Perubahan Sudut Brim Pada Wind Lens Terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro

(1)

PERUBAHAN SUDUT

BRIM

PADA

WIND LENS

TERHADAP

KINERJA TURBIN ANGIN SKALA MIKRO

DANIEL A. P. SINAGA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

(2)

(3)

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.

Bogor, Januari 2016

(4)

ABSTRAK

DANIEL A. P. SINAGA. Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro. Dibimbing oleh EDY HARTULISTIYOSO dan MUHAMAD YULIANTO.

Wind lens merupakan suatu selubung yang memiliki brim dan dipasang di sekitar turbin angin untuk meningkatkan kecepatan angin datang sehingga dapat meningkatkan daya yang dihasilkan. Tujuan penelitian ini adalah melakukan kajian pada kinerja yang dihasilkan turbin angin akibat adanya perubahan sudut brim pada wind lens. Turbin angin Jointiff WP-1 dengan diameter 36 cm telah diuji pada penelitian ini. Wind Lens dengan 3 nilai sudut brim yaitu 90°, 75°, dan 60° telah dipasang pada turbin angin secara bergantian untuk diuji. Turbin angin dan wind lens diuji pada wind tunnel. Sumber angin berasal dari axial fan. Daya keluaran dan kecepatan putar rotor turbin angin diukur oleh energy monitor Jointiff EM-1. Range kecepatan angin sumber pada pengujian adalah 2.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Nilai rata-rata power coefficient (Cw) yang dihasilkan oleh turbin angin tanpa wind

lens mencapai 0.062. Secara berturut-turut, Cw yang dicapai akibat pemasangan

wind lens dengan sudut brim 90°, 75°, dan 60° adalah 0.095, 0.104, dan 0.130. Hasil eksperimen telah menunjukkan adanya peningkatan kinerja turbin angin akibat pemasangan wind lens dengan sudut brim 90°, 75°, dan 60°.

Kata kunci: power coefficient, turbin angin, wind lens, wind tunnel

ABSTRACT

DANIEL A. P. SINAGA. Modification of Brim Angle in Wind Lens for Micro Wind Turbine Performance. Supervised by EDY HARTULISTIYOSO and MUHAMAD YULIANTO.

Wind lens is a shroud that is assembled around wind turbine to increase wind speed so that the power of wind turbine can be increased. The purpose of this research is to investigate the wind turbine performance by changing the brim angle in wind lens. Jointiff WP-1 wind turbine was tested. The rotor diameter is 36 cm. There were 3 values of brim angle that is 90°, 75°, and 60°. Wind lens with these 3 kinds of brim angle was assembled on wind turbine and tested in wind tunnel. Output power and rotational speed of rotor was measured by energy monitor EM-1. Wind speed from axial fan was ranged in 2.6 m s-1 to 5.5 m s-1. Average power coefficient (Cw) by wind turbine without shroud was 0.062. Power coefficient (Cw)

of wind turbine with 90° brimmed wind lens, 75° brimmed wind lens, and 60° brimmed wind lens was 0.095, 0.104, and 0.130 respectively. The experimental result showed that the performance of wind turbine had increased after installing 90°, 75°, and 60° brimmed wind lens.

(5)

PERUBAHAN SUDUT

BRIM

PADA

WIND LENS

TERHADAP

KINERJA TURBIN ANGIN SKALA MIKRO

DANIEL A. P. SINAGA

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada

Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

(6)

(7)

Judul Skripsi : Perubahan Sudut Brim _padaWind Lens _{terhadap neja}

Turbin Angin Skala Mikro

Nama NIM

: Daniel A. P. Sinaga : F14110114

Disetujui oleh

,

Dr Ir Edy ulistiyoso, MScAgr

Pembimbing I

Tanggal Lulus: 2 2 JAN 2016

(8)

PRAKATA

Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas berkat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul

“Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro”. Penelitian ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian.

Skripsi ini tersusun atas bimbingan dan kerjasama dari berbagai pihak selama penulisan. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Dr. Ir. Edy Hartulistiyoso, MScAgr, dan Dr. M. Yulianto, ST, MT, selaku dosen pembimbing akademik atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.

2. Dr. Slamet Widodo, STP, MSc sebagai dosen penguji yang telah memberikan banyak masukan.

3. Ir. Sri Endah Agustina, MSi, selaku Kepala Divisi Teknik Energi Terbarukan, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, IPB.

4. Dr. Ir. I Wayan Astika, MSi, selaku Koordinator Mayor Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang telah memberikan bimbingan dan pembekalan dalam penyusunan proposal ini.

5. Dr. Leopold O. Nelwan, S.TP, M.Si yang sudah memberi arahan dan dukungan materiil pada penelitian ini.

6. Pak Harto yang telah berperan membantu proses penelitian.

7. Ayah, ibu, adik-adik dan teman-teman TMB 48 yang telah banyak mendukung penulis selama penelitian.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa yang penulis buat masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat memerlukan kritik serta saran yang membangun demi penyempurnaan penelitian dan demi peningkatan pengetahuan agar menjadi lebih pesat. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkannya.

Bogor, Januari 2016

(9)

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL iv

DAFTAR GAMBAR iv DAFTAR LAMPIRAN v PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 2 Ruang Lingkup Penelitian 3 TINJAUAN PUSTAKA 3 Turbin Angin 3 Wind Lens 4 Diffuser pada Turbin Angin 5

Brim pada Wind Lens 6 Pembentukan Vortex 7

METODE 8 Waktu dan Tempat 8 Alat dan Bahan 8 Prosedur Penelitian 9

HASIL DAN PEMBAHASAN 16 Kinerja Turbin Angin 16

Power Coefficient dan Tip Speed Ratio 21

SIMPULAN DAN SARAN 24

Simpulan 24

Saran 25

DAFTAR PUSTAKA 25 LAMPIRAN 27

DAFTAR TABEL

1 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 90° 20

2 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 75° 21 3 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 60° 21 4 Nilai TSR rata-rata dan Cw rata-rata pada range kecepatan angin pengujian 22

DAFTAR GAMBAR

1 Jenis turbin angin aksis horizontal dan turbin angin aksis vertikal 3

2 Wind lens buatan Yuji Ohya pada turbin angin 4

(10)

4 Diffuser dengan tipe compact-brimmed 6

5 Aplikasi brim pada wind lens 6

6 Sketsa pembentukan vortex oleh brim pada wind lens 7

7 Pola aliran angin pada suatu benda padat 8

8 Turbin angin WindPitch WP-1 9

9 Energy Monitor EM-1 9

10 Diagram alir pelaksanaan penelitian 10 11 Skema turbin angin yang dilengkapi dengan diffuser dan brim 10 12 Sketsa sudut brim pada masing-masing wind lens 12

13 Wind lens pada penelitian ini 12

14 Experimental set-up saat pengujian kinerja turbin angin 13 15 Pengujian kinerja turbin angin pada wind tunnel 13 16 Grafik TSR terhadap Cw pada penelitian Ohya et al. 15

17 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range

kecepatan angin sumber 2.7 m s-1_{sampai dengan 3.4 m s}-1 ₁₆

18 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range

kecepatan angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1 17 19 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range

kecepatan angin sumber 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1 17 20 Perubahan daya axial fan terhadap perubahan daya turbin angin dengan

brim 75° pada kecepatan angin 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1 18 21 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan

angin sumber 2.7 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1 19 22 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan

angin sumber 3.4 m s-1_{sampai dengan 4.2 m s}-1₁₉

23 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan

angin sumber 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1 19 24 Daya yang dihasilkan turbin angin pada kecepatan angin sumber 20

25 Kecepatan angin sumber terhadap Cw 22

26 Nilai TSR terhadap Cw 23

27 Kurva TSR terhadap power coefficient pada beberapa jenis turbin angin 24

DAFTAR LAMPIRAN

1 Bagian turbin angin WP-1 28

2 Power resistor 20 W, 47 ohm 28

3 Brim 90° yang dipasang pada wind lens 29

4 Brim 75° yang dipasang pada wind lens 29 5 Brim 60° yang dibuat pada penelitian ini 29 6 Data pengukuran saat pengujian kinerja turbin angin 30 7 Grafik fluktuasi daya input axial fan terhadap daya keluaran turbin angin

saat pengujian 34

8 Tabel TSR dan power coefficient (Cw) setiap pengujian turbin angin 38

9 Contoh perhitungan nilai TSR 39

10 Contoh perhitungan nilai Cw 39

11 Hasil uji beda nyata daya turbin angin di setiap perlakuan 40

(11)

13 Wind lens dengan sudut brim 75° 42

(12)

(13)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Ketersediaan energi merupakan hal yang sangat penting bagi segala kegiatan di dunia ini. Sumber energi berupa bahan bakar fosil yang semakin langka mengakibatkan munculnya berbagai teknologi energi alternatif. Sumber energi alternatif dapat berasal dari surya, angin, air, dan biomassa.

