UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H
DENGAN PROFIL SUDU NACA 4415 DAN ANALISA
PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN
VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDINATA SITEPU
NIM. 080401060
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Abstrak
Turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H dapat mengekstrak angin dari segala arah dan dapat digunakan pada kecepatan angin yang relatif rendah yang merupakan pertimbangan untuk mekakukan penelitian ini dengan kondisi angin di Indonesia.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap daya dan putaran turbin angin tipe Darrieus H. Jumlah sudu yang digunakan pada pengujian ini adalah 3, 4, 5. Jenis airfoil yang digunakan adalah airfoil NACA 4415 dengan panjang chord 30 cm dengan kecepatan angin pada pengujian adalah 3,85 m/s, dan sudut pitch sudu yang diuji mulai dari 00, 20, 40, 60, 80, 100,120. Dengan kecepatan angin 3,85 m/s turbin ini dapat diaplikasikan di provinsi Nusa Tenggara Timur kabupaten Sumba Timur di daerah Kamanggih. Langkah langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pembuatan dan pengujian turbin dengan mengkopel dengan generator listrik tipe aksial dengan jumlah kutub 24 buah. Dari data hasil pengujian turbin angin Darrieus H dengan bentuk sudu airfoil NACA 4415 menghasilkan efisiensi maksimal sebesar 11.37%, 12.19%, 14,69% pada beban bola lampu 10 Watt yaitu dengan jumlah sudu masing masing 3, 4, 5 buah dan efisiensi maksimal ini didapat pada saat sudut pitch sudu turbin diatur sebesar 8 0
. Dengan besar daya turbin maksimal yang dihasilkan turbin dengan jumlah sudu 3 buah sebesar 8, 46 Watt, untuk jumlah sudu 4 buah didapat daya maksimal sebesar 9, 07 Watt, dan pada turbin dengan jumlah sudu 5 buah didapat daya maksimal sebesar 10, 93 Watt.
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 4415 DAN ANALISA PERBANDINGAN 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. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT, selaku dosen pembanding I dan Bapak
Tulus Burhanudin Sitorus ST, MT, selaku dosen pembanding II yang
memberikan masukan kepada penulis.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang
telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama
penulis kuliah.
6. Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan
bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian.
7. Kedua orang tua penulis, M. Sitepu dan M. br Siregar yang sangat berjasa
memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah
putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak
8. Rekan-rekan satu tim kerja, Ekawira K Napitupulu dan Libert Sijabat yang
telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.
9. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang telah mendukung dan memberi
semangat kepada penulis.
10. Abang Nopran Tanio Sitepu, Radumta Sitepu, adik Meriah Rosantio Sitepu
dan tak terlupakan Hasianku Melvi Handayani Lumbanraja, SE yang telah
banyak memberi semangat, motivasi dan sabar membantu penulis dalam
menyelesaikan skripsi ini.
