tipe H menggunakan bilah lurus. Bilah ini dihubungkan ke poros
menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan
generator.
Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (Sumber: Wind Turbines,
Eric Hau)
Perbandingan antara turbin angin tipe Savonius, Darrieus dan Tipe H dapat dilihat
pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, Darrieus dan Tipe H
Savonius Darrieus Tipe H
- Koefisien daya lebih tinggi
- Telah dibuat dalam skala besar
- Tidak dapat mulai berputar
sendiri (self start)
- Tidak dapat diatur kecepatan
putarnya lewat pengaturan sudut
serang
- Proses manufaktur susah dan
mahal
- Desain sederhana
- Koefisien daya kurang lebih
sama dengan Darrieus
- Proses manufaktur mudah
- Dapat dilakukan pitching pada
bilah sudu
- Jurnal atau referensi belum
Sumber : http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/
2.4 Airfoil
Airfoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) adalah
salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat
memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan
penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa
besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Geometri airfoil
memiliki pengaruh besar terhadap karakteristik aerodinamika dengan parameter
penting berupa CL, dan kemudian akan terkait dengan lift (gaya angkat yang
dihasilkan) (Mulyadi, 2010).
Hingga sekitar Perang Dunia II, airfoil yang banyak digunakan adalah
hasil riset Gottingen. Selama periode ini banyak pengajuan airfoil dilakukan
diberbagai negara, namun hasil riset NACA lah yang paling terkemuka. Pengujian
yang dilakukan NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek
kelengkungan dan distribusi ketebalan atau thickness serta pengujiannya
dilakukan pada bilangan Reynold yang lebih tinggi dibanding yang lain. Hal ini
sering dirangkum oleh beberapa parameter seperti: ketebalan maksimum,
maksimum bentuk melengkung, posisi max ketebalan, posisi maks bentuk
melengkung, dan hidung jari-jari. Seperti terlihat pada gambar 2.5 suatu airfoil
terdiri dari:
• Permukaan atas (Upper Surface)
• Permukaan bawah (Lowerer Surface)
• Mean camber line adalah tempat kedudukan titik-titik antara permukaan
atas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber line
itu sendiri.
• Leading edge adalah titik paling depan pada mean camber line, biasanya
berbentuk lingkaran dengan jari-jari mendekati 0,02 c.
• Trailing edge adalah titik paling belakang pada mean camber line
• Camber adalah jarak maksimum antara mean camber line dan garis chord
• Ketebalan (thickness) adalah jarak antara permukaan atas dan permukaan
bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord.
Gambar 2.5 NACA airfoil geometry
Sumber: http://michaelsuseno.blogspot.com/2011/09/airfoil
2.5 Gaya Aerodinamik pada Turbin Angin
Sudu atau rotor berfungsi untuk menghasilkan putaran akibat gaya angin
dan menggerakkan poros turbin dan poros generator yang kemudian akan
menghasilkan energi listrik. Sudu turbin angin diusahakan memiliki kekasaran
yang sama pada setiap permukaannya sehingga gaya lift yang dihasilkan tinggi.
Bagian pangkal sudu dicengkeram oleh hub dengan menggunakan baut. Jari-jari
sudu adalah jarak dari sudu dari permukaan poros rotor sampai ujung dari sudu.
Pada sudu turbin angin akan terjadi tegangan geser pada permukaannya
ketika kontak dengan udara. Distribusi tegangan geser pada permukaan sudu ini
dipresentasi dengan adanya gaya tekan (drag) yang arahnya sejajar dengan arah
aliran fluida dan gaya angkat (lift) yang arahnya tegak lurus dari arah aliran fluida.
Kedua gaya ini menyebabkan sudu dapat berputar. Kedua gaya ini dipengaruhi
oleh bentuk sudu, luas permukaan bidang sentuh, sudut serang, dan kecepatan
angin. Secara matematis, kedua gaya ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
+ =
= dF p dA dA
FD x cosθ τwsinθ ………(2.2)
+ −
=
= dF p dA dA
FL y sinθ τwcosθ ………..(2.3)
sDimana P adalah tekanan yang terjadi pada permukaan sudu akibat gaya aliran
udara, sedangkan adalah sudut yang dibentuk antara arah aliran udara terhadap
Gambar 2.6 Penampang sudu ( Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)
Istilah drag merupakan gaya yang berasal dari energi angin yang
mendorong lurus sudu searah dengan arah angin. Gaya drag pada dasarnya
digunakan oleh turbin angin savonius. Gaya ini menyebabkan sudu bergerak.
Namun, gerakan rotor yang terjadi sangat rendah dan sudu yang sebenarnya
bergerak melawan arah angin akan memperlambat gerak rotor. Selain itu, terdapat
gaya lain berupa lift yang selalu bekerja pada sudut airfoil yang mengarahkan
sudu terangkat akibat gerak angin. Sudu turbin angin sumbu horizontal
mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya
drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift.
Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift (Sumber:
Untuk mempermudah perhitungan fenomena drag dan lift, maka dengan
metode numeric (Gerhart), diperkenalkanlah drag and lift coeffient (koefisien
gaya hambat dan gaya angkat) yang dilambangkan dengan CD dan CL. Besarnya
CL dan CD bergantung dari bentuk melintang sudu yang digunakan dan sudut
serang ( ). Secara matematis, hubungan gaya drag dan lift dengan koefisiennya
dapat dirumuskan sebagai berikut:
A U C
FD D 2
2 1
ρ =
………(2.4)
A U C
FL L 2
2 1
ρ =
………(2.5)
Dimana adalah massa jenis udara, A adalah luas penampang sudu, dan U adalah
kecepatan angin.
Hubungan antara CL dan CD terhadap sudut serang ( ) diukur dan
ditentukan secara eksperimen dan sudah dibukukan dalam suatu catalog.
Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin (Sumber: Ekawira
K. Napitupulu)
L = gaya lift sudu (N)
D = gaya drag sudu (N)
= kecepatan sudut elemen sudu (rad/s)
r = radius turbin (m)
= sudut serang sudu (0)
c = kecepatan absolut elemen sudu (resultan vektor v’ dengan u’)
c = v’{( + cos )2 + (sin )2}1/2 (2.6)
v’ = kecepatan angin (m/s)
u’ = kecepatan tangensial elemen sudu (m/s)
u’ = r (2.7)
Catatan: - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c
- gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c
2.6 Power Coeffient dan Tip Speed Ratio
Desain aerodinamik pada turbin angin memerlukan banyak pengetahuan
fisika dasar tentang hukum konversi energi. Seorang perancang akan menghadapi
permasalahan tentang hubungan antara bentuk sudu, jumlah sudu, dan sifat-sifat
aerodinamik.
Bet’z memudahkan teori momentum pada sudu turbin dengan cara
pemodelan aliran dua dimensi. Aliran udara ini akan menyebabkan defleksi pada
airfoil. Gerakan dari angin ini akan menggerakkan sudu sehingga timbul gerak
putar pada sudu turbin.
Power Coefficient (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan
secara mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan oleh
gaya lift pada aliran udara. Secara matematis, hubungan ini dapat dituliskan:
Dimana:
Cp = koefisien daya
P = daya mekanik yang dihasilkan rotor (watt)
P0 = daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu (watt)
= massa jenis udara (kg/m2)
A = luas penampang bidang putar sudu (m2)
v1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (m/s)
v2 = kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (m/s)
Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin
(Sumber: John Twidell dan Tony Weir [7], hal 274)
Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan mengurangi
proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada aliran. Secara teori
momentum, power coefficient dari turbin harus lebih kecil daripada harga yang
ditentukan oleh Betz’s (sekitar 0,593). Hal ini disebabkan terjadinya losses pada
mekanisme gerak turbin angin. Power coefficient bergantung pada rasio antara
komponen energi gerak putar sudu dan gerak rotasi pada aliran udara. Rasio ini
didefinisikan sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan angin
dan didefenisikan sebagai tip speed ratio ( ), yang secara umum
direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung sudu.
Tip speed ratio,
w
v u = λ
………(2.10)
u = kecepatan tangensial dari ujung sudu (m/s)
vw = kecepatan angin (m/s)
atau tip speed ratio,
Tip speed ratio,
v dn
60
π λ=
……… (2.11)
dimana d adalah diameter sudu, n adalah putaran rotor atau sudu, dan v adalah
kecepatan angin.
Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power coefficient
(CPR) pada berbagai jumlah sudu (Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)
Kecepatan aksial Va pada rotor turbin angin dengan kecepatan tangensial u
pada radius dari penampang sudu dikombinasikan menjadi kecepatan aliran total
Vr.
Elemen dasar pada kurva daya rotor adalah power coefficient (CP) yang
merupakan fungsi dari tip speed ratio untuk semua spesifikasi turbin atau mesin
angin. Pada beberapa sumber buku power coefficient didefinisikan sebagai rotor
power coefficient (CPR), sehingga besarnya nilai CP dan CPR adalah sama. Pada
penampang sudu terdapat sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch sudu.
Sudut serang adalah parameter aerodinamik dan sudut pitch sudu adalah untuk
Perhitungan keseimbangan gaya meliputi tidak hanya pada drag dan lift
airfoil murni, tetapi juga meliputi semua komponen drag dan lift lain yang
terdapat di sekitar sudu. Resultan Drag merupakan fungsi dari koefisien lift lokal
dan aspek rasio dari sudu. Perhitungan drag dan lift aerodinamik lokal, menurut
teori momentum pada sudu (teori Betz’s), terkait distribusi gaya aerodinamik
sepanjang sudu. Terdapat dua komponen, yaitu: satu pada bidang putaran rotor
yang dinamakan dengan distribusi gaya tangensial, dan satu lagi adalah distribusi
gaya dorong.