Kebutuhan akan energi yang terus meningkat menjadi perhatian khusus bagi setiap negara. Peningkatan kebutuhan akan energi menimbulkan masalah terhadap ketersediaan energi suatu negara. Oleh karena itu pengembangan teknologi untuk energi alternatif terus dilakukan.

Salah satu teknologi energi alternatif adalah pembangkit listrik tenaga angin. Energi kinetik dari angin dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu turbin angin hingga diubah menjadi energi listrik. Angin yang dimanfaatkan sebagai suatu pembangkit merupakan suatu pengembangan energi alternatif yang terbarukan dan ramah lingkungan.

Aplikasi pembangkit listrik tenaga angin sudah banyak dilakukan di Indonesia. Kapasitas pembangkit listrik tenaga angin per tahun yang sudah terpasang di Indonesia pada tahun 2012 sebesar 1.962 MW (DJEBTKE 2014). Kecepatan angin yang rendah di Indonesia menjadi salah satu kendala dalam pemanfaatan energi angin ini karena daya yang dihasilkan proporsional dengan pangkat tiga dari kecepatan angin. Pada ketinggian 30 meter di daerah Sulawesi Selatan , kecepatan angin berkisar 2 m s-1 sampai dengan 4 m s-1. Namun pada daerah tertentu seperti Takalar dan Bulukumba kecepatan angin didapat lebih dari 4 m s-1 (DESDM 2011).

Wind Lens dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan angin yang akan dimanfaatkan oleh turbin angin sehingga daya yang dihasilkan juga meningkat. Wind Lens merupakan suatu komponen yang berbentuk diffuser dengan tambahan flange (brim) yang dipasang menutupi atau melingkupi turbin angin. Wind lens merupakan suatu konsep untuk meningkatkan kecepatan angin dengan cara menangkap dan mengonsentrasikan angin lokal dalam suatu mekanisme yang disebut dengan wind-lens effect (Ohya et al. 2008).

Brim merupakan salah satu komponen dari wind lens yang berbentuk cincin dan terletak pada bagian outlet. Brim berguna untuk menciptakan vortex di belakang wind lens suatu turbin angin. Vortex berbentuk pusaran angin yang menciptakan suatu area bertekanan lebih rendah di belakang wind lens atau turbin angin. Area yang memiliki tekanan lebih rendah ini mengakibatkan peningkatan kecepatan angin yang bisa memutar blade pada kincir sehingga terjadi peningkatan daya yang dihasilkan.

(14)

2

inlet. Kinerja turbin dan tip-speed ratio semakin meningkat dengan naiknya nilai rasio panjang diffuser terhadap diameter inlet (Ohya dan Karasudani 2010). Ohya dan Karasudani (2010) juga melakukan optimasi terhadap bentuk wind lens yang memiliki diffuser panjang. Panjang diffuser diperkecil hingga berbentuk compact dengan turbin angin sehingga mudah diaplikasikan untuk wind turbine dalamskala besar. Pada penelitian tersebut, simulasi juga dilakukan untuk melihat adanya vortex yang terbentuk di belakang brim.

Brim yang berbentuk cincin tersebut merupakan suatu penghalang bagi angin datang untuk menghasilkan vortex di belakang brim. Penghalang ini memungkinkan adanya turbulensi yang bisa menghalangi angin datang sehingga kecepatan angin menuju kincir (blade) berkurang. Oleh karena itu, peneliti melakukan pengujian terhadap kinerja turbin angin dengan melakukan perubahan sudut brim yang mampu mengurangi halangan terhadap angin datang.

Perumusan Masalah

Daya yang dihasilkan pada turbin angin proporsional dengan pangkat tiga dari kecepatan angin yang datang untuk memutar blade. Usaha peningkatan kecepatan angin untuk memutar blade pada turbin angin dapat dilakukan dengan menambahkan komponen berbentuk nozzle atau diffuser. Tipe nozzle memiliki diameter inlet yang lebih besar daripada diameter outlet sehingga dapat menurunkan kecepatan angin di awal atau di daerah inlet lalu mempercepat kecepatan angin di bagian outlet sedangkan tipe diffuser memiliki diameter inlet yang lebih kecil daripada diameter outlet sehingga dapat meningkatkan kecepatan angin pada daerah inlet atau daerah masuknya angin. Wind lens yang digunakan merupakan komponen berbentuk diffuser dengan tambahan brim yang berbentuk seperti cincin .

Brim (flange) terletak pada bagian outlet dari wind lens tersebut. Brim yang terletak di bagian belakang dapat menciptakan area pusaran angin yang disebut vortex. Vortex menyebabkan area di belakang wind lens memiliki tekanan yang lebih rendah daripada area di depan sehingga dapat meningkatkan kecepatan angin pada daerah inlet.

Adanya brim memungkinkan terjadinya turbulensi angin yang dapat menghalangi dan mengurangi kecepatan angin datang. Perubahan sudut brim diharapkan mampu meningkatkan kinerja dari turbin angin.

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Melakukan kajian pada nilai kecepatan angin lokal akibat adanya pemasangan wind lens dengan sudut brim yang berbeda di sekitar turbin angin.

2. Melakukan kajian pada daya yang dihasilkan turbin angin akibat adanya perubahan sudut brim pada wind lens yang dipasang di sekitar turbin angin. 3. Melakukan kajian pada nilai power coefficient ataupun efisiensi turbin angin

(15)

3

Ruang Lingkup Penelitian

Beberapa batasan-batasan terhadap masalah yang akan diteliti yaitu :

1. Turbin angin yang digunakan adalah turbin angin aksis horizontal skala mikro (laboratorium).

2. Wind lens yang dibuat adalah diffuser berbentuk compact yang mengacu pada hasil penelitian Ohya dan Karasudani (2010).

3. Sumber angin berasal dari axial fan dengan kecepatan angin yang sesuai dengan rata-rata kecepatan angin di Indonesia. Kecepatan angin berada pada rentang 3 m s-1 sampai dengan 5 m s-1.

4. Perubahan sudut dilakukan pada bagian brim yaitu sudut 90°, 75°, dan 60°. 5. Efek perpindahan panas akibat aliran fluida dalam wind lens diabaikan. 6. Pengaruh kekerasan permukaan pada dinding wind lens diabaikan.

TINJAUAN PUSTAKA

Turbin Angin

Turbin angin merupakan suatu alat yang mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi listrik. Namun tidak seluruh energi angin yang datang dapat dikonversi menjadi energi listrik. Hukum Betz menyatakan bahwa energi maksimum yang dapat dikonversi adalah sekitar 59% dari total energi kinetik angin (De Vries 1983).

Komponen-komponen utama turbin angin adalah generator, d, rotor, dan menara. Sudu atau blade berputar akibat adanya energi kinetik dari angin menuju blade tersebut. Perputaran blade mengakibatkan perputaran pada rotor lalu energi mekanik dari rotor diubah oleh generator untuk menghasilkan listrik.

Gambar 1 Jenis turbin angin aksis horizontal (HAWT) dan turbin angin aksis vertikal (VAWT) (Morthorst et al. 2002)

(16)

4

tegak lurus dengan arah datangnya angin. Sementara itu pada tipe aksis vertikal, rotor berputar sejajar dengan arah datang angin. Contohnya adalah tipe savonius dan darrius.

Model yang dikembangkan pada turbin angin didasarkan pada pemodelan aerodinamik. Pemodelan aerodinamik digunakan untuk menentukan tinggi menara optimum, sistem kontrol, jumlah blade, dan bentuk blade (Goudarzi 2013).

Daya yang bisa dihasilkan oleh energi angin dapat dihitung dengan pendekatan energi kinetik angin dan laju massa angin. Energi kinetik angin dapat dihitung dengan rumus berikut.