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, September 2013
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 ... 2
1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2
1.3.1 Rumusan Masalah ... 2
1.3.2 Batasan Masalah ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
1.6 Metode Pengumpulan Data ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Potensi Angin ... 6
2.2 Energi Angin... 9
2.3 Wind Shear………... 10
2.4 Pengertian Turbin Angin... 11
2.5 Jenis jenis Turbin Angin... 12
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)... 12
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)... 14
2.6 Airfoil NACA …... 17
2.6.1Airfoil NACA seri 4 digit... 17
2.7 Sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch……… 18
2.9 Prinsip Konversi Energi Angin... 24
2.9.1 Teori Momentum Betz... 24
2.9.2 Tip Speed Ratio... 28
2.10 Generator……… 29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN………...…… 30
3.1Tempat Penelitian………. 30
3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian………... 30
3.3 Pelaksanaan Penelitian………. 41
3.3.1 Tahap Persiapan………. 41
3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data……… 41
3.4 Diagram Alir Penelitian………... 44
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA……… 45
4.1 Hasil Pengujian……… 45
4.1.1 Pengukuran kecepatan angin……….. 45
4.1.2 Data pengujian tanpa beban………... 48
4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt………. 49
4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt………. 49
4.1.η Data pengujian beban 10 Watt………... 50
4.2 Analisa Data……… 50
4.2.1 Perhitungan daya angin (Pangin)……….. 50
4.2.2 Perhitungan tip speed ratio (λ)………... 51
4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin (Ƞt)……… 51
4.3 Grafik Pengujian……….. 56
4.3.1 Grafik pengujian tiga sudu………. 56
4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu………. 58
4.3.3 Grafik pengujian η sudu………. 60
4.4 Perbandingan turbin angin Savonius dengan turbin angin Darrieus H………... 63
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………. 66
η.1 Kesimpulan……….. 66
η.2 Saran………. 67
LAMPIRAN……… 69
L1. Data Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 70
L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 82
L3. Tabel Sifat Udara ... 83
DAFTAR SIMBOL AoA angle of attack, (0)
TSR tip speed ratio
VAWT vertical axis wind turbine
HAWT horizontal axis wind turbine
NACA National Advisory Committee of Aeronautics
rpm revolution per minute
a interference factor
A luas sapuan rotor, m2
c panjang chord sudu, m
C’ kecepatan relatif 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
̇ aliran massa, kg/s
putaran, 1/s
n koefisien kekasaran permukaan tanah
N jumlah sudu
daya angin, J/s
Pa daya angin, J/s
daya turbin, J/s
radius turbin, m
Re bilangan Reynold
waktu, s
V∞ kecepatan angin, m/s
V’ kecepatan angin tepat pada turbin, m/s
tegangan, Volt
tegangan rata – rata, Volt
U’ kecepatan tangensial elemen sudu, m/s
Z ketinggian, m
kecepatan sudut rotor, rad/s
kerapatan angin, kg/m3
sudut serang (angle of attack), (0)
θ sudut azimuthal sudu, (0)
tip speed ratio
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia………...
Gambar 2.2 Aliran angin melalui silinder dengan luas A...
Gambar 2.3 Wind shear dan Jenisnya………...
Gambar 2.4 Perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian...
Gambar 2.5 Gaya aerodinamis rotor turbin ketika dilalui udara…...
Gambar 2.6 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu………...
Gambar 2.7 Turbin angin jenis upwind dan downwind………... Gambar 2.8 Savonius wind turbine ……… ...
Gambar 2.9 Darrieus wind turbine...
Gambar 2.10 Giromill wind turbine helical...
Gambar 2.11 Turbin angin Darieuss H-Rotor...
Gambar 2.12 Airfoil Naca 441η………...
Gambar 2.13 Arah sudut pitch...……….... Gambar 2.14 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio,
sudut azimuth, dan sudut pitch……... Gambar 2.15 Perubahan sudut serang...
Gambar 2.16 Koefisien gaya resultan aerodinamis pada sudu……… ...
Gambar 2.17 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin... ...
Gambar 2.18 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin………...
Gambar 2.19 Koefisien performansi vs rasio kecepatan...
Gambar 2.20 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz...
Gambar 3.1 Koefisien daya dari berbagai macam rotor turbin
Gambar 3.2 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H……….. ...
Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 441η………… ...
Gambar 3.4 Digital Multimeter ………...
Gambar 3.5 Digital Tachometer……….... ...
Gambar 3.6 Thermo-Anemometer……….... ...
Gambar 3.7 Motor listrik……….. ...
Gambar 3.10 Prosedur Pengujian………...……...
Gambar 3.11 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan…...
Gambar 3.12 Diagram alir penelitian………...
Gambar.4.1 Pengukuran kecepatan angin………...
Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi... Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah………...
Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap tip speed ratio
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah………...
Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah……...
Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah……...
Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudutpitch (ϕ) terhadap tip speed ratio
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah…...…….
Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu η buah……...
Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu η buah……...
Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap tip speed ratio
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah……...…..
Gambar 4.11 Grafik sudut pitch(ϕ) vs ɳpada turbin dengan jumlah sudu 3, 4, 5
dan yang dilakukan pada pembebanan 3, η, 10 Watt………...
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Proyeksi Energi Primer Indonesia menurut Skenario RIKEN………...