Pada dasarnya besar tekanan yang terjadi antara pangkal (top) dengan
ujung (tip) sudu adalah berbeda.
Dengan mengetahui sudut pitch sudu, dapat ditentukan besarnya lebar
sudu. Besarnya lebar sudu merupakan fungsi dari sudut pitch dan tip speed ratio.
Pada prosesnya, setiap sudu memiliki lapisan angin tertentu. Untuk jari-jari r yang
kecil, jumlah angin yang melapisi sudu tentu akan lebih kecil. Secara matematis,
besarnya sudu (chord) dapat dinyatakan dengan:
B
turbin angin, dan B adalah jumlah sudu.
2.7 Karakterisiktik Daya Rotor
Teori momentum sederhana (teori Betz’s) telah menyediakan persamaan
dasar untuk menghitung besarnya output daya mekanik dari rotor (mechanical
power output). Dengan menggunakan power coefficient CP, daya rotor dapat
dihitung sebagai fungsi dari kecepatan angin.
vw = kecepatan angin CP = koefisien daya rotor
= massa jenis udara
PR = daya rotor
= Efisiensi elektrik dan mekanik
Gambar 2.11 Kurva hubungan Tip-speed ratio terhadap Rotor power coefficient
(CPR) pada berbagai jenis turbin angin. (Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)
2.8 Generator
Untuk menghasilkan energi listrik dari putaran turbin, perangkat turbin
angin harus menggunakan generator. Generator adalah alat yang digunakan untuk
menghasilkan energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menjadikan medan
magnet yang ada disekitar konduktor mengalami fluktuasi atau perubahan,
sehingga timbul tegangan listrik. Magnet yang berputar disebut rotor dan
konduktor yang diam disebut stator.
Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi 2 jenis, yaitu
magnet tetap, sifat kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Untuk
membangkitkan listrik dengan generator ini, dilakukan dengan memutar poros
generator supaya menyebabkan fluktuasi magnet dan dihasilkan tegangan listrik.
Untuk generator magnet sementara sifat kemagnetannya mudah hilang. Sifat
medan magnet yang terjadi pada generator ini dihasilkan dengan induksi. Untuk
membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus listrik ketika kumparan
magnetnya berputar.
Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi 2, yaitu generator
arus bolak balik (AC) dan generator arus searah (DC). Generator arus bolak balik
(AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak balik dan bila dihubungkan
dengan beban akan menimbulkan arus bolak balik pula. Generator AC dapat
menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung pada spesifikasi rotor
itu sendiri.
Pada generator arus searah (DC) terdapat rectifier yang berfungsi untuk
mengubah arus AC menjadi DC. Generator ini menghasilkan tegangan yang
arahnya tetap dan bila dihubungkan dengan beban, akan menimbulkan arus searah
pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada
putaran yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini
memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran.
Pada penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah
generator AC dengan menggunakan magnet permanen. Generator jenis ini disebut
juga Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat menghasilkan daya dan
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Proses pembuatan turbin angin tipe Darrieus-H dilakukan dengan cara
manual (handmade). Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai,
pengujian turbin angin dapat dilakukan. Proses penelitian dilakukan di
Laboratorium Proses Produksi dan lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
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
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
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
0 135 44.476 68155.78 3.886 0.654 1.233 -0.421 -1.660
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
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
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.
3.3 Pelaksanaan Penelitian
3.3.1 Tahap Persiapan
Pada tahap ini, penulis melakukan persiapan sebelum melakukan penelitian.
Adapun persiapan yang dilakukan yaitu:
1. Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4, dan 5 sudu. Tiap variasi sudu
divariasikan sudut pitch ( ) 00,20,40,60,80,100, dan 120.
2. Melakukan inspeksi pada setiap objek penelitian dan alat pengujian,
apakah alat dapat berfungsi sesuai dengan fungsinya.
3. Menjalankan fan untuk menentukan titik dimana kecepatan angin sesuai
dengan data kecepatan angin untuk pengujian.
4. Menempatkan turbin angin pada titik dimana kecepatan angin sesuai
dengan rencana dan diposisikan sejajar dengan fan.
5. Melihat kondisi lingkungan apakah kondisi pengujian dapat dilakukan
untuk mendapatkan hasil yang optimal.
3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data
Setelah kelima poin tahap persiapan di atas terpenuhi, pengujian dan pengambilan
data dapat dilakukan. Tahap – tahap pengujian dan pengambilan data meliputi:
1. Turbin angin dengan tiga sudu yang siap uji ditempatkan pada titik angin
yang telah ditentukan sebelumnya.