�� = × �

Massa dan kecepatan angin dinyatakan dalam huruf dan �. Laju aliran massa yang melalui turbin angin dapat dinyatakan dala persamaan berikut.

̇ = � × � ×

Luas penangkap udara dan massa jenis udara masing-masing dinyatakan dalam � dan . Satuan dari laju aliran massa ( ̇) adalah kilogram/detik. Sehingga didapat daya teoritis turbin angin dengan persamaan berikut.

� = � × × �

Daya teoritis dinyatakan dengan huruf P. Daya teoritis merupakan hasil perkalian dari luas tangkap angin, massa jenis udara, dan kecepatan angin.

Wind Lens

Wind lens merupakan suatu komponen untuk meningkatkan kecepatan angin dengan cara menangkap dan mengonsentrasikan angin lokal dalam suatu mekanisme yang disebut dengan wind-lens effect (Ohya et al. 2008).

(17)

5

untuk turbin angin mampu meningkatkan daya 4 kali lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tanpa wind lens (Ohya et al. 2008).

Gambar 3 Tipe selubung berdasarkan struktur rongga (Ohya et al. 2008) Ada 3 jenis struktur rongga pada selubung turbin angin, yaitu tipe nozzle, tipe cylindrical, dan tipe diffuser (Ohya et al. 2008). Dilihat dari Gambar 3, masing-masing tipe memiliki perbedaan rasio antara diameter inlet dan diameter outlet. Tipe nozzle memiliki diameter inlet yang lebih besar daripada outlet sehingga kecepatan angin menurun di inlet lalu semakin kencang pada bagian outlet. Tipe diffuser memiliki diameter outlet yang lebih besar daripada diameter inlet sehingga kecepatan angin sudah ditingkatkan di inlet. Wind lens pada penelitian ini merupakan komponen yang menyelubungi turbin angin dengan bentuk diffuser. Diffuser yang dibuat memiliki brim yang dapat menciptakan vortex pada bagian belakangnya.

Diffuser pada Turbin Angin

Gilbert dan Foreman (1983) pernah melakukan penelitian tentang diffuser untuk peningkatan kinerja turbin angin. Pemasangan diffuser dilakukan pada model turbin angin dan diuji secara eksperimental. Penelitian tersebut tidak begitu menarik perhatian pada masa itu. Setelah semakin berkembangnya aplikasi-aplikasi dalam analisis numerik maupun simulasi-simulasi, penelitian terhadap peningkatan kinerja turbin angin juga semakin banyak dan semakin berkembang.

(18)

6

penambahan diffuser pada turbin angin mampu meningkatkan daya hingga 56% lebih tinggi daripada turbin angin tanpa selubung.

Namun, pemakaian diffuser yang panjang akan sangat menyulitkan untuk diaplikasikan dalam skala besar atau diaplikasikan pada turbin angin di lapangan. Oleh karena itu, Ohya dan Karasudani (2010) juga melakukan penelitian pada diffuser tipe compact. Ukuran panjang diffuser lebih kecil dan besarnya menyelimuti turbin angin saja. Skema wind lens atau diffuser tipe compact dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 4 Diffuser dengan tipe compact-brimmed (Ohya dan Karasudani 2010) Ohya dan Karasudani (2010) melakukan pengujian terhadap diffuser tipe compact dengan beberapa jenis rasio dimensi. Ohya dan Karasudani (2010) mengkategorikan tipe compact dengan Lt (panjang diffuser) sama dengan 0.1D sampai dengan 0.4D. Beberapa rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser pada pengujian Ohya dan Karasudani (2010) ditentukan dengan h/D lebih kecil dari 0.2. Hasil dari pengujian Ohya dan Karasudani (2010) menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan oleh turbin angin setelah pemasangan compact-brimmed diffuser meningkat hingga 1.9 sampai 2.4 kali dibandingkan dengan daya yang dihasilkan turbin angin tanpa wind lens.

Brim pada Wind Lens

Brim berada pada bagian pinggiran di belakang diffuser. Brim berbentuk cincin dan dapat diaplikasikan di bagian belakang wind lens.

(19)

7

Brim digunakan untuk menghasilkan pusaran angin yang disebut vortex pada bagian belakang wind lens.

Gambar 6 Sketsa pembentukan vortex oleh brim pada wind lens (Ohya dan Karasudani 2010)

Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa adanya brim dapat menahan aliran angin datang sehingga terbentuk pusaran angin di belakang brim yang terdapat pada wind lens. Pusaran angin atau yang disebut dengan vortex menciptakan suatu area dengan tekanan yang rendah. Tekanan yang rendah pada area belakang wind lens akan mengakibatkan peningkatan kecepatan angin pada inletwind lens tersebut sehingga diharapkan bahwa daya yang dihasilkan turbin angin semakin meningkat.

Tinggi brim dapat mempengaruhi kinerja turbin angin. Ohya et al. (2008) melakukan pengujian pada rasio tinggi brim dengan diameter diffuser terhadap kinerja turbin angin. Rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser (rasio h/D) yang paling efektif dalam peningkatan kinerja turbin angin adalah sebesar 0.25 untuk diffuser yang panjang (Ohya et al. 2008).

Simulasi terhadap diffuser dengan perubahan sudut brim (flange) telah dilakukan pada penelitian Kale et al. (2014). Kale et al. (2014) melakukan simulasi CFD terhadap diffuser tipe compact-brimmed yang mengacu pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010). Hasil simulasi CFD menunjukkan adanya peningkatan kecepatan angin dari 9.6 m s-1_{menjadi 10 m s}-1_{akibat perubahan sudut}_brim_hingga

perubahan kemiringan sebesar 10° dari brim tegak (sudut 90°) .

Pembentukan Vortex

Vortex merupakan pusaran angin yang terbentuk di sekitar suatu benda akibat adanya benda yang menghalangi aliran suatu fluida dengan kecepatan tertentu (Sakamoto dan Haniu 1990). Pada wind lens pembentukan vortex berguna untuk menciptakan area dengan tekanan rendah sehingga kecepatan angin pada daerah inlet bisa meningkat.

(20)

8

suatu plat datar diletakkan tegak lurus terhadap suatu aliran maka vortex akan terbentuk sejajar dengan sisi plat tersebut (Ohya et al. 1986).

Pada penelitian Peterka et al. (1985) telah didapatkan pola aliran rata-rata dan vortex pada suatu benda. Dengan pemberian asap (smoke flow) dan analisis kinematik, didapat aliran-aliran seperti pada Gambar 7 .

Gambar 7 Pola aliran angin pada suatu benda padat (Peterka et al. 1985) Peterka et al. (1985) menyatakan bahwa vortex bisa terbentuk akibat adanya turbulensi angin. Vortex bisa terbentuk di depan maupun di belakang benda. Vortex yang terbentuk di depan benda dapat mengakibatkan turbulensi dan menciptakan vortex atau menciptakan adanya aliran balik (Peterka et al. 1985).

Pada wind lens, pembentukan vortex mengakibatkan adanya daerah yang bertekanan rendah di belakang brim sehingga kecepatan angin dapat ditingkatkan. Namun, ada kemungkinan bahwa angin yang cepat juga menciptakan terjadinya vortex pada bagian depan brim yang bisa menghalangi kecepatan angin datang.

METODE

Waktu dan Tempat

Pelaksanaan kegiatan tugas akhir dilaksanakan pada bulan Mei 2015 sampai dengan bulan Oktober 2015. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Lapang Siswadhi Soeparjo, Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian.

Alat dan Bahan

Ada 3 komponen utama yang dibutuhkan pada penelitian ini. Komponen-komponen tersebut adalah turbin angin, wind tunnel, dan wind lens.

(21)

9

Gambar 8 Turbin angin Wind Pitch WP-1

Alat-alat yang digunakan pada proses pembuatan wind tunnel dan dudukannya adalah peralatan perbengkelan. Bahan-bahan yang digunakan adalah plat besi dengan ketebalan 2 mm, besi hollow 2×2 mm, kawat kassa, fiber, kabel ties, sealant, dan isolasi. Wind tunnel dilengkapi dengan axial fan merk CKE tipe DSF-D20/1 sebagai sumber angin. Axial fan tersebut memiliki daya maksimum 350 W pada kecepatan putar 1400 rpm. Alat yang digunakan pada pembuatan wind lens merupakan peralatan bengkel. Bahan-bahan yang digunakan untuk membuat wind lens adalah plat besi dengan ketebalan 2 mm dan plat hollow.