Tabel.2.2 Sepuluh negara di dunia yang menggunakan turbin angin……….
Tabel 3.1 Daya angin dengan dimensi turbin yang berbeda...
Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H………...
Tabel.3.3 Spesifikasin sudu...………... Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter………... Tabel 3.η Spesifikasi anemometer……….
Tabel.4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik………..
Tabel. 4.2 Hasil Pendekatan teoritis ……… Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum……… Tabel.4.4 Data pengujian 3, 4, dan η sudu……… Tabel.4.η Data pengujian beban 3 Watt………
Tabel.4.θ Data pengujian beban η Watt………
Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt……….. Tabel.4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt………. Tabel.4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt……….
Tabel.4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt………...
Tabel.4.11 Data pengujian 3 sudu beban η Watt………... Tabel.4.12 Data pengujian 4 sudu beban η Watt………... Tabel.4.13 Data pengujian η sudu beban η Watt………... Tabel.4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt………. Tabel.4.1η Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt……….
Tabel.4.1θ Data pengujian η sudu beban 10 Watt……….
Tabel.4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu
lurus dan jumlah sudu θ buah dengan sudu pengarah……....……….
Tabel.4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil
NACA 441η dan jumlah sudu η buah beban 10 W ...………….
Tabel.4.19 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dengan Darrieus –H...
55
64
65
Abstrak
Turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H dapat mengekstrak angin dari segala arah dan dapat digunakan pada kecepatan angin yang relatif rendah yang merupakan pertimbangan untuk mekakukan penelitian ini dengan kondisi angin di Indonesia.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap daya dan putaran turbin angin tipe Darrieus H. Jumlah sudu yang digunakan pada pengujian ini adalah 3, 4, 5. Jenis airfoil yang digunakan adalah airfoil NACA 4415 dengan panjang chord 30 cm dengan kecepatan angin pada pengujian adalah 3,85 m/s, dan sudut pitch sudu yang diuji mulai dari 00, 20, 40, 60, 80, 100,120. Dengan kecepatan angin 3,85 m/s turbin ini dapat diaplikasikan di provinsi Nusa Tenggara Timur kabupaten Sumba Timur di daerah Kamanggih. Langkah langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pembuatan dan pengujian turbin dengan mengkopel dengan generator listrik tipe aksial dengan jumlah kutub 24 buah. Dari data hasil pengujian turbin angin Darrieus H dengan bentuk sudu airfoil NACA 4415 menghasilkan efisiensi maksimal sebesar 11.37%, 12.19%, 14,69% pada beban bola lampu 10 Watt yaitu dengan jumlah sudu masing masing 3, 4, 5 buah dan efisiensi maksimal ini didapat pada saat sudut pitch sudu turbin diatur sebesar 8 0
. Dengan besar daya turbin maksimal yang dihasilkan turbin dengan jumlah sudu 3 buah sebesar 8, 46 Watt, untuk jumlah sudu 4 buah didapat daya maksimal sebesar 9, 07 Watt, dan pada turbin dengan jumlah sudu 5 buah didapat daya maksimal sebesar 10, 93 Watt.
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia saat ini menghadapi masalah energi, salah satunya adalah
masalah penyediaan energi listrik. Indonesia cenderung masih memanfaatkan
bahan bakar fosil seperti batu bara dan gas alam sebagai bahan bakar pada
pembangkit listrik. Namun bahan bakar fosil suatu saat pasti akan habis. Oleh
karena itu pemanfaatan energi terbarukan seperti energi angin, air, surya, dan
geotermal sangat perlu dikembangkan. Energi yang dihasilkan angin memang
tidak sebesar energi air. Namun pemanfaatan energi angin bisa dilakukan dalam
skala kecil.
Untuk mendapatkan energi dari angin, manusia membuat sistem konversi
energi angin. Sistem konversi energi angin yang digunakan dapat
dibagi dalam dua jenis, yaitu sistem konversi energi angin sumbu mendatar dan
sistem konversi energi angin sumbu tegak . Pemilihan sistem konversi energi
angin yang akan digunakan utamanya didasarkan pada ukuran kecepatan angin
yang tersedia di lokasi tempat sistem konversi energi angin tersebut digunakan.