2. Disiapkan fan ditempat dudukannya (base fan) dan dipastikan aman.
3. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu
sesuai kecepatan angin pengujian.
4. Setelah putaran rotor turbin kelihatan stabil, pengambilan data dapat
dilakukan yaitu membaca angka nominal yang tertera pada alat ukur. Pada
pengujian pertama dilakukan tanpa menggunakan beban. Adapun data
yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros
rotor turbin/putaran poros generator. Setelah pengambilan data dilakukan
semua alat di-off-kan untuk menghindari hal – hal tidak diinginkan, seperti
5. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan
beban. Beban yang digunakan adalah beban lampu sebesar 3, 5, dan 10
watt. Pada saat pengujian dengan beban dicatat arus listrik dan tegangan
listrik yang terbaca pada alat ukur.
6. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan pembacaan nilai
pada alat ukur sebanyak 10 kali untuk mendapatkan data pengujian yang
lebih maksimal dan diambil rata – rata karena fluktuasi yang terjadi pada
saat pembacaan pengukuran.
7. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk
selanjutnya dengan variasi jumlah sudu, sudut pitch ( ), dan beban.
Gambar 3.9 Prosedur Pengujian
Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan
kesimpulan sementara pada saat keadaan bagaimanakah jumlah sudu dan sudut
serang sudu yang lebih efektif dalam memanfaatkan potensi angin yang ada.
Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan
3.4 Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.11 Diagram alir penelitian MULAI
STUDI LITERATUR
PENGAMBILAN DATA ANGIN
PEMBUATAN ALAT UJI
PENGUJIAN ALAT
PENELITIAN DAN PENGAMBILAN DATA
ANALISIS DATA
PEMBAHASAN
KESIMPULAN
BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengujian
4.1.1 Pengukuran kecepatan angin
Pengambilan data kecepatan angin diukur pada zona dimana aliran angin
belum terganggu akibat putaran turbin (free stream zone). Pada daerah ini angin
mengalir dengan kecepatan aliran bebas (free stream velocity). Pada pengujian
turbin angin ini, pengukuran kecepatan angin dilakukan pada:
x (1.35 r )+ r (http://www.windynation.com)
dimana:
x = jarak pengukuran dari pusat turbin (m)
r = radius turbin (m)
x 1.35(0.75) + 0.75 1.0125 + 0.75 = 1.7625m 1.75 m
Metode pengukuran kecepatan angin dilakukan dengan cara mengukur
kecepatan angin di berbagai titik antara kipas dengan turbin seperti gambar
dibawah.
Tabel.4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik
Titik V (m/s)
V1 V2 V3 Vave
0 13.02 13.15 12.83 13.00
1 9.55 9.70 9.38 9.54
2 7.73 7.87 7.82 7.81
3 6.67 6.48 6.46 6.54
4 5.23 4.97 5.13 5.11
4.a 4.42 4.57 4.64 4.54 4.70
4.b 4.37 4.51 4.48 4.45
5 4.85 4.57 4.45 4.62
5.a 4.35 4.40 4.38 4.38 4.41
5.b 4.41 4.12 4.15 4.23
6 4.38 4.32 4.45 4.38
6.a 3.55 3.46 3.56 3.52
6.b 3.83 3.88 3.92 3.88 3.85
6.c 3.90 3.87 3.85 3.87
6.d 3.52 3.58 3.61 3.57
7 2.35 2.41 2.36 2.37
7.a 1.95 2.02 1.97 1.98
7.b 2.21 2.16 2.13 2.17 2.12
7.c 2.15 2.10 2.13 2.13
7.d 1.98 1.90 2.05 1.98
Data kecepatan yang diambil adalah data kecepatan angin rata-rata pada
tititk 6, 6a, 6b, 6c, 6d yaitu:
V = 3.85 m/s
Dasar kami menggunakan kipas untuk menciptakan angin buatan adalah
supaya kami mendapatkan kecepatan angin yang konstan pada saat pengujian
sehingga mempermudah kami dalam pengujian.
Berikut ini merupakan perbandingan daya angin teoritis dengan hasil
pengukuran berdasarkan kecepatan angin diatas.
Hasil perhitungan dibuat dalam tabel berikut:
Tabel. 4.2 Hasil teoritis
V (m/s) A (m2) (kg/m3) P (W)
Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum
(0) V (Volt) I (A) P (W) Pt (W) Pa (W) (%)
pembebanan 10 Watt. Dari perbandingan data tersebut dapat dilihat bahwa hasil
Hasil teoritis
teoritis mendekati dengan hasil pengukuran, sehingga kecepatan angin yang
digunakan adalah kecepatan angin v = 3,85 m/s.
4.1.2 Data pengujian tanpa beban
Tabel.4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu
(0)
3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU
Vave (V)
nave (rpm)
Vave (V)
nave (rpm)
Vave (V)