Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu Naca 0012 Dan Analisa Perbandingan Efisiensi Menggunakan Variasi Jumlah Sudu Dan Sudut Pitch

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA

PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

EKAWIRA K NAPITUPULU NIM. 080401061

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H.

Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam

mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 60

(3)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena

atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini

dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan

Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi,

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Proses pembuatan objek penelitian 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 selaku dosen pembimbing,

yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi

kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Tekad Sitepu dan Tulus B Sitorus ST, MT selaku dosen penguji

yang memberikan masukan kepada penulis.

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang

telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama

penulis kuliah.

5. Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan

bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian.

6. Kedua orang tua penulis, J. Napitupulu dan R. br Purba yang sangat berjasa

memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah

putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak

(4)

7. Rekan-rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Libert Sijabat yang telah

bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang telah mendukung dan memberi

semangat kepada penulis.

Mungkin masih ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan

skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang

hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini.

Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata

Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, 6 September 2013

(5)

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ...i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 1

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Energi Angin ………... 4

2.1.1 Kondisi angin….. ... 4

2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan…... 5

2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah…... 6

2.2 Potensi Angin di Indonesia…... 6

2.3 Turbin Angin ... 8

2.3.1 Jenis-jenis turbin angin... 9

2.3.2 Teori elemen momentum Betz... 10

2.4 Turbin Angin Darrieus... 14

2.4.1 Airfoil………... 14

2.4.2 Turbin angin Darrieus-H... 16

2.4.3 Sudut serang dan sudut pitch... 18

(6)

2.5.1 Generator…..……... 22

2.5.2 Sistem penyimpanan energi listrik... 23

BAB III METODE PENELITIAN ... 25

3.1Tempat Penelitian ... 25

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 25

3.2.1 Objek penelitian……... 25

3.2.2 Alat penelitian……... 29

3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 33

3.3.1 Tahap persiapan ... 33

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ... 33

3.4 Diagram Alir Penelitian ... 35

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 36

4.1Hasil Pengujian ... 36

4.1.1 Pengukuaran kecepatan angin………... 36

4.1.2 Data pengujian tanpa beban………... 37

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt ………... 38

4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt …………... 38

4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt …………... 38

4.2 Analisis Data ... 39

4.2.1 Perhitungan daya Aangin ... 39

4.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 39

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ... 40

4.3 Perbandingan turbin angin Savonius dengan Darrieus-H... 49

4.4 Mengapa prototipe turbin Darrieus-H ini kurang efisien?... 50

4.5 Usaha dan tantangan untuk meningkatkan efisiensi turbin angin Darrieus-H... 51

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 53

5.1 Kesimpulan ... 53

5.2 Saran……... 53

DAFTAR PUSTAKA... 55

(7)

L2. Skema pengujian ………... 72

L3. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 73

L4. Data kecepatan angin di Indonesia…... 74

L5. Data kecepatan angin Sumut tahun 2011... 75

L6. Koordinat airfoil NACA 0012…. ... 76

L7. Nilai ekonomis berbagai sumber daya... 77

L8. Taksasi biaya………... 78

(8)

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 for 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

L gaya lift, N

m massa, kg

aliran massa, kg/s putaran, 1/s

n koefisien kekasaran permukaan tanah

N jumlah sudu

daya angin, J/s

Pa daya angin, J/s

(9)

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

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia………... 7

Gambar 2.2 Pengelompokan turbin angin... 9

Gambar 2.3 Pemodelan aliran Betz………... 10

Gambar 2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan... 13

Gambar 2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz…... 13

Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu………... 14

Gambar 2.7 Nomenklatur airfoil………. ... 15

Gambar 2.8 Contoh airfoil……… ... 16

Gambar 2.9 Gaya-gaya aeodinamik pada sudu turbin... 17

Gambar 2.10 Sudu turbin pada beberapa kondisi sudut…... 18

Gambar 2.11 Arah sudut pitch………... 19

Gambar 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi TSR, sudut azimuth dan sudut pitch.………... 20

Gambar 2.13 Perubahan sudut serang………... 21

Gambar 2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai………... 24

Gambar 3.1 Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin... 26

Gambar 3.2 Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu... 28

Gambar 3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012... 29

Gambar 3.4 Anemometer dan Tachometer….….... 30

Gambar 3.5 Multimeter…….... 31

Gambar 3.6 Busur derajat………... 31

Gambar 3.7 Motor penggerak fan………... 32

Gambar 3.8 Permanent magnet generator (PMG)………... 32

Gambar 3.9 Prosedur pengujian………... 34

Gambar 3.10 Diagram alir penelitian………... 35

Gambar 4.1 Pengukuran kecepatan angin………... 36

Gambar 4.2 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah……….…………... 44

(11)

Gambar 4.4 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

tiga buah………...………... 45 Gambar 4.5 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

empat buah……….………... 45 Gambar 4.6 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu

empat buah……….………... 46 Gambar 4.7 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

empat buah………..………... 46 Gambar 4.8 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima

buah………... 47 Gambar 4.9 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu lima

buah……….………... 47 Gambar 4.10 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kondisi angin………... 4

Tabel 2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah………….5

Tabel 2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah... 6

Tabel 2.4 Potensi energi terbarukan di Indonesia... 7

Tabel 2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang... 8

Tabel 3.1 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H... 28

Tabel 3.2 Spesifikasi sudu………... 28

Tabel 3.3 Spesifikasi anemometer……. ... 29

Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……….. ... 30

Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik... 37

Tabel 4.2 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu…... 37

Tabel 4.3 Data pengujian beban3 Watt……... 38

Tabel 4.4 Data pengujian beban 5 Watt..…... 38

Tabel 4.5 Data pengujian beban 10 Watt..…... 38

Tabel 4.6 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt... 41

Tabel 4.15 Perhitungan turbin angin Savonius…... 49

Tabel 4.16 Perhitungan turbin angin Darrieus-H... 49

Tabel 4.17 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dan Darrieus... 50

Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban... 60

Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 61

(13)

Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 73

Tabel L.14 Relatif rata-rata Kec.Angin Sumut... 75

Tabel L.15 Koordinat airfoil NACA 0012……... 76

Tabel L.16 Nilai ekonomis berbagai sumber energi... 77

(14)

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H.

Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam

mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 60

(15)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Di Indonesia terdapat beberapa sumber energi terbarukan seperti energi air,

matahari, angin, dan geothermal. Khususnya energi angin masih sangat sedikit

pemanfaatanya yaitu dengan kapasitas terpasang 0.5 MW dari jumlah yang

tersedia 9.29 GW di seluruh Indoesia (DESDM,2005). Dilihat dari data angin

untuk daerah tertentu khusunya daerah – daerah pesisir di Indonesia, bahwa

daerah tersebut memiliki kapasitas angin yang cukup besar dan memungkinkan

untuk dikembangkan pembangkit listrik tenaga bayu/angin (PLTB).

Dari data kecepatan angin pada Lampiran IV, dapat dilihat bahwa potensi

angin di Indonesia dapat dikembangkan khususnya untuk Indonesia bagian Timur

yang memiliki potensi angin yang lebih besar. Ini menunjukkan bahwa

pemanfaatan energi angin di daerah timur Indonesia sangat mungkin untuk

dikembangkan untuk skala mikro dan skala mini. Hal ini mendorong penulis

untuk membuat turbin angin skala kecil serta melakukan serangkaian pengujian

performansi turbin angin tersebut.

Prototipe turbin angin yang dibuat akan diuji performansinya pada

kecepatan angin 3,85 m/s. Hal yang mendasari pemilihan kecepatan angin ini

adalah karena penulis mengharapkan turbin angin ini nantinya dapat diaplikasikan

di daerah Kamanggih, Kab. Sumba Timur NTT dengan kecepatan angin rata-rata

tahunan 3,80 m/s seperti pada Lampiran IV.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah:

1. Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap performansi turbin

angin.

(16)

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah

1.3.1 Rumusan masalah

Sebelum penulis melakukan penelitian ini, terlebih dahulu penulis

merumuskan permasalahan tersebut dalam bentuk pernyataan berikut :

1. Pengaruh jumlah sudu terhadap performansi turbin angin.

Tip speed ratio optimal bergantung pada jumlah sudu turbin. Biasanya

turbin yang mempunyai sudu yang lebih sedikit akan berputar lebih cepat

dan mengekstrak energi angin dengan lebih maksimal (M.Ragheb, 2011)

2. Pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin.

Gaya liftyang dihasilkan sudu merupakan fungsi dari sudut serang (α) dan

sudut serang tergantung pada sudut pitch(φ), sudut azimuthsudu (θ) dan

tip speed ratio(λ).

1.3.2 Batasan masalah

Ruang lingkup penelitian turbin angin tipe Darrieus-H ini adalah sebagai

berikut:

1. Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H:

Diameter rotor : 1,5 m

Tinggi rotor : 1,5 m

Profil sudu : NACA 0012

Chord : 0.3 m

2. Variasi dalam pengujian adalah:

Jumlah sudu : 3, 4, 5

Sudut pitch(φ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12

3. Kecepatan angin : 3.85 m/s

Tempat : Lt. IV Departemen Teknik Mesin USU

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari:

1. Aspek akademis, penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah

Mekanika Fluida, Mesin Konversi Energi, sehingga dengan dilakukannya

(17)

mengembangkan pola pikir tentang pemanfaatan energi angin dengan

menggunakan turbin angin sehingga timbul gagasan yang lebih baik.

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, dan sebagainya.

1.5 Sistematika Penulisan

Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan

sebagai berikut:

BAB I. PENDAHULUAN

Berisi tentang hal – hal yang melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis

sehingga melakukan suatu penelitian.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tentang teori – teori pendukung untuk melakukan pendekatan – pendekatan

teoritis dalam menganalisis data hasil pengujian.

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

Berisi tentang metode penelitian, alat-alat yang digunakan dan spesifikasi

prototipe turbin angin Darrieus-H

BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA

Berisikan data hasil pengukuran daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin.

Kemudian dilakukan analisa data pengukuran untuk memperoleh efisiensi.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Merupakan jawaban dari tujuan penelitian.

1.6 Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data yang dilakukan penulis untuk mendukung

keberhasilan penelitian ini adalah:

1. Studi literatur dan studi lapangan

2. Survei alat dan bahan yang akan digunakan

(18)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Angin

Energi angin berasal dari matahari melalui reaksi fusi nuklir hidrogen (H)

menjadi helium (He) pada inti matahari. Reaksi ini menimbulkan panas dan

radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ke segala arah. Meskipun hanya

sebagian kecil dari radiasi ini yang diterima oleh bumi, tetapi hampir

menyediakan seluruh kebutuhan energi di bumi. Total energi matahari yang

diterima oleh bumi diperkirakan sekitar 1,8 x 1011 MW. Hanya 2% (3,9 x 109 MW)

yang dikonversikan menjadi energi angin. Dan sekitar 35% energi angin ini

dihamburkan pada ketinggian 1000m dari permukaan bumi. Oleh karena itu,

energi angin yang tersedia hanya sekitar 1,26 x 109 MW. (Wei Tong, 2010)

Angin timbul akibat sirkulasi di atmosfer yang dipengaruhi oleh aktivitas

matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Dengan demikian, daerah

khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di

daerah kutub, atau dengan kata lain, suhu udara di daerah khatulistiwa akan lebih

tinggi dibandingkan dengan suhu udara di daerah kutub. Perbedaan suhu dan

tekanan udara inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara.

Pergerakan udara inilah yang didefinisikan sebagai angin.

2.1.1 Kondisi angin

Dahulu sebelum ada alat pengukur kecepatan angin, angin ditaksir dengan

skala kekuatan angin yang dikemukakan oleh Beaufort dan disebut menjadi skala

Beaufort. Kondisi kecepatan angin dibagi menurut kelas angin seperti pada tabel

berikut.

Tabel.2.1 Kondisi angin

Kelas Angin

V (m/s) V (km/jam) V (knot/jam)

(19)

4 5,5 - 7,9 19,6 - 28,5 10,7 - 15,4 5 8,0 - 10,7 28,6 - 38,5 15,6 - 20,8 6 10,8 - 13,8 38,6 - 49,7 21 - 26,8 7 13,9 - 17,1 49,8 - 61,5 27 - 33,3 8 17,2 - 20,7 61,6 - 74,5 33,5 - 40,3 9 20,8 - 24,4 74,6 - 87,9 40,5 - 47,5 10 24,5 - 28,4 88,0 -102,3 47,7 - 55,3 11 28,5 - 32,6 102,3 - 117,0 55,4 -63,4 12 > 32,6 > 118 > 63,4

Sumber: nugrohoadi.wordpress.com

Tabel.2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah

Kelas angin

V (m/s) Kondisi alam di daratan

1 0,00 - 0,02 ---

2 0,3 - 1,5 angin tenang, asap lurus ke atas 3 1,6 - 3,3 asap bergerak mengikuti angin

4 3,4 - 5,4 wajah terasa dingin, daun-daun bergoyang pelan,

petunjuk arah angin bergerak

5 5,5 - 7,8 debu jalan, kertas beterbangan,

ranting pohon bergoyang

6 8,0 - 10,7 ranting pohon bergoyang, bendera berkibar 7 10,8 - 13,8 ranting pohon besar bergoyang,

air plumpang berombak kecil

8 13,9 - 17,1 ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga 9 17,2 - 20,7 jalan berat melawan arah angin

10 20,8 - 24,4 dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh 11 24,5 - 28,4 dapat merubuhkan rumah, menimbulkan kerusakan 12 28,5 - 32,6 menimbulkan kerusakan parah

13 > 32,6 tornado

Sumber: nugrohoadi.wordpress.com

2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan

Energi kinetik yang terkandung dalam udara yang bergerak dengan

kecepatan v dapat dihitung dari persaman berikut,

Ek = ½ mv2

dimana m adalah massa udara. Daya angin dapat diperoleh dengan

(20)

P = dEk / dt

P = ½ v2= ½ ρAv3 (W) (2.1)

dimana pada persamaan diatas dapat kita lihat bahwa energi angin (P ; Watt)

bergantung terhadap faktor-faktor seperti aliran massa udara ( ; kg/s), kecepatan

angin (v ; m/s), densitas udara (ρ ; kg/m3), dan luas permukaan area efektif turbin

(A ; m2 ).

2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah

Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh ketinggiannya dari permukaan

tanah. Semakin mendekati permukaan tanah, kecepatan angin semakin rendah

karena adanya gesekan antara permukaan tanah dengan angin. Berikut adalah

rumus menghitung kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya dan jenis

permukaan tanah di sekitarnya.

V = V1 (Z/Z1)1/n (2.2)

V = kecepatan angin pada ketinggian Z

V1 = kecepatan angin pada ketinggian Z1

n = nilai n dipengaruhi oleh permukaan tanah

Tabel.2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah

Jenis pemukaan tanah n 1/n

padang rumput datar 7,0 - 10,0 0,10 - 0,14 pesisir pantai 7,0 - 10,0 0,10 - 0,14 sawah dan perkebunan 4,0 - 6,0 0,17 - 0,25 daerah perkotaan 2,0 - 4,0 0,25 - 0,50

Sumber: indone5ia.wordpress.com

2.2 Potensi Angin di Indonesia

Sumberdaya energi angin suatu lokasi sangat ditentukan oleh besarnya

rata-rata kecepatan angin di lokasi tersebut karena daya yang dapat dibangkitkan

energi angin merupakan kelipatan pangkat tiga (kubik) dari kecepatan angin.

Sumberdaya energi angin dikategorikan mulai dari kelas 1 (kecepatan angin

(21)

dari 7 m/s pada ketinggian 10 m). Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai

wilayah, sumberdaya energi angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/s 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. Wilayah yang mempunyai potensi

angin cukup besar adalah Nusa Tenggara, Sumatera Selatan, Jambi dan Riau. Saat

ini pemanfaatan energi angin untuk pembangkit listrik masih terbatas pada pilot

projects dengan kapasitas terpasang sekitar 500 kW. Berdasarkan data kecepatan

angin Indonesia yang relatif rendah, aplikasi tenaga angin Indonesia sesuai untuk

pengembangan dengan skema Pembangkit Skala Kecil tersebar dengan kapasitas

maksimum sekitar 100 kW per turbin (Indonesia Energy Outlook, 2010).

Tabel.2.4 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

Keterangan: BOE = Barrel Oil Equivalent Sumber: DESDM, 2005

(22)

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.

Kecepatan angin umumnya berkisar antara 5 – 15 knots (9 – 27 km/jam).

Kecepatan angin ≥15 knot (≥27 km/jam):

- Samudera Hindia sebelah barat Sumatera

- Samudera Pasifik Timur Filippina

- Samudera Hindia Selatan Jawa hingga Nusa 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 IV. Dari

data kecepatan angin ini memungkinkan untuk mengembangkan pembangkit

listrik tenaga angin berskala kecil di Indonesia. Berikut ini merupakan data

potensi energi terbarukan di Indonesia.

Tabel.2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang

No Negara Kapasitas total (MW) (akhir tahun 2012)

1 China 75,564

2 United States 60,007

3 Germany 31,332

4 Spain 22,796

5 India 19,051

6 United Kingdom 8,445

7 Italy 8,144

8 France 7,196

9 Canada 6,200

10 Portugal 4,525

Lainnya 39,852

Total 282,482

Sumber: Global Wind Statistic, 2012

2.3 Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu yang berputar untuk

mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi

mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti menggerakkan pompa

(23)

menggerakkan generator yang menghasilkan energi listrik, maka turbin ini disebut

wind generator atau wind energy converter (WEC).

2.3.1 Jenis-jenis turbin angin

Turbin angin dapat digolongkan berdasarkan prinsip aerodinamika yang

bekerja pada rotornya, yaitu:

- Jenis drag, memanfaatkan selisih koefisien drag pada sudu

- Jenis lift, memanfaatkan gaya lift yang terjadi pada sudu akibat aliran

udara

Berdasarkan letak sumbu porosnya, turbin angin dapat dibedakan menjadi dua kelompok.

- Turbin angin sumbu horizontal (TASH) - Turbin angin sumbu vertikal (TASV)

TASH

Turbin angin satu sudu (single bladed)

Turbin angin dua sudu (double bladed)

Turbin angin tiga sudu (three bladed)

Turbin angin bersudu banyak (multi bladed)

Berdasarkan jumlah sudu

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin

Upwind : rotor menghadap arah datangnya angin

Downwind : rotor membelakangi arah datangnya angin

TASV

Turbin angin Savonius

Turbin angin Darrieus

Sudu lurus

Sudu lengkung

Darrieus (Eggbeater)

Darrieus-H (giromill)

(24)

2.3.2 Teori elemen momentum Betz

Energi kinetik udara dengan massa m yang bergerak dengan kecepatan v

dirumuskan dengan:

E = ½ m v2 (N.m) (2.3)

Dengan menganggap bahwa udara ini melewati suatu saluran dengan luas

penampang A dengan kecepatan v, maka volume udara yang melewati saluran

dalam satu satuan waktu dinyatakan dengan:

Q = vA (m3/s) (2.4)

dan laju aliran massa udara dengan kerapatan ρ:

= ρAv (kg/s) (2.5)

Energi yang terkandung di dalam massa udara yang bergerak ini dinyatakan dengan:

P = ½ ρAv3

(W) (2.6)

Pertanyaannya adalah berapa banyak energi yang dapat diekstrak dari

energi udara yang bergerak ini oleh turbin. Energi kinetik udara ini akan diubah

menjadi energi mekanis, dengan catatan laju aliran massa udara yang melewati

turbin ini tidak berubah. Artinya, variabel yang berubah adalah kecepatan udara

saat meninggalkan turbin ini.

Gambar.2.3 Pemodelan aliran Betz (Erich Hau,2006)

(25)

ρv1A1= ρv2A2 (2.7)

Selisih energi angin di titik (1) dengan titik (2) dapat dituliskan dengan:

P = ½ ρ A1 v13–½ ρ A2 v23= ½ ρ (A1 v13– A2 v23) (2.8)

Dengan memasukkan persamaan (2.3)

P = ½ ρ A1 v1 (v12– v22) atau

P = ½ (v12– v22) (W) (2.9)

Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa energi yang di ekstrak akan

maksimum jika v2 = 0 ,artinya udara di belakang turbin tidak bergerak. Jika

kecepatan udara di belakang turbin tidak bergerak maka udara di depan turbin

juga tidak akan bergerak dan tidak ada aliran.

Dari hukum konservasi momentum, besarya gaya udara yang mendesak

turbin dituliskan dengan:

F = ma

F = m dV/dt = m Δv F = ρAv (v1– v2)

F = (v1– v2) (N) (2.10)

Berdasarkan hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi sama dengan gaya

reaksi, gaya F ini mendapat reaksi dari turbin dengan besar yang sama dan

meneruskannya ke aliran udara sehingga mengurangi kecepatan aliran. Akibat

gaya reaksi ini, kecepatan aliran turun menjadi v’. Daya yang dibutuhkan untuk ini

adalah:

P = F v’ = (v1– v2) v’ (W)

Dengan demikian, daya mekanis yang diekstrak dari udara dapat diperoleh dari

perubahan energi udara sebelum dan setelah melewati turbin.

½ (v12– v22) = (v1– v2) v’

v’ = ½ (v1 + v2) (m/s) (2.11)

(26)

v’ = (v1 + v2) /2 (m/s) (2.12)

laju aliran udara menjadi:

= ρAv’_{= ½ ρA (v}

1 + v2) (kg/s) (2.13)

sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan:

P = ¼ ρA (v12– v22) (v1 + v2) (W) (2.14)

Daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang tersedia di dalam udara,

Po= ½ ρAv3 (W)

maka diperoleh koefisien performansi turbin:

Cp = P/Po =

(2.15)

Cp = (2.16)

Koefisien performansi ini merupakan rasio antara energi yang terkandung

di dalam udara dengan energi yang dapat diekstrak dari udara tersebut. Oleh

karena itu, Cp bergantung pada rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah

melewati turbin.

Gambar dibawah merupakan plot hasil iterasi Cp dengan memvariasikan

rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah meninggalkan turbin (v2/v1). Dari hasil

plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada v2/v1 =

1/3 sehingga diperoleh:

(27)

Gambar.2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan (Erich Hau, 2006)

Gambar.2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz (Erich Hau, 2006)

Gambar diatas menunjukan variasi kecepatan aliran dan tekanan statik.

Saat udara mendekati turbin, udara terhambat sehingga kecepatannya berkurang

(28)

Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini

disebut dengan Betz limit.

Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada

rasio kecepatan v2/v1 = 1/3 maka kecepatan aliran tepat di depan turbin,

v’ = 2/3 v1 (2.17)

dan kecepatan udara setelah melewati turbin,

v2 = 1/3 v1 (2.18)

2.4 Turbin angin Darrieus

Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin sumbu

horizontal dengan bentuk melengkung (troposkien: tali yang berputar, bahasa

Yunani). Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges J.M

Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus merupakan turbin angin yang

menggunakan prinsip aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada

penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin. Sudu turbin ini

berbentuk airfoil.

Gambar. 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu (www.wintufel.net)

2.4.1 Airfoil

Airfoil adalah bentuk aerodinamik yang dianggap sangat efektif untuk

menghasilkan gaya angkat (lift). Sebagai contoh sebuah airfoil adalah penampang

(29)

untuk menghasilkan gaya angkat. Gaya angkat yang dihasilkan itu akan terjadi

karena gaya tekanan dibawah lebih besar daripada gaya tekanan diatas airfoil.

Sayap juga dinamai penguat gaya dorong (thrust amplifier), karena gaya angkat

yang dihasilkan dapat beberapa kali lebih besar daripada gaya tahan (drag) yang

harus diatasi oleh gaya dorong motor propulsi. Nomenklatur dan cara

menggambar airfoil dapat dilihat pada gambar dibawah.

Gambar.2.7 Nomenklatur airfoil (Arismunandar, 2000)

Garis kamber rata-rata (mean camber line) adalah tempat kedudukan dari

titik-titik tengah antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil; yaitu

tempat kedudukan titik tengah dari garis tegak lurus, pada garis kamber rata-rata

itu sendiri, yang menghubungkan permukaan atas dan permukaan bawah. Garis

kamber rata-rata menjadi ciri utama sebuah airfoil. Titik terdepan dan titik

terbelakang dari garis kamber rata-rata, berturut-turut dinamai tepi depan (leading

edge) dan tepi belakang (trailing edge). Garis korda (chord line) adalah garis lurus

yang menghubungkan tepi depan dan tepi belakang, korda (chord) adalah

panjangnya garis korda antara tepi depan dan tepi belakang. Ukuran airfoil

biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari korda c. kamber (maksimum) adalah

jarak maksimum antara garis kamber dengan garis korda, diukur pada garis tegak

lurus dari korda. Letak kamber maksimum dari tepi depan sangat penting dalam

menentukan karakteristik aerodinamika sebuah airfoil. Banyak usaha dilakukan

untuk menggeser letak kamber maksimum ke depan untuk menaikkan gaya angkat

(30)

sangat menentukan karakteristik gaya angkat dan momen airfoil. Tebal

maksimum sebuah airfoil adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan

[image:30.595.117.507.161.371.2]

permukaan bawah (Arismunandar, 2000).

Gambar.2.8 Contoh airfoil NACA 4 digit (Sumber: Dokumen Penulis)

Radius lingkaran yang melalui tepi depan merupakan ukuran ketajaman

tepi depan; biasanya 0-2% korda. Titik pusat lingkaran tersebut berada pada garis

singgung garis kamber rata-rata yang melalui tepi depan. Berdasarkan

pertimbangan tersebut maka ukuran dan bentuk airfoil dinyatakan dengan nomor

seri seperti contoh diatas.

2.4.2 Turbin angin Darrieus-H

Turbin angin Darrieus memiliki torsi rotor yang relatif rendah tetapi

putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih

diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan

energi awal yang lebih besar untuk mulai berputar. Turbin angin Darrieus

biasanya akan mulai berputar pada kecepatan angin 2,5 m/s dan dapat

menghasilkan daya pada kecepatan angin 3 m/s. Turbin angin Darrieus memiliki

sudu dengan penampang berbentuk airfoil. Efisiensi maksimum turbin angin tipe

Darrieus-H untuk saat ini masih berada pada 42 %, sedangkan turbin angin tipe

(31)

turbin angin tipe Darrieus-H jarang dipakai untuk pembangkit listrik dengan

[image:31.595.226.439.135.437.2]

kapasitas yang besar.

Gambar.2.9 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin

(Sumber: Dokumen Penulis)

Keterangan gambar:

L = gaya lift sudu (N)

D = gaya drag sudu (N)

ω = kecepatan sudut elemen sudu (rad/s)

r = radius turbin (m)

α = sudut serang sudu (0),

c = kecepatan absolut elemen sudu (resultan vektor v’ dengan u’)

c = v’{(λ + cos )2_{+ (sin )}2

}1/2 (2.19)

v’ = kecepatan angin (m/s)

u’ = kecepatan tangensial elemen sudu (m/s)

(32)

Catatan: - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c

- gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c

Turbin angin Darrieus-H menggunakan sudu berbentuk airfoil. Sudu ini

diatur sedemikian rupa dengan sudut tertentu yang disebut dengan sudut serang

(angle of attack). Sudut serang merupakan sudut antara garis referensi (garis

korda c) dengan arah aliran, sudut ini merupakan sudut serang lokal. Pada saat

turbin berputar, sudut serang sudu berubah terhadap posisi sudut ( ) sudu dan

merupakan fungsi dari tip speed ratio λ.

α = arc tan [sin / (λ + cos )] dimana, α = sudut serang (2.21)

Gambar.2.10 Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium, dan

tinggi (Sumber: Dokumen Penulis)

Besarnya sudut serang tidak boleh melebihi sudut serang kritis sudu

karena pada saat sudut serang melebihi sudut serang kritis akan terjadi stall. Stall

merupakan kondisi dimana terjadi pemisahan aliran udara diatas sudu dan timbul

gelombang (wake) udara yang tidak beraturan. Pada kondisi stall, sudu hanya

mempunyai koefisien lift yang sangat kecil.

2.4.3 Sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch

Sudut serang pada turbin Darrieus-H merupakan sudut antara garis chord

sudu dengan garis komponen kecepatan relatif. Pada turbin angin Darrieus-H ini,

besarnya sudut serang dipengaruhi oleh beberapa hal seperti, tip speed ratio, sudut

azimuth sudu, dan sudut pitch sudu. Semakin besar tip speed ratio maka sudut

serang akan semakin kecil, hal ini dapat dilihat dari persamaan di bawah ini.

(33)

dimana: λ = tip speed ratio

θ = sudut azimuth sudu

R

Menuju pusat rotasi

Menjauhi pusat rotasi (-) φ (+) φ

[image:33.595.147.471.134.518.2]

Garis Chord ω

Gambar. 2.11 Arah sudut pitch (Sumber: Dokumen Penulis)

Untuk sudut pitchφ = 0, maka nilai sudut serang tidak berubah, tetapi jika

sudut pitch φ > 0, maka sudut serang akan berubah sesuai dengan besarnya

perubahan sudut pitch.

α = {arc tan [sin / (λ + cos )]} - φ  00> θ < 1800

α = {arc tan [sin / (λ + cos )]} + φ  1800 > θ < 3600

(34)

φ

α

Garis korda (chord)

θ = 45 θ = 135

θ = 225

θ = 315 Angin

α

φ

φ φ

Komponen kecepatan angin dan kecepatan tangensial

α

[image:34.595.118.510.83.579.2]

Komponen kecepatan relatif

Gambar. 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut

(35)

Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi sudut

azimuth sudu.

[image:35.595.153.499.172.633.2]

v’ c u’ c c c c c c c v’ v’ v’ v’ v’ v’ v’ u’ u’ u’ u’ u’ u’ u’ ω θ 1 2 3 4 5 6 7 8 Angin α

Gambar.2.13 Perubahan sudut serang (Sumber: Dokumen Penulis)

Kecepatan angin V = 3.85 m/s

(36)

Radius Turbin r = 0.75 m

Kcepatan Sudut ω = 2πn/θ0= 2π.50/60 = 5.666 rad/s

Kecepatan Tangensial u’ = ω.r = (5.666)(0.75) = 4.24 m/s

Tip speed ratio λ = ω.r/v = (5.666)(0.75)/3.85 = 1.103

Untuk tiap titik diperoleh:

1. θ = 00 α = 00 c = 8.09 m/s

2. θ = 450 α = 21.370 c = 7.48 m/s

3. θ = 900 α = 42.190 c = 5.72 m/s

4. θ = 1350 α = 60.750 c = 3.17 m/s

5. θ = 1800 α = 00 c = 0.39 m/s

6. θ = 2250 α = -60.750 c = 3.17 m/s

7. θ = 2700 α = -42.190 c = 5.72 m/s

8. θ = 3150 α = -21.370 c = 7.48 m/s

2.5 Sistem Kelistrikan

2.5.1 Generator

Turbin angin yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik tentu

memerlukan generator yang berguna mengubah energi mekanik gerak rotasi rotor

menjadi energi listrik. Terdapat beberapa jenis generator yang digunakan.

Berdasarkan arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1. Generator arus searah (Direct Current - DC)

2. Generator arus bolak – balik (Alternating Current - AC)

Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan

jika dihubungkan dengan beban akan menghasilkan arus searah pula. Pada

umumnya generator arus searah dapat menghasilkan energi listrik pada putaran

tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan sistem

transmisi untuk menaikkan putaran (speed increasing).

Generator arus bolak – balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya

bolak – balik dan jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak –

balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi

(37)

Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat

menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kutub

dan kumparan dalam generator.

n = (2.22)

dimana: n : putaran (rpm)

p : jumlah kutub

f : frekuensi (Hz)

Semakin banyak jumlah kumparannya maka semakin kecil putaran minimal

dan putaran kerjanya. Jumlah kumparan merupakan kelipatan dari jumlah kutub

yang dimiliki generator.

Untuk putaran turbin yang memiliki putaran yang relatif rendah, digunakan

jenis generator magnet permanen dengan variasi jumlah kutub, semakin banyak

jumlah kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk

membangkitkan listrik dan sebaliknya. Untuk generator yang menggunakan

magnet permanen sebagai penginduksi kumparannya disebut generator magnet

permanen.

2.5.2 Penyimpanan energi listrik

Penyimpanan energi listrik pada turbin angin skala kecil biasanya

digunakan baterai penyimpan. Sistem penyimpanan baterai ini terdapat pada

turbin angin yang relatif sederhana dan ditempatkan secara tersendiri. Penggunaan

baterai ini diperuntukkan untuk meningkatkan efisiensi dan efektivitas pemakaian

energi karena sumber daya yang dihasilkan tidak tetap setiap saat atau tidak cukup

untuk melayani permintaan beban pada saat itu. Sebagai contoh, untuk

penerangan dan peralatan lainnya sering memerlukan daya pada saat angin tidak

berhembus.

Pada dasarnya sistem penyimpanan baterai merupakan pembangkit

pengisian baterai. Generator mengisi suatu baterai dengan daya DC melalui

pengatur tegangan (voltage regulator). Pengatur tegangan berfungsi untuk

menjaga baterai dari kelebihan pengisian (over charger) yang dapat merusak

baterai. Disamping itu pengatur tegangan juga membatasi tegangan pengisian dan

(38)

Inverter 12 Volt DC ke

AC

Baterai 12V Turbin

Angin

Circuit Breaker

Voltmeter DC Ground

Charger Controller

Sekring

Dump Load Digunakan untuk keperluan tertentu

[image:38.595.130.541.87.449.2]

Konverter AC ke DC

Gambar.2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai

(Sumber: Dokumen Penulis)

Jenis baterai penyimpanan biasanya menggunakan jenis baterai asam

timbal (tipe industri). Mengingat kecepatan angin berfluktuasi maka produksi

energi turbin angin bisa melebihi atau kurang dari kebutuhan. Untuk menghindari

keadaan tersebut, penggunaan baterai penyimpan tambahan dapat berguna untuk

menghindari kelebihan daya yang dibangkitkan oleh turbin angin. Dimana baterai

akan mensupplai sistem pada saat energi angin rendah dan mengisi baterai

tambahan saat energi angin melebihi kebutuhan. Jika tidak ada baterai penyimpan

tambahan, kadang kala pada sistem pembangkit tenaga angin ini dilengkapi

dengan dump load berupa resistansi pemanas yang berfungsi sebagai proteksi

terhadap beban lebih pada saat daya yang dibangkitkan turbin melebihi

(39)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian

Proses pembuatan komponen - komponen turbin angin Darrieus-H

dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik Departemen Teknik Mesin.

Sementara proses penelitian dilakukan di 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, Kab. Sumba Timur

NTT dengan kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar v = 3,85 m/s (lihat

Lampiran IV). 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

(40)

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

[image:40.595.144.477.160.419.2]

untuk turbin angin Darrieus berkisar antara 25 – 40 %.

Gambar.3.1 Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin (Erich Hau, 2006)

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.

(41)

ρ = 1.1594 kg/m3

v = 3.85 m/s

Pa = ½ ρAv3

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 (α). 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 0012 dengan panjang

chordc = 0,3 m. Sehingga soliditas (σ) turbin adalah:

σ = N c/d

c (m) D (m) Jumlah sudu (N) σ

0.3 1.5 3 0.6

0.3 1.5 4 0.8

0.3 1.5 5 1

Berikut ini adalah spesifikasi bagian-bagian utama alat uji turbin angin

(42)

a) Rotor, merupakan elemen utama turbin angin yang berfungsi mengekstrak

energi angin menjadi energi mekanis.

Tabel.3.1 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

[image:42.595.138.487.218.562.2]

5 Jumlah sudu 3, 4, 5

Gambar. 3.2 Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu

b) Sudu

Tabel.3.2 Spesifikasi sudu

No Spesifikasi Keterangan

1 Profil Sudu NACA 0012

2 Chord (c) 300 mm

(43)

4 Bahan Pelat aluminium 0.3 mm

5 Jumlah sudu 3, 4 dan 5

Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012

3.2.2 Alat-alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut:

1. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur temperatur dan

kecepatan angin, dengan data teknis sebagai berikut:

Tabel.3.3 Spesifikasi anemometer

Specification Range Resolution Basic Accuracy m/s 0.6 – 30 0.01 ±3%±0.2m/s

km/h 3.6 – 108 0.1 ±3%±0.8km/h

ft/min 196 – 5900 0.1 ±3%±40ft/min

MPH 2.2 – 67 0.1 ±3%±0.4MPH

Knots 1.9 – 58 0.1 ±3%±0.4knots

Temperature

(0C / 0F)

(44)

Gambar. 3.4 Thermo-Anemometer dan Digital Tachometer

2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin

angin Darrieus-H, dengan data teknis sebagai berikut:

Type : Display 5 digital18 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

Power cunsumtion : approx 65 mA

3. Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan

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)

(45)

AC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.5% + 5d)

Resistance Ω 326, 3.26K, 32.6K, 326K,

3.26M, 32.6M

± (2.0% + 4d)

[image:45.595.128.537.78.443.2]

Frequency Hz 320,3200,32K ± (1.5% + 4d)

Gambar.3.5 Multimeter

4. Busur derajat, digunakan untuk mengatur besar sudut pitch sudu turbin

angin Darrieus-H.

(46)

5. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk

menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:

Daya : 2 hp

Putaran : 1500 rpm

Tegangan : 220-240 V

Gambar.3.7 Motor penggerak fan

6. Permanent magnet generator

(47)

Tipe : Permanet magnet generator (PMG)

Cogging torque : zero cogging torque

Rpm : very low rpm (20 s/d 500 rpm)

: 0.7

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.

2. Melakukan inspeksi pada setiap objek penelitian dan alat pengujian,

apakah alat dapat berfungsi sesuai dengan fungsinya.

3. Menempatkan fan pada jarak 5 m dari turbin dan menentukan titik dimana

kecepatan angin sesuai untuk pengujian.

4. Melihat kondisi lingkungan apakah kondisi pengujian dapat dilakukan

untuk mendapatkan hasil yang optimal.

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data

Setelah keempat poin tahap persiapan di atas terpenuhi, pengujian dan

pengambilan data dapat dilakukan. Tahap – tahap pengujian dan pengambilan data

meliputi:

1. Turbin angin dengan 3, 4 atau 5 sudu yang siap uji ditempakan pada titik

angin yang telah ditentukan sebelumnya.

2. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu

sesuai kecepatan angin pengujian.

3. 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.

4. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan

(48)

5. 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.

6. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk

selanjutnya dengan variasi sudut serang, jumlah sudu, dan beban.

Mulai

Persiapan Fan

- Diatur jumlah sudu (3, 4 atau 5 buah)

- Diatur sudut pitch (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120)

- Diukur kecepatan angin fan (3,85 m/s) - Diatur pembebanan (tanpa beban dan dengan beban 3W, 5W, dan 10W)

- Diukur dan dicatat putaran pada porosturbin angin

- Diukur dan dicatat tegangan dan kuat arus listrik sampai didapatkan daya maksimum

Dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanyak 10 kali

Berhenti

[image:48.595.117.501.238.705.2]

Selesai

(49)

3.4 Diagram Alir Penelitian

MULAI

STUDI LITERATUR

PENGAMBILAN DATA ANGIN (untuk menentukan kecepatan angin pengujian)

PEMBUATAN ALAT UJI

PENGUJIAN ALAT

DAPAT DITERIMA

(berputar dengan baik dan mempunyai respon yang baik tehadap angin)

PENGAMBILAN DATA

ANALISA DATA

PEMBAHASAN

KESIMPULAN

SELESAI

Tidak

Ya

(50)

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

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.

(51)

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

[image:51.595.142.419.112.483.2]

4.1.2 Data pengujian tanpa beban

Tabel.4.2 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu

φ

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

(52)

6 32.60 84.5 30.93 80.2 29.78 77.2 8 30.11 78.3 28.40 73.7 27.27 70.7 10 26.26 68.1 24.55 63.7 23.41 60.7 12 24.67 64.0 22.90 59.4 21.77 56.5 Tegangan hasil pengukuran adalah tegangan AC (alternating current)

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt

Tabel.4.3 Data pengujian beban3 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 16.48 0.119 42.7 15.16 0.107 40.5 15.11 0.103 39.3 2 18.96 0.137 49.2 16.81 0.113 42.8 16.27 0.111 42.4 4 21.32 0.154 55.3 17.42 0.121 45.7 16.83 0.112 42.8 6 23.49 0.170 60.9 23.60 0.164 61.8 22.57 0.154 58.9 8 23.13 0.167 60.0 18.52 0.132 49.7 17.47 0.124 47.3 10 17.21 0.125 44.6 16.33 0.112 42.1 15.89 0.108 41.1 12 16.78 0.121 43.5 15.76 0.108 40.9 15.46 0.106 40.6

Tabel.4.4 Data pengujian beban 5 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 14.68 0.254 42.3 12.69 0.221 35.8 11.64 0.195 29.6 2 15.68 0.268 44.6 14.66 0.251 42.7 14.27 0.244 37.0 4 16.92 0.287 47.8 15.78 0.268 45.4 14.97 0.257 39.0 6 20.75 0.346 57.7 18.35 0.301 54.4 18.62 0.284 48.2 8 18.82 0.316 52.7 16.08 0.295 48.6 15.71 0.282 43.2 10 15.65 0.267 44.5 14.82 0.254 42.3 13.34 0.227 34.5 12 15.00 0.257 42.8 13.11 0.227 38.4 12.50 0.216 32.9

Tabel.4.5 Data pengujian beban 10 watt

φ

(0)

(53)

0 10.18 0.401 26.6 9.21 0.357 23.8 8.83 0.324 22.1 2 10.42 0.408 26.9 10.64 0.413 27.5 10.14 0.374 25.5 4 11.78 0.461 30.6 11.65 0.456 30.4 10.62 0.404 27.5 6 14.56 0.569 37.8 12.62 0.497 32.6 12.56 0.477 32.5 8 12.99 0.509 33.7 12.07 0.474 31.6 11.32 0.462 31.5 10 10.83 0.423 28.0 10.37 0.401 26.8 9.64 0.380 25.9 12 10.46 0.409 27.1 9.68 0.386 25.7 9.34 0.367 25.0

4.2 Analisa Data

4.2.1 Perhitungan daya angin (Pangin)

Kondisi angin pada saat dilakukan pengujian yaitu pada temperatur 32 0C. Sehingga massa jenis udara dapat dihitung, yaitu:

T = 320C = 305 K  ρudara = 1.1594 kg/m3

T

(K)

ρ

(kg/m3) 300 1.1774 305 1.1594 350 0.998

Kecepatan angin pada saat pengujian adalah 3,85 m/s, sehingga daya angin yang melewati luas rotor turbin menjadi:

Dturbin = 1.5 m

Hturbin = 1.5 m

A = Dturbin x Hturbin

= 1.5 x 1.5

= 2.25 m2

Pangin = ½ ρ A v3

= 0.5 (1.1594)(2.25)(3.853)

= 74.43 Watt

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio (λ)

Tip speed ratio (TSR, λ) merupakan rasio keepatan ujung rotor turbin

(54)

bilangan tanpa dimensi menunjukkan besarnya putaran turbin terhadap kecepatan

angin.

λ = ω.r/v∞  ω = 2πn/θ0

Sebagai contoh perhitungan, diambil data 3 sudu pembebanan 3 Watt pada

sudut serang 60.

n = 60.9 rpm

ω = 2π (60.9)/60

= 6.374 rad/s

λ = (6.374 x 0.75) / 3.85

= 1.24

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel.

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ( t)

Efisiensi merupakan perbandingan daya angin yang mampu diekstrak sudu

turbin yang diukur dari besarnya energi listrik yang dihasilkan generator dengan

daya angin teoritis. Efisiensi turbin merupakan keefektifan rotor turbin dalam

memanfaatkan energi kinetik angin

Daya turbin (Pturbin)= (V.I) /

Efisiensi turbin ( t) = Pturbin / Pangin

Sebagai contoh perhitungan diambil data 3 sudu pembebanan 3 Watt pada

sudut pitch 60.

Vave = 23.49 Volt

Iave = 0.17 Ampere

Pturbin = (23.49 x 0.17) / 0.7

= 5.704 Watt

(55)

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel.

Tabel.4.6 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 16.48 0.119 1.96 2.81 _74.43 _{3.77 42.7} 4.47 _0.87 2 18.96 0.137 2.60 3.72 _74.43 _{4.99 49.1} 5.14 _1.00 4 21.32 0.154 3.29 4.70 _74.43 _{6.31 55.3} 5.78 _1.13 6 23.49 0.170 3.99 5.71 _74.43 _{7.67 60.9} 6.37 _1.24 8 23.13 0.167 3.87 5.53 _74.43 _{7.43 59.9} 6.27 _1.22 10 17.21 0.125 2.14 3.06 _74.43 _{4.12 44.6} 4.67 _0.91 12 16.78 0.121 2.04 2.91 _74.43 _{3.91 43.5} 4.55 _0.89

φ

(0)

0 15.16 0.107 1.63 2.32 _74.43 _{3.12 40.4} 4.23 _0.82 2 16.81 0.113 1.91 2.72 _74.43 _{3.66 42.7} 4.48 _0.87 4 17.42 0.121 2.11 3.01 _74.43 _{4.05 45.7} 4.78 _0.93 6 23.60 0.164 3.86 5.52 _74.43 _{7.41 61.7} 6.46 _1.26 8 18.52 0.132 2.44 3.48 _74.43 _{4.68 49.6} 5.20 _1.01 10 16.33 0.112 1.82 2.60 _74.43 _{3.50 42.1} 4.41 _0.86 12 15.76 0.108 1.71 2.44 _74.43 _{3.28 40.9} 4.28 _0.83

φ

(0)

(56)

φ

(0)

0 14.68 0.254 3.73 5.32 _74.43 _7.15 42.2 _{4.43 0.86} 2 15.68 0.268 4.19 5.99 _74.43 _8.05 44.5 _{4.67 0.91} 4 16.92 0.287 4.85 6.93 _74.43 _9.31 47.7 _{5.00 0.97} 6 20.75 0.346 7.19 10.27 _{74.43 13.79} 57.7 _{6.04 1.18} 8 18.82 0.316 5.95 8.50 _{74.43 11.42} 52.7 _{5.52 1.07} 10 15.65 0.267 4.18 5.97 _74.43 _8.02 44.4 _{4.66 0.91} 12 15.00 0.257 3.85 5.50 _74.43 _7.39 42.7 _{4.48 0.87}

φ

(0)

0 14.16 0.215 3.04 4.35 _74.43 _5.84 35.8 _{3.75 0.73} 2 16.43 0.256 4.21 6.01 74.43 8.08 42.6 _{4.47 0.87} 4 17.39 0.272 4.73 6.76 _74.43 _9.08 45.3 _{4.75 0.92} 6 19.69 0.312 6.15 8.78 74.43 11.80 54.4 _{5.70 1.11} 8 17.58 0.290 5.10 7.29 _74.43 _9.79 48.6 _{5.09 0.99} 10 16.33 0.254 4.15 5.92 _74.43 _7.96 42.3 _{4.43 0.86} 12 14.62 0.230 3.37 4.81 _74.43 _6.46 38.3 _{4.02 0.78}

φ

(0)

0 11.64 0.195 2.27 3.24 _74.43 _4.36 29.6 3.10 _0.60 2 14.27 0.244 3.47 4.96 _74.43 _6.67 37.0 3.87 _0.75 4 14.97 0.257 3.84 5.49 _74.43 _7.38 39.0 4.09 _0.80 6 18.62 0.284 5.29 7.55 _{74.43 10.15} 48.2 5.04 _0.98 8 15.71 0.282 4.43 6.33 _74.43 _8.50 43.2 4.52 _0.88 10 13.34 0.227 3.02 4.32 _74.43 _5.80 34.5 3.61 _0.70 12 12.50 0.216 2.70 3.86 _74.43 _5.19 32.9 3.44 _0.67

φ

(0) Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