Disini penulis memilih sistem konversi energi angin sumbu tegak yaitu turbin
angin Darrieus tipe-H untuk dirancang dan diuji. Pemilihan turbin angin Darrieus
tipe-H (gyromill) pada penelitian ini didasarkan pada pertimbangan bahwa efisiensi turbin angin Darrieus tipe H cukup besar. Hal ini bisa dilihat pada grafik
faktor daya untuk berbagai jenis turbin angin. Turbin angin tipe Darrieus H dapat
dioperasikan pada kecepatan angin relatif rendah. Hal ini sangat sesuai dengan
kondisi kecepatan angin yang ada di Indonesia dimana kecepatan angin masih
relatif rendah. Di daerah Indonesia bagian timur tepatnya di provinsi Nusa
Tenggara Timur Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih mempunyai
kecepatan angin sebesar 3,85 m/s. Kecepatan angin di daerah Kamanggih ini
yaitu sebesar 3,85 m/s dapat kita gunakan sebagai pembangkit listrik dengan
menggunakan turbin angin tipe Darrieus H. Turbin Darrieus tipe H hasil
1.2. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah:
1. Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang
dihasilkan turbin.
2. Untuk mengetahui pengaruh sudut pitch(ϕ) terhadap daya dan putaran
yang dihasilkan turbin.
1.3. Rumusan dan Batasan Masalah 1.3.1. Rumusan masalah
Dalam penelitian turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H yang
terkonsentrasi pada pengaruh jumlah sudu, bentuk sudu, dan pengaruh sudut pitch
terhadap daya dan putaran yang dapat dibangkitkan turbin ini yang kemudian
dikonversikan dalam bentuk energi listrik. Daya dan putaran yang dihasilkan
turbin angin tentu bervariasi terhadap penggunaan jumlah dan profil sudu yang
digunakan serta kecepatan angin yang akan melalui turbin ini.
Sebelum penulis melakukan penelitian ini, terlebih dahulu penulis
merumuskan permasalahan tersebut dalam bentuk pertanyaan berikut :
1. Pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dihasilkan oleh
turbin angin.
1.3.2 Batasan masalah
Banyak aspek yang mempengaruhi performansi turbin angin Darrieus
tipe-H seperti jumlah sudu, profil sudu, rasio kepadatan (solidity), sudut pitch(ϕ), kecepatan angin dan lain-lain. Karena ruang lingkup penelitian untuk turbin angin
ini sangat luas, maka penulis membuat batasan masalah penelitian yaitu:
1. Spesifikasi turbin angin Darrieus tipe-H
a. Diameter rotor : 1,5 m
b. Tinggi rotor : 1,5 m
c. Profil sudu : NACA 4415
d. Panjang chord : 30 cm
2. Variasi dalam pengujian adalah:
a. Jumlah sudu : 3, 4, 5
b. Sudut pitch(ϕ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12
3. Kecepatan angin 3,85 m/s
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari:
1. Aspek keilmuan atau akademis
Penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Mekanika Fluida, Mesin
Konversi Energi, sehingga dengan dilakukannya penelitian tentang turbin
angin Darrieus tipe-H ini dapat menambah wawasan tentang turbin angin
serta mengembangkan pola pikir tentang pemanfaatan energi angin
dengan menggunakan turbin angin sehingga timbul gagasan yang lebih
2. Aspek praktik atau implementasi
Penelitian ini difokuskan pada pembuatan turbin angin Darrieus tipe-H
skala kecil. Energi listrik yang dihasilkan turbin ini akan digunakan untuk
memenuhi kebutuhan rumah tangga, seperti menghidupkan bola lampu,
menghidupkan lampu jalan, penggerak pompa air untuk daerah pertanian,
untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk daerah yang belum terjangkau
oleh PLN, dan sebagainya.
1.5. Sistematika Penulisan
Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematis penulisan sebagai
berikut:
BAB I. PENDAHULUAN:Bab ini terdiri dari sub-bab latar belakang, tujuan,
rumusan dan batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Pada
bab ini berisi hal – hal yang melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis
sehingga akan dilakukannya suatu penelitian. Penelitian merupakan kegiatan
ilmiah yang tentunya memiliki tujuan yang akan dicapai dibahas dalam sub-bab
tujuan penelitian.
BAB II TINAUAN PUSTAKA: Bab ini terdiri dari beberapa sub-bab yang
keseluruhan sub-bab berisikan teori – teori pendukung untuk melakukan
pendekatan – pendekatan teoritis dalam menganalisis data hasil pengujian.
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN: Bab ini berisi tentang metode yang
dilakukan penulis dalam melakukan perancangan dan pengujian turbin angin
Darrieus tipe-H.
BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA: Bab ini berisikan
penyajian hasil yang diperoleh dari pengukuran daya dan putaran yang dihasilkan
turbin angin. Kemudian dilakukan analisa data hasil penelitian untuk
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN: Bab ini berisikan jawaban dari tujuan
dilakukannya penelitian dan merupakan kesimpulan dan saran dari hasil analisa
serta permasalahan yang ada pada skripsi ini.
1.6. Metodologi Pengumpulan Data
Metodologi merupakan tahapan-tahapan pengerjaan skripsi yaitu:
1. Studi literatur
2. Survei alat dan bahan yang akan digunakan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Angin
Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga
zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya
dikenal banyak jenis energi. Salah satu dari berbagai jenis energi tersebut adalah
energi angin. Perpindahan molekul udara memiliki energi kinetik, sehingga secara
lokal jumlah molekul udara berpindah melalui luasan selama selang waktu
tertentu menentukan besarnya daya.
Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas
dan udara dingin. Di daerah katulistiwa, udaranya menjadi panas mengembang
dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin.
Sebaliknya daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke
bawah.Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara berupa perpindahan udara
dari kutub utara ke garis katulistiwa menyusuri permukaan bumi dan sebaliknya
suatu perpindahan udara dari garis katulistiwa kembali ke kutub utara, melalui
lapisan udara yang lebih tinggi. Angin dapat bergerak secara horizontal maupun
vertikal dengan kecepatan yang dinamis dan fluktuatif.
Dalam sebuah presentasi yang diadakan sebuah perusahaan yang bernama
WhyPgen dan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) pada tanggal
14 Mei 2013 , Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki potensi untuk
mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin. Potensi tenaga angin yang
tersedia di Indonesia mencapai 9.286 MW akan tetapi sampai saat ini energi
Berikut ini akan ditampilkan peta prakiraan aliran dan kecepatan angin
diseluruh Indonesia.
Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia
(Sumber: http://www.bmkg.go.id)
Angin di wilayah Indonesia pada umumnya bergerak dari arah timur
menuju arah barat daya dengan kecepatan angin antara 2.5 m/s sampai dengan 7.5
m/s. Kecepatan angin 7.5 m/s di Indonesia terdapat di daerah Samudera Hindia
Selatan Jawa hingga Selatan Nusa Tenggara Timur, Laut Jawa, Laut Bali, Laut
Banda, Laut Flores dan Perairan Selatan Merauke.
Pada tabel dibawah ini ditunjukkan besarnya proyeksi energi yang akan
didapat dari berbagai sumber energi yang terdapat di Indonesia. Potensi Energi
Baru Terbarukan (EBT) masih relatif kecil jika dibandingkan dengan sumber
energi lainnya. Berikut ini akan ditampilkan proyeksi energi Indonesia sampai
Tabel 2.1 Proyeksi Energi Primer Indonesia menurut Skenario RIKEN
(Sumber :Blueprint pengelolaan energi nasional 2005-2025)
Kebutuhan akan energi di dunia setiap tahunnya mengalami peningkatan
yang cukup signifikan. Untuk memenuhi akan kebutuhan energi tersebut negara
negara di dunia ini berusaha mencari sumber energi yang dapat dikembangkan.
Sumber energi yang dapat di kembangkan ini adalah salah satunya energi angin.
Berikut ini adalah sepuluh negara di dunia yang telah menggunakan turbin angin
pada tahun 2012.
Tabel.2.2 Sepuluh negara di dunia yang menggunakan turbin angin
No Negara Kapasitas total (MW) (akhir tahun 2012)
1 China 75,564
2.2 Energi Angin
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke
tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh
adanya perbedaan suhu udara akibat terjadinya pemanasan atmosfir yang tidak
merata oleh sinar matahari. Udara yang bergerak ini memiliki kecepatan tertentu,
sehingga udara tersebut memiliki energi kinetik.
Daya P0 yang dikandung oleh angin dengan massa m, dalam volum silinder yang mempunyai luas A, dalam waktu t, dengan kerapatan udara ρ, dan volume silinder Vo adalah merupakan energi kinetik (Ek) angin dibagi waktu, secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
t
melalui luasan A selama waktu t, sehingga persamaan daya diperoleh :
3
Daya per satuan luas, sebagai potensi daya angin atau kerapatan daya angin
(wind power density), yaitu :
Gambar 2.2 Aliran angin melalui silinder dengan luas A
2.3 Wind Shear
Wind shear adalah perubahan arah atau kecepatan angin saat melalui jarak tertentu. Wind shear dapat terjadi secara horizontal maupun vertical. Perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian(horizontal wind shear)merupakan faktor utama dalam memperkirakan produksi energi melalui turbin angin. Telah
dilakukan pengukuran perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian yang
disebabkan perbedaan kondisi atmosfer.
Gambar 2.3 Wind shear dan jenis-jenisnya
(Sumber: Vaughn Nelson )
Metode umum yang memperkirakan kecepatan angin untuk ketinggian
yang lebih tinggi dengan mengetahui kecepatan angin pada ketinggian yang lebih
rendah disebut power law. Power law untuk wind shear adalah:
0 0
H H u u
(2.4)
Dimana :
u0 = kecepatan angin yang telah diukur pada ketinggian tertentu H0 = ketinggian pada kecepatan angin u0
H = ketinggian.
atmosfer. Dari persamaan (2.4) perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian
dapat diperkirakan seperti pada gambar 2.3, dengan catatan nilai α= 0,14.Dimana
eksponen wind shear 0,14 merupakan standard dunia yang diukur pada ketinggian 10 m dan pada saat pengukuran kondisi cuaca stabil, sehingga dengan
menggunakan data eksponen wind shear α pada ketinggian 10 m ini, kita dapat memperkirakan potensi daya angin sampai pada ketinggian 50 m.
Gambar 2.4 Wind shear, perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian. Dihitung untuk kecepatan angin 10 m/s pada ketinggian 10 m, α=
0,14.
(Sumber: Vaughn Nelson )
2.4 Pengertian Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin konversi energi dengan sudu berputar
yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Energi
mekanik digunakan langsung sebagai penggerak seperti pompa atau grinding stones, maka dalam hal ini (turbin) disebut windmill.
Ekstraksi potensi angin pada mulanya digunakan untuk menggerakkan
kapal dengan tenaga angin, dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk menyuplai kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan
prinsip konversi energi dan memanfaatkan sumber daya alam yang dapat
2.5 Jenis-Jenis Turbin Angin
Turbin angin sebagai mesin konversi energi dapat digolongkan
berdasarkan prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan rotornya. Berdasarkan
prinsip aerodinamik, turbin angin dibagi menjadi dua bagian yaitu:
1. Jenis drag yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan selisih koefisien drag.
2. Jenis lift yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan gaya lift. Pengelompokan turbin angin berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor
yang dimaksud yaitu apakah rotor turbin angin mengekstrak energi angin
memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui sudu rotor atau rotor angin mengekstrak energi angin dengan memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan aliran udara yang melalui profil aerodinamis sudu. Kedua prinsip aerodinamik
yang dimanfaatkan turbin angin memiliki perbedaan putaran pada rotornya,
dengan prinsip gaya drag memiliki putaran rotor relatif rendah dibandingkan turbin angin yang rotornya menggunakan prinsip gaya lift.
Jika dilihat dari arah sumbu rotasi rotor, turbin angin dapat dibagi menjadi
dua bagian yaitu:
1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi
rotornya paralel terhadap permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal
memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara dan diarahkan
menuju dari arah datangnya angin untuk dapat memanfaatkan energi angin. Rotor
turbin angin kecil diarahkan menuju dari arah datangnya angin dengan
pengaturan baling – baling angin sederhana sedangkan turbin angin besar
umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah rotor turbin
mengarah pada angin. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin sumbu
Gambar 2.5 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara.
(Sumber: Eric Hau. 2006. Wind Turbine)
Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi:
1. Turbin angin satu sudu (single blade) 2. Turbin angin dua sudu (double blade) 3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)
Gambar 2.6 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin sumbu
horizontal dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1. Upwind
2. Downwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi/menurut arah angin.
Upwind Downwind
Gambar 2.7 Turbin angin jenis upwind dan downwind
(Sumber://http.www. google.com)
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Turbin angin poros vertikal atau yang lebih dikenal dengan vertical axis
wind turbine (VAWT) memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus
terhadap arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah. TASV
terdiri dari beberapa tipe yang paling umum dijumpai yaitu: Savonius Rotor,
Darrieus Rotor, Giromill, dan H-Rotor.
a. Savonius Rotor
Turbin angin ini mempunyai konstruksi sederhana yang ditemukan oleh
sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk
dalam kategori TASV ini memiliki rotor dengan bentuk dasar setengah silinder.
Konsep turbin angin savonius cukup sederhana, prinsip kerjanya berdasarkan
lagi berbentuk setengah silinder tetapi telah mengalami modifikasi guna
peningkatan performance dan efisiensi.
Gambar 2.8 Savonius wind turbine
(Sumber:// http.www. wikipedia.org)
b. Darrieus Rotor
Merupakan salah satu TASV dengan efisiensi terbaik serta mampu
menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan kecepatan angin yang tinggi.
Turbin angin Darrieus mengaplikasikan blade dengan bentuk dasar aerofoil
NACA. Mengacu pada bentuk blade, prinsip kerja turbin angin Darrieus
memanfaatkan gaya lift yang terjadi ketika permukaan airfoil NACA dikenai
aliran angin. Kelemahan utama dari turbin angin Darrieus yaitu yakni memiliki
torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan self start.
Pada aplikasiya, Darrieus wind turbin selalu membutuhkan perangkat bantuan
untuk melakukan putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa motor
listrik atau umumnya lebih sering menggunakan gabungan turbin angin Savonius
pada poros utama.
Gambar 2.9 Darrieus wind turbine
c. Giromill
Bentuk pengembangan lanjut turbin angin Darrieus dengan latar belakang
untuk meminimalisasi kekurangan. Turbin angin Giromill memiliki tiga
konfigurasi bentuk blade, yaitu: straight, helical twisted V, atau curved bladed.
Gambar 2.10 Giromill wind turbin helical
(Sumber://http.www. google.com)
d. Turbin angin Darieuss H-Rotor
Bentuk pengembangan lanjut dari turbin angin tipe Darrieus dengan
keperluan produksi daya yang kecil. 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.
Gambar 2.11 Turbin angin Darieuss H-Rotor
2.6.Airfoil NACA
NACA airfoil adalah bentuk airfoil sayap pesawat udara yang
dikembangkan oleh National Advisory Committee for Aeronautics (NACA).
Sampai sekitar Perang Dunia II, airfoil yang banyak digunakan adalah hasil riset
Gottingen. Selama periode ini banyak pengujuan arifoil dilakukan diberbagai
negara, namun hasil riset NACA lah yang paling terkemuka. Bentuk dari airfoil
ditentukan oleh seri digit yang sesuai ketentuan NACA airfoil, parameter
penomorannya dalam persamaan yang lebih tepat untuk perhitungan potongan
melintang airfoil.
2.6.1 Airfoil NACA seri 4 digit
Pada airfoil NACA seri empat digit, digit pertama menyatakan persen
maksimum chamber terhadap chord. Digit