Alat-alat yang digunakan pada pengujian adalah speed control Nankai 8A, energy monitor EM-1 Jointiff, anemometer, stopwatch, wattmeter dan power resistor dengan nilai hambatan sebesar 47 Ω dan daya maksimum sebesar 20 W yang dipasang pada papan sirkuit. Bentuk power resistor dapat dilihat pada Lampiran 2. Bentuk dari energy monitor dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 9 Energy monitor EM-1

Prosedur Penelitian

(22)

10

Penentuan dimensi diffuser dan brim

Gambar 10 Diagram alir pelaksanaan penelitian Penentuan Dimensi Diffuser dan Brim

Ohya dan Karasudani (2010) telah mendapatkan rasio-rasio dimensi dari diffuser tipe compact yang menghasilkan kinerja optimum untuk turbin angin. Peneliti mengikuti rasio dimensi tersebut dalam penentuan dimensi wind lens yang dibuat. Sketsa dengan simbol dimensi wind lens dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11 Skema turbin angin yang dilengkapi dengan diffuser dan brim (flange) (Ohya dan Karasudani 2010)

Gambar 11 menyatakan sketsa dan simbol dimensi dari penelitian Ohya dan Karasudani (2010) yang akan dipakai pada penelitian ini. D merupakan diameter inlet diffuser, L merupakan panjang dari diffuser, h merupakan tinggi dari brim, dan simbol α merupakan sudut brim.

Mulai

Pembuatan wind lens

Uji kinerja

Pengolahan dan analisis data

(23)

11

Pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010), ditentukan diameter inlet diffuser (D) sebesar 70 cm dengan diameter kincir atau rotor blade sebesar 60 cm. Pada penelitian Ohya (2010), diffuser tipe compact memiliki panjang diffuser sebesar 0.1D sampai dengan 0.4D. Tinggi brim yang dipakai sebesar 0.1D sampai dengan 0.2D. Rasio tersebut ditentukan berdasarkan uji eksperimental yang telah dilakukan terhadap berberapa ukuran diffuser.

Pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) telah ditentukan nilai-nilai dimensi wind lens tipe compact. Penelitian Toshimitsu et al. (2012) juga mengacu pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010). Pada penelitian Toshimitsu et al. (2012), ditentukan D sebesar 200 cm dengan L sebesar 27 cm. Dengan demikian didapat rasio L/D sebesar 0.13. Tinggi brim pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) adalah sebesar 20 cm sehingga didapat rasio h/D sebesar 0.1. Diameter outletdiffuser pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) adalah sebesar 226 cm yang berarti diameter outlet sama dengan 1.1D.

Dimensi wind lens pada penelitian ini mengacu pada rasio-rasio yang didapat pada penelitian Toshimitsu et al. (2012). Turbin angin yang digunakan pada penelitian ini merupakan turbin angin merk Jointiff. Spesifikasi turbin telah dinyatakan pada bab metode, yaitu pada bagian alat. Diameter rotor atau kincir yang digunakan pada penelitian ini adalah 36 cm. Diameter inlet diffuser yang akan dipakai pada penelitian ini adalah 37 cm. Dimensi wind lens pada penelitian ini mengikuti rasio yang didapat pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) dan harus lebih kecil dari ukuran wind tunnel. Wind tunnel memiliki diameter sebesar 60 cm. Panjang diffuser (L) yang dipakai pada penelitian ini adalah sebesar 4.8 cm yang berarti rasio panjang diffuser terhadap diameter inlet (L/D) adalah sebesar 0.13. Rasio tersebut masih berada di range diffuser tipe compact. Diameter outletdiffuser pada penelitian ini adalah sebesar 42.6 cm yang berarti rasio diameter outlet terhadap diameter inlet sama dengan 1.1.Tinggi brim sebesar 3.7 cm. Tinggi brim sama dengan 0.1D, yang masih berada di kisaran tinggi brim optimum pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010).

(24)

12

Gambar 12 Sketsa sudut brim pada masing-masing rancangan wind lens Pembuatan Wind Lens

Diffuser dan brim dibuat di bengkel dengan bahan berupa plat besi 2 mm dan plat hollow. Untuk penelitian ini dibuat 3 brim masing-masing dengan sudut (α) berbeda yaitu 90º, 75º, dan 60º namun memiliki ketinggian yang sama. Brim dibuat secara terpisah dan dapat disambungkan atau dilepaskan ke diffuser. Brim disambungkan ke diffuser dengan las titik. Brim yang dibuat untuk wind lens pada penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 3, Lampiran 4, dan Lampiran 5. Bentuk wind lens yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 13.

(25)

13

Uji Kinerja

Dari atas, set-up pengujian pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 14.

Gambar 14 Experimental set-up saat pengujian kinerja turbin angin

Pengujian wind lens dilakukan pada wind tunnel yang sudah dilengkapi dengan axial fan. Alat-alat pengujian disusun sesuai dengan penomoran pada Gambar 14. Power resistor berfungsi sebagai beban untuk turbin angin yang menghasilkan daya. Energy monitor berada di dekat turbin angin dan terhubung dengan turbin angin untuk mengukur daya keluaran dalam satuan watt serta kecepatan putar rotor dalam satuan rpm. Sumber angin pada pengujian ini berasal dari axial fan. Wattmeter memiliki fungsi untuk menunjukkan nilai daya yang dibutuhkan oleh axial fan untuk menghasilkan kecepatan angin tertentu. Dimmer atau speed control berfungsi untuk mengatur kecepatan angin dari axial fan.

Gambar 15 Pengujian kinerja turbin angin pada wind tunnel

(26)

14

pada penelitian ini yaitu 3 m s-1_{, 4 m s}-1_{, dan}_{5 m s}-1_{. Daya}_{axial fan}_{pada wattmeter}

dicatat untuk setiap kecepatan angin pengujian agar bisa dijadikan acuan untuk melakukan pengujian berikutnya.

Setelah kecepatan angin dengan nilai daya axial fan pada wattmeter diketahui, turbin angin diuji di dalam wind tunnel. Turbin angin diuji pada kecepatan yang diinginkan yaitu 3 m s-1, 4 m s-1, dan5 m s-1 berdasarkan nilai daya axial fan pada wattmeter. Kecepatan rotor (rpm) dan daya yang dihasilkan turbin angin diukur oleh energy monitor EM-1. Nilai kecepatan rotor dan daya yang dihasilkan turbin diukur di setiap kecepatan angin sumber. Pengukuran dilakukan setiap 3 menit selama setengah jam pada suatu nilai kecepatan angin. Nilai daya axial fan pada wattmeter dicatat di setiap waktu pengujian agar menjadi acuan untuk mengukur nilai kecepatan angin sumber.

Setelah itu, turbin angin yang sudah dipasang dengan wind lens diuji. Pada pengujian turbin angin dengan wind lens,kecepatan angin sumber yang diinginkan sama dengan pengujian tanpa wind lens yaitu 3 m s-1_{, 4 m s}-1_{, dan 5 m s}-1_._Energy

monitor dipakai untuk mengukur putaran rotor dan daya yang dihasilkan oleh turbin angin. Pengukuran dilakukan setiap 3 menit selama setengah jam pada masing-masing kecepatan angin. Setelah pengukuran dengan satu wind lens selesai, pengukuran akan dilanjutkan pada wind lens dengan sudut brim yang berbeda dengan rentang pengukuran waktu yang sama yaitu setiap 3 menit selama setengah jam. Di setiap waktu pengujian, nilai daya axial fan pada wattmeter dicatat untuk dijadikan acuan nilai kecepatan angin sumber.

Setelah setiap pengujian turbin angin yang memakai wind lens dengan sudut brim tertentu dilakukan, kecepatan angin akibat adanya wind lens diukur dengan anemometer. Kecepatan angin setelah wind lens diukur pada saat nilai daya axial fan di wattmeter menunjukkan nilai yang sama dengan saat pengujian turbin angin dengan wind lens. Hal ini dilakukan untuk mengetahui adanya peningkatan kecepatan angin akibat penggunaan wind lens.

Pada saat pengujian, nilai daya input axial fan (daya listrik) yang terukur oleh wattmeter memiliki nilai yang sangat fluktuatif sehingga kecepatan putar axial fan juga fluktuatif. Kecepatan putar axial fan yang fluktuatif mengakibatkan kecepatan angin sumber yang fluktuatif juga. Oleh karena itu, kecepatan angin sumber pada penelitian ini memiliki range tertentu. Range kecepatan angin pengujian untuk kecepatan 3 m s-1_{, 4 m s}-1_{, dan 5 m s}-1_{yaitu 2.6 m s}-1_{sampai dengan}

3.4 m s-1, 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1, dan 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Pengolahan dan Analisis Data

Setelah dilakukan pengujian, data-data yang dikumpulkan selama penelitian dianalisis. Data daya yang dihasilkan turbin angin selama pengujian dibuat menjadi grafik daya turbin terhadap waktu pengujian.

Untuk mengetahui perbedaan kinerja turbin angin, maka dibuat suatu grafik daya terhadap kecepatan angin sumber pada masing-masing diffuser serta turbin angin tanpa wind lens. Dari grafik tersebut dapat dilihat adanya peningkatan daya akibat adanya perubahan sudut brim pada wind lens.

(27)

15

menunjukkan adanya peningkatan efisiensi pada turbin angin setelah dipasang diffuser.

Nilai daya telah diukur oleh energy monitor. Sementara itu, power coefficient (�_�)dihitung dengan persamaan berikut.

�� = _{. × × � × �}P

P merupakan daya terukur yang dihasilkan oleh turbin angin, � merupakan luas area rotasional kincir (blade) dalam satuan meter, � merupakan kecepatan angin dalam satuan meter/detik, dan ρ merupakan massa jenis udara dalam satuan kilogram/meter .

Tip-speed ratio dihitung dengan persamaan berikut.

TSR =� × �_�

Dengan,

ω = × ×

Kecepatan putar rotor (rpm) dinyatakan dalam . Jari-jari rotor dinyatakan dalam �, dan kecepatan angin aktual dinyatakan dalam �. Kecepatan angin aktual adalah kecepatan angin yang mengenai blade atau kecepatan angin sumber.

Setelah nilai power coefficient dan TSR dari turbin angin tanpa wind lens dan turbin angin dengan masing-masing nilai sudut brim didapat, maka grafik kinerja dari masing-masing jenis dapat disatukan dan dapat dilihat perbedaannya. Grafik tersebut merupakan grafik TSR terhadap ��. Contoh grafik tip-speed ratio yang sudah didapatkan pada penelitian Ohya et al. (2008) dapat dilihat pada Gambar 16.

(28)

16

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kinerja Turbin Angin

Kinerja turbin angin telah diukur pada 4 kondisi. Pada kondisi pertama, kinerja turbin angin diukur tanpa menggunakan wind lens atau hanya pengukuran kinerja turbin angin saja. Pada kondisi kedua, kinerja turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 90° diukur. Pada kondisi ketiga, kinerja turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 75° diukur. Pada kondisi keempat, pengukuran kinerja dilakukan pada turbin angin yang memakai diffuser dengan sudut brim 60°.

Pengukuran dilakukan untuk mendapatkan nilai daya yang dihasilkan turbin angin. Turbin angin diuji pada rentang waktu dan range kecepatan angin tertentu. Pengukuran dilakukan setiap 3 menit selama 30 menit untuk setiap kondisi dan pada setiap range kecepatan angin yang sama. Range kecepatan angin pada penelitian ini adalah 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1, 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1, dan 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Daya yang dihasilkan oleh turbin angin pada waktu pengujian dapat dilihat pada Gambar 17, Gambar 18, dan Gambar 19.

Gambar 17 menunjukkan daya yang dihasilkan oleh 4 kondisi yaitu turbin angin saja, turbin angin yang dipasang diffuser dengan sudut brim 90°, turbin angin dengan sudut brim 75°, dan turbin angin dengan sudut brim 60° namun diuji pada range kecepatan angin yang sama yaitu 2.6 m s-1_{sampai dengan 3.4 m s}-1_{. Gambar}

18 menunjukkan daya yang dihasilkan oleh 4 kondisi turbin angin pada waktu pengujian dalam range kecepatan angin 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1. Gambar 19 menunjukkan daya yang dihasilkan 4 kondisi turbin angin dalam range kecepatan angin 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Nilai-nilai pengukuran daya, kecepatan angin, dan kecepatan rotor selama pengujian dapat dilihat pada tabel di Lampiran 6.

Gambar 17 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 5 10 15 20 25 30 35

D

aya

Outp

u

t

turb

in

(

W)

Waktu (menit)

(29)

17

Gambar 18 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1

Gambar 19 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1

Dari grafik-grafik pada Gambar 17, Gambar 18, dan Gambar 19, dapat dilihat bahwa daya keluaran turbin angin yang paling tinggi hingga yang paling rendah secara berturut-turut dihasilkan oleh turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 60°, turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 75°, turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 90°, dan turbin angin tanpa diffuser. Hal ini menunjukkan bahwa wind-lens effect terjadi

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0 5 10 15 20 25 30 35

D aya o u tpu t turb in ( W) Waktu (menit)

Turbin saja Diffuser (Brim 90) Diffuser (Brim 75) Diffuser (Brim 60)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 5 10 15 20 25 30 35

D aya o u tpu t turb in ( W) Waktu (menit)

(30)

18

akibat penambahan wind lens dengan menggunakan brim. Hasil tersebut juga menunjukkan bahwa pemasangan brim dengan sudut yang lebih miring hingga 60° menciptakan peningkatan daya yang dihasilkan oleh turbin angin. Uji beda nyata tiap perlakuan dapat dilihat pada Lampiran 11.

Nilai daya keluaran turbin angin yang fluktuatif diakibatkan oleh kecepatan angin sumber yang fluktuatif. Daya listrik sumber yang dialirkan ke axial fan tidak stabil sehingga kecepatan angin sumber yang dihasilkan juga fluktuatif. Perubahan daya input axial fan yang mengakibatkan tidak stabilnya daya yang dihasilkan oleh turbin angin dideskripsikan pada Gambar 20.

Gambar 20 Perubahan daya axial fan terhadap perubahan daya turbin angin dengan brim 75° pada kecepatan angin 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1

Gambar 20 menunjukkan bahwa terjadi fluktuasi daya input pada axial fan pada pengujian turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 75°. Fluktuasi daya input turbin pada pengujian dengan kondisi yang lain dapat dilihat pada Lampiran 7. Semakin meningkatnya daya input axial fan mengakibatkan meningkatnya daya output dari turbin angin dan juga sebaliknya, saat daya input axial fan menurun, daya output turbin angin juga menurun. Peningkatan atau penurunan daya yang dihasilkan oleh turbin angin ini disebabkan oleh kecepatan angin sumber yang fluktuatif. Daya input axial fan yang fluktuatif tersebut mengakibatkan kecepatan angin yang fluktuatif juga. Kecepatan angin yang tidak stabil selama pengujian di setiap range kecepatan angin sumber ditunjukkan pada Gambar 21, Gambar 22, dan Gambar 23.

317 327 337 347 357 367 0.6 0.65 0.7 0.75

0 5 10 15 20 25 30 35

D aya in p u t a xi a l fa n (W) D aya o u tpu t turb in (W ) Waktu (menit)

(31)

19

Gambar 21 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1

Gambar 22 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 3.4 m s-1_{sampai dengan 4.2 m s}-1

Gambar 23 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan angin sumber 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6

0 5 10 15 20 25 30 35

Ke ce p atan an g in s u mb e r (m s -1) Waktu (menit)

Turbin saja Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75) Diffuser (Brim 60)

2 2.5 3 3.5 4 4.5

0 5 10 15 20 25 30 35

Ke ce p atan an g in s u mb e r (m s -1) Waktu (menit)

Diffuser (Brim 75) Diffuser (Brim 60)

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0 5 10 15 20 25 30 35

Ke ce p ata n an g in s u mb e r (m s -1) Waktu (menit)

(32)

20

Untuk mengetahui peningkatan daya oleh kecepatan angin sumber, maka dibuatlah grafik kecepatan angin selama pengujian dalam 4 kondisi turbin angin terhadap daya output turbin. Data kecepatan angin diurutkan dari nilai yang terendah ke nilai yang tertinggi agar dapat dilihat pola peningkatan daya turbin angin. Grafik tersebut dapat dilihat pada Gambar 24.

Gambar 24 Daya yang dihasilkan turbin angin pada kecepatan angin sumber Dari Gambar 24 dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan turbin angin meningkat seiring dengan peningkatan kecepatan angin sumber. Kecepatan angin sumber pada penelitian ini terbatas yaitu pada rentang 2.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Maka perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menambah rentang kecepatan angin hingga ke nilai yang lebih tinggi sehingga karakter atau pola dari daya turbin terhadap kecepatan angin dapat diketahui lebih jelas. Namun, penelitian ini telah menunjukkan bahwa ada peningkatan daya yang dihasilkan oleh turbin setelah dipasangkan dengan diffuser dan ada peningkatan daya turbin akibat perubahan sudut brim dari 90° ke 60°. Peningkatan rata-rata daya yang dihasilkan turbin pada masing-masing nilai sudut brim ditunjukkan oleh Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3.

Tabel 1 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 90° Kecepatan

angin (m s-1₎

Daya turbin angin saja (W) Daya turbin angin dengan

diffuser (W)

Persentase peningkatan

daya (%)

2.6–3.4 0.100 0.160 60.747

3.4–4.2 0.196 0.273 38.889

4.6–5.5 0.379 0.562 48.488

Rata-rata 0.225 0.332 49.374

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 1 2 3 4 5 6

D aya o u tpu t turb in ( W)

Kecepatan angin sumber (m s-1₎

(33)

21

angin (m s-1)

diffuser (W)

daya (%)

2.6–3.4 0.100 0.178 77.869

3.4–4.2 0.196 0.325 65.278

4.6–5.5 0.379 0.685 80.773

Rata-rata 0.225 0.396 74.640

angin (m s-1₎

diffuser (W)

daya (%)

2.6–3.4 0.100 0.229 129.508

3.4–4.2 0.196 0.409 108.380

4.6–5.5 0.379 0.774 104.297

Rata-rata 0.225 0.471 114.062

Tabel 1, Tabel 2 dan, Tabel 3 menunjukkan persentase peningkatan daya turbin angin setelah dipasangkan diffuser. Dari data tersebut dapat dilihat bahwa diffuser dengan sudut brim 90° pada pengujian ini melakukan peningkatan daya turbin sekitar 1.5 kali dari daya turbin tanpa wind lens. Diffuser dengan sudut brim 75° mampu meningkatkan daya hingga 1.7 kali. Sementara itu, diffuser dengan sudut brim 60° mampu melakukan peningkatan tertinggi pada pengujian ini yaitu 2 kali lipat dari daya turbin angin tanpa wind lens. Penelitian Ohya dan Karasudani (2010) berhasil menunjukkan bahwa diffuser tipe compact buatannya melakukan peningkatan daya 1.9 sampai dengan 2.4 kali dibandingkan dengan daya turbin angin tanpa wind lens. Turbin angin yang diuji pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010) memiliki diameter sebesar 1 meter dan diuji pada kecepatan angin diatas 8 m s-1. Sementara itu, wind lens pada penelitian ini hanya mampu meningkatkan 2 kali daya turbin. Kecepatan angin yang lebih rendah pada pengujian di penelitian ini serta diameter kincir angin yang jauh lebih kecil pada penelitian ini yaitu 36 cm bisa menjadi penyebab peningkatan daya yang lebih rendah.

Power Coefficient dan Tip-Speed Ratio

Power coefficient (Cw) merupakan perbandingan antara daya yang

dihasilkan oleh turbin dengan nilai daya teoritis. Adanya peningkatan efisiensi akibat penambahan wind lens dan perubahan sudut brim pada penelitian ini dapat dilihat pada grafik kecepatan angin sumber terhadap Cw yang ditunjukkan pada

(34)

22

Gambar 25 Kecepatan angin sumber terhadap nilai Cw

Gambar 25 menunjukkan adanya peningkatan efisiensi akibat penambahan wind lens dibandingkan dengan turbin saja (tanpa wind lens) pada range kecepatan angin yang sama. Nilai power coefficient paling tinggi ditunjukkan oleh turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 60°.

Tip-speed ratio adalah perbandingan kecepatan rotor (kincir) turbin angin dengan kecepatan angin datang. Adanya peningkatan Cw dan TSR menunjukkan

peningkatan kinerja turbin itu sendiri. Nilai power coefficient (Cw) dan tip-speed

ratio (TSR) dapat dihitung dengan data-data kecepatan angin dan daya yang sudah diukur. Data Cw dan TSR setiap pengujian dapat dilihat pada Lampiran 8. Contoh

perhitungan nilai TSR dan Cw dapat dilihat pada Lampiran 9 dan Lampiran 10.

Rata-rata TSR dan Cw di setiap range kecepatan angin sumber dengan 4 jenis

kondisi turbin dapat dilihat pada Tabel 4.

Tabel 4 Nilai TSR rata-rata dan Cw rata-rata pada range kecepatan angin

pengujian Kecepatan

angin sumber

(m s-1)

Turbin saja Diffuser (Brim 90°)

Diffuser (Brim 75°)

Diffuser (Brim 60°) TSR rata-rata Cw rata-rata TSR rata-rata Cw rata-rata TSR rata-rata Cw rata-rata TSR rata-rata Cw rata-rata 2.6–3.4 3.393 0.057 4.244 0.095 4.426 0.104 4.790 0.130 3.4–4.2 3.704 0.062 4.220 0.079 4.660 0.095 5.016 0.114 4.6–5.5 3.861 0.049 4.153 0.074 4.637 0.088 5.783 0.086 Dari data rata-rata tersebut didapat grafik TSR tergadap Cw seperti pada Gambar

26. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

0 1 2 3 4 5 6

Po w e r co e ff ic ien t

Kecepatan angin sumber (m s-1₎

(35)

23

Gambar 26 Nilai TSR terhadap Cw

Nilai yang digunakan pada grafik tersebut adalah nilai rata-rata TSR dan Cw

di setiap range kecepatan angin sumber. Grafik ini dibuat untuk melihat adanya peningkatan efisiensi atau Cw dan juga peningkatan TSR dari turbin angin. Grafik

TSR terhadap Cw juga sering dibuat untuk mengetahui karakter atau pola kinerja

dari suatu turbin angin.

Gambar 26 menyatakan power coefficient dan tip-speed ratio pada masing-masing jenis kondisi turbin angin yaitu turbin angin tanpa wind lens (turbin saja), turbin yang dipasang diffuser dengan sudut brim 90°, turbin dengan sudut brim 75° dan turbin dengan sudut 60°. Nilai pada grafik di Gambar 26 didapat pada range kecepatan angin sumber yang sama. Dari grafik tersebut dapat dilihat adanya peningkatan TSR dan Cw ketika wind lens dipasang ke turbin angin. Nilai power

coefficient yang dicapai turbin angin saja adalah sebesar 0.062. Nilai rata-rata Cw

tertinggi oleh diffuser dengan sudut brim 90° pada penelitian ini mencapai 0.095 pada TSR 4.244. Nilai rata-rata Cw oleh diffuser dengan sudut brim 75° mencapai

0.104 pada TSR 4.426, dan nilai rata-rata Cw yang bisa dicapai oleh diffuser dengan

sudut brim 60° adalah sebesar 0.130 pada TSR 4.790. Pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010) nilai Cw turbin anginnya adalah 0.37 dan mengalami

peningkatan hingga 0.8 setelah dipasang wind lens. Peningkatan nilai power coefficient yang dicapai pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010) lebih tinggi daripada yang dihasilkan pada penelitian ini. Hal tersebut terjadi karena diameter rotor turbin angin dan kecepatan angin pengujian yang dipakai pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010) lebih besar daripada penelitian ini. Hal ini juga bisa disebabkan oleh terbatasnya range kecepatan angin pengujian dan efisiensi turbin angin yang lebih rendah pada penelitian ini.

Pada Gambar 26, kurva yang ditunjukkan oleh pengujian turbin saja (tanpa wind lens) telah mengikuti standar karakter turbin seperti pada Gambar 16. Namun, pola kurva atau karakteristik setelah adanya diffuser pada grafik di penelitian ini tidak dapat terlihat dengan jelas. Hal ini bisa disebabkan oleh terbatasnya range kecepatan angin sumber pada pengujian sehingga karakter power coefficient turbin angin tidak terlihat secara utuh. Diffuser dengan sudut brim 90° masih mengalami kenaikan pada nilai TSR 4.15 sampai dengan 4.24. Sementara itu, kurva yang ditunjukkan oleh diffuser dengan sudut brim 75° dan 60° mengalami penurunan pada nilai TSR 4.42 sampai dengan TSR 4.66 dan nilai TSR 4.79 sampai dengan

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

P

ower

co

effi

ci

en

t

Tip-speed ratio

(36)

24

TSR 5.78. Kurva kinerja turbin angin pada penelitian ini dapat dibandingkan dengan pola kurva kinerja turbin angin pada Gambar 27.

Gambar 27 Kurva TSR terhadap power coefficient pada beberapa jenis turbin angin (Busby dan Rebecca 2012)

Pola kurva yang dimiliki oleh turbin angin 3 sudu (blade) dapat dilihat pada Gambar 27. Pada nilai TSR 3 sampai dengan TSR 4.5, nilai Cw turbin angin masih

mengalami kenaikan, sedangkan pada nilai TSR 4.5 sampai dengan TSR 6, nilai Cw

turbin angin telah mengalami penurunan. Ada kesamaan pada pola kurva turbin angin 3 sudu di Gambar 27 dengan pola kurva TSR terhadap Cw di Gambar 26.

Batas nilai TSR pada diffuser dengan sudut brim 90° yaitu 4.15 sampai dengan 4.24 berada pada range TSR dimana kurva kinerja turbin angin 3 sudu mengalami kenaikan. Sedangkan batas nilai TSR pada diffuser dengan sudut brim 75° dan 60° berada pada range TSR dimana kurva kinerja turbin angin 3 sudu mengalami penurunan.

Dilihat dari grafik pada Gambar 26 ataupun Tabel 4, efisiensi terbaik turbin angin ini tanpa menggunakan wind lens selama pengujian adalah sekitar 6%. Hal tersebut ditunjukkan dengan nilai rata-rata Cw tertinggi turbin angin saja sebesar

0.062. Adanya pemasangan wind lens dan perubahan sudut brim mampu meningkatkan efisiensi turbin angin ini. Dari pengujian, ditemukan bahwa penambahan wind lens dengan sudut brim 60° mampu mencapai Cw turbin angin

sebesar 0.130 yang berarti mencapai efisiensi sebesar 13%.

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

(37)

25

adanya peningkatan daya keluaran turbin angin. Nilai daya yang dihasilkan setelah melakukan perubahan sudut brim dari 90° ke 60° pada wind lens mengalami peningkatan. Diffuser dengan sudut brim 90° telah meningkatkan daya 1.5 kali, diffuser dengan sudut brim 75° meningkatkan daya sebesar 1.7 kali, dan diffuser dengan sudut brim 60° meningkatkan daya sebesar 2.09 kali dari daya yang dihasilkan turbin angin tanpa wind lens.

Nilai power coefficient turbin angin mengalami peningkatan setelah adanya perubahan sudut brim dari 90° ke 60° pada penelitian ini. Rata-rata power coefficient tertinggi yang dihasilkan oleh turbin angin tanpa wind lens bernilai 0.062. Diffuser dengan sudut brim 90° mencapai nilai rata-rata Cw sebesar 0.095,

diffuser dengan sudut brim 75° mencapai nilai rata-rata Cw sebesar 0.104, dan

diffuser dengan sudut brim 60° mencapai nilai rata-rata Cw sebesar 0.130. Hal ini

juga menunjukkan adanya peningkatan efisiensi turbin angin setelah melakukan perubahan sudut brim pada wind lens.

Saran

Berdasarkan penelitian ini, terdapat beberapa saran sebagai berikut : 1. Penelitian lebih lanjut dengan range kecepatan yang lebih besar diperlukan

agar nantinya bisa didapatkan karakteristik daya dan kecepatan dengan lebih jelas.

2. Penelitian lebih lanjut dengan menggunakan sudut brim yang lebih kecil dari 60° atau rentang nilai sudut yang lebih besar perlu dilakukan untuk mengetahui nilai sudut optimum yang bisa menghasilkan nilai power coefficient yang paling tinggi.

3. Penelitian lebih lanjut tentang bahan dalam membuat wind lens ataupun bentuk dari wind lens diperlukan untuk mencapai kinerja yang lebih optimum.

4. Penelitian dengan menggunakan turbin angin yang lebih baik efisiensinya diperlukan agar dapat melihat karakter turbin dengan jelas.

5. Penelitian terhadap wind tunnel sendiri juga diperlukan agar bisa didapatkan aliran angin yang optimum dan lebih seragam.

DAFTAR PUSTAKA

[DESDM] Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral. 2011. Potensi Energi Terbarukan Sulawesi Selatan. Jakarta (ID) : BPPESDM.

[DJEBTKE] Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi. 2014. Statistik EBTKE. Jakarta (ID): Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral.

Busby, Rebecca L. 2012. Wind Power : The Industry Grows Up. Oklahoma (US) : PennWell Corporation.

(38)

26

Gilbert BL, Foreman KF. 1983. Experiments with a Diffuser Augmented Model Wind Turbine. Journal of Energy Resources Technology. 105(1): 46-53 Goudarzi N. 2013. A review on the Development of the Wind Turbine Generators

across the World. International Journal of Dynamics and Control. 1(2):192-202.doi:10.1007/s40435-013-0016-y.

Kale SA, Gunjal YR, Jadhav SP, Tanksale AN. 2014. CFD Analysis for Optimization of of Diffuser for Micro Wind Turbine. New York (US): ASME Press.

Kannan TS, Mutasher SA, Lau K. 2013. Design and Flow Velocity Simulation of Diffuser Augmented Wind Turbine Using CFD. Journal of Engineering Science and Technology. 8(4): 372-384.

Kosasih B, Tondelli A. 2012. Experimental Study of Shrouded Micro-Wind Turbine. Procedia Engineering. 49(1):92-98.

Morthorst, Poul E, Redlinger, Robert Y, Andersen. 2002. Wind Energy in The 21st Century: Economics, Policy, Technology, and the Changing Electricity Industry. Hampshire (UK): Palgrave Macmillan.

Ohya Y. 2014. Bluff Body Flow and Vortex-Its Application to Wind Turbines. Fluid Dynamic Research. 46(2): 2-14.doi:10.1088/0169-5983/46/6/061 423. Ohya Y, Karasudani T. 2010. A Shrouded Wind Turbine Generating High Output

Power with Wind Lens Technology. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.96(3):634-649.doi:10.3390/en3040634.

Ohya Y, Karasudani T, Sakurai A, Abe K, Inoue M. 2008. Development of A Shrouded Wind Turbine with A Flanged Diffuser. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.96(1):524-539.

Ohya Y, Okajima A, Hayashi M. 1986. Wake Interference and Vortex Shedding. Encyclopedia of Fluid Mechanics. 8(1): 322-389.

Peterka JA, Meroney RN, Kothari KM. 1985. Wind Flow Patterns About Building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 21(1): 21-38. Sakamoto H, Haniu H. 1990. A Study on Vortex Shedding from Spheres in a

Uniform Flow. Journal of Fluids Engineering. 112(4): 386-392.doi:10.1115/1.2909415.

(39)

27

(40)

28

Lampiran 1 Bagian turbin angin WP-1

(41)

29

Lampiran 3 Brim 90° yang dipasang pada wind lens

Lampiran 4 Brim 75° yang dipasang pada wind lens

(42)

30

Lampiran 6 Data pengukuran saat pengujian kinerja turbin angin

Daya dan kecepatan putar rotor yang dihasilkan turbin angin saja Range

kecepatan angin (m s-1₎

Menit ke-

Kecepatan angin sumber

(m s-1₎

Daya turbin

(W)

Kecepatan putar rotor

(rpm)

2.6–3.4

0 3.200 0.098 584

3 3.100 0.090 533

6 2.700 0.096 545

9 2.700 0.077 518

12 2.600 0.054 431

15 3.200 0.114 579

18 3.000 0.092 522

21 3.200 0.111 571

24 3.400 0.141 612

27 3.300 0.113 574

30 3.200 0.112 573

3.4–4.2

0 3.900 0.212 742

3 3.500 0.173 712

6 3.700 0.202 736

9 3.700 0.183 722

12 3.700 0.193 730

15 4.100 0.241 794

18 4.200 0.242 793

21 3.900 0.214 743

24 3.400 0.152 665

27 3.500 0.174 712

30 3.500 0.174 716

4.6–5.5

0 5.000 0.372 1026

3 4.900 0.361 1019

6 4.900 0.362 1018

9 5.200 0.394 1056

12 4.800 0.312 991

15 4.700 0.306 984

18 5.000 0.376 1029

21 4.900 0.362 1021

24 5.200 0.401 1036

27 5.200 0.425 1038

(43)

31

Daya dan kecepatan putar rotor pada turbin angin dengan adanya wind lens (brim 90°)

Range kecepatan angin (m s-1)

Menit ke-

Kecepatan angin

(m s-1) _Daya turbin

(W)

(rpm) Sumber

Setelah dipasang wind lens

2.6–3.4

0 3.100 3.300 0.170 703

3 3.000 3.200 0.163 687

6 3.000 3.200 0.151 664

9 3.100 3.300 0.171 708

12 3.000 3.200 0.151 668

15 3.100 3.300 0.164 688

18 3.200 3.400 0.163 686

21 3.300 3.500 0.182 721

24 3.000 3.200 0.152 665

27 2.700 2.900 0.146 656

30 2.900 3.100 0.152 665

3.4–4.2

0 4.100 4.300 0.303 912

3 3.400 3.600 0.246 828

6 4.100 4.300 0.275 862

9 4.000 4.200 0.266 844

12 4.000 4.200 0.296 905

15 3.500 3.700 0.247 825

18 4.000 4.200 0.291 898

21 3.800 4.000 0.268 846

24 4.200 4.400 0.293 899

27 3.500 3.700 0.247 824

30 3.900 4.100 0.268 845

4.6–5.5

0 5.000 5.200 0.521 1069

3 5.300 5.500 0.633 1177

6 5.200 5.400 0.589 1101

9 5.300 5.500 0.645 1178

12 5.200 5.400 0.590 1104

15 5.000 5.200 0.525 1099

18 5.500 5.700 0.658 1197

21 4.700 4.900 0.506 1044

24 4.600 4.800 0.505 1045

27 4.600 4.800 0.508 1046

(44)

32

Daya dan kecepatan putar rotor pada turbin angin dengan adanya wind lens (brim 75°)

Menit ke-

Kecepatan angin

(m s-1) _Daya turbin

(W)

(rpm) Sumber

Setelah dipasang wind lens

2.6–3.4

0 2.700 3.000 0.151 668

3 3.100 3.400 0.182 722

6 3.100 3.400 0.182 721

9 3.000 3.300 0.170 709

12 2.900 3.200 0.164 690

15 3.200 3.500 0.191 730

18 3.100 3.400 0.193 731

21 3.100 3.400 0.182 722

24 2.900 3.200 0.164 689

27 3.200 3.500 0.192 731

30 3.100 3.400 0.182 722

3.4–4.2

0 3.500 3.800 0.291 898

3 3.800 4.100 0.319 920

6 3.800 4.100 0.319 921

9 4.000 4.300 0.341 989

12 3.500 3.800 0.291 898

15 4.000 4.300 0.342 990

18 3.800 4.100 0.319 921

21 4.000 4.300 0.343 990

24 4.000 4.300 0.343 991

27 3.800 4.100 0.319 920

30 4.000 4.300 0.343 990

4.6–5.5

0 4.700 5.000 0.648 1178

3 5.000 5.300 0.683 1358

6 4.700 5.000 0.648 1178

9 5.100 5.400 0.695 1210

12 5.100 5.400 0.696 1211

15 5.100 5.400 0.695 1210

18 5.400 5.700 0.743 1511

21 5.200 5.500 0.648 1178

24 5.100 5.400 0.696 1211

27 5.000 5.300 0.683 1201

(45)

33

Daya dan kecepatan putar rotor pada turbin angin dengan adanya wind lens (brim 60°)

Menit ke-

Kecepatan angin (m s-1)

Daya turbin (W) Kecepatan putar rotor (rpm) Sumber Setelah dipasang wind lens

2.6–3.4

0 2.900 3.400 0.199 735

3 3.000 3.500 0.215 744

6 3.200 3.700 0.258 838

9 3.200 3.700 0.248 826

12 3.100 3.600 0.236 788

15 3.000 3.500 0.223 750

18 3.100 3.600 0.236 787

21 3.200 3.700 0.257 837

24 3.000 3.500 0.214 743

27 2.900 3.400 0.198 734

30 3.100 3.600 0.236 786

3.4–4.2

0 4.000 4.400 0.417 1032

3 4.100 4.500 0.426 1039

6 3.900 4.300 0.408 1037

9 3.700 4.200 0.395 1036

12 3.900 4.300 0.407 1036

15 4.100 4.500 0.431 1038

18 3.900 4.300 0.404 1036

21 4.000 4.400 0.416 1038

24 3.700 4.200 0.394 1036

27 3.700 4.200 0.395 1036

30 3.900 4.300 0.408 1037

4.6–5.5

0 5.300 5.700 0.787 1672

3 5.500 5.900 0.837 1814

6 5.200 5.600 0.743 1510

9 5.200 5.600 0.768 1598

12 5.200 5.600 0.742 1509

15 5.100 5.500 0.718 1452

18 5.300 5.700 0.786 1671

21 5.500 5.900 0.836 1812

24 5.300 5.700 0.786 1672

27 5.200 5.600 0.741 1507

(46)

34

Lampiran 7 Grafik fluktuasi daya input axial fan terhadap daya keluaran turbin angin saat pengujian

275 280 285 290 295 300 305 0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 0.25 0.29

0 5 10 15 20 25 30 35

Day a a xi a l fa n (W) Day a tu rb in (W ) Waktu (menit)

Perbandingan daya turbin angin tanpa wind lensterhadap

daya axial fanpada kecepatan angin 3.4 m s-1 _sampai

dengan 4.2 m s-1

Daya turbin angin saja Daya axial fan

240 250 260 270 280 290 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin angin tanpa wind lensterhadap

daya axial fanpada kecepatan angin 2.6 m s-1_sampai

dengan 3.4 m s-1

Daya turbin angin saja Daya axial fan

320 325 330 335 340 345 350 0 0.09 0.18 0.27 0.36 0.45 0.54

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin angin tanpa wind lens terhadap

daya axial fanpada kecepatan angin 4.6 m s-1_sampai

dengan 5.5 m s-1

(47)

35 250 255 260 265 270 275 280 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin angin dengan brim90°terhadap

daya axial fanpada kecepatan angin 2.6 m s-1_{sampai dengan}

3.4 m s-1

Daya turbin angin dengan brim 90 derajat Daya axial fan

280 285 290 295 300 305 310 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin anginbrim90°terhadap daya

axial fanpada kecepatan angin 3.4 m s-1_{sampai dengan 4.2}

m s-1

315 325 335 345 355 365 0 0.12 0.24 0.36 0.48 0.6 0.72

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin anginbrim90°terhadap daya

axial fanpada kecepatan angin 4.6 m s-1_{sampai dengan 5.5}

m s-1

(48)

36 255 258 261 264 267 270 273 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21

0 5 10 15 20 25 30 35

Perbandingan daya turbin anginbrim75°terhadap daya axial

fanpada kecepatan angin 2.6 m s-1_{sampai dengan 3.4 m s}-1

280 285 290 295 300 305 0.25 0.27 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37

0 5 10 15 20 25 30 35

320 327 334 341 348 355 362 0.54 0.58 0.62 0.66 0.7 0.74 0.78

0 5 10 15 20 25 30 35

(49)

37 258 261 264 267 270 273 276 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 5 10 15 20 25 30 35

280 286 292 298 304 310 316 0.35 0.365 0.38 0.395 0.41 0.425 0.44

0 5 10 15 20 25 30 35

337 343 349 355 361 367 373 0.69 0.72 0.75 0.78 0.81 0.84 0.87

0 5 10 15 20 25 30 35

Day a a xi a l fa n (W) Day a tu rb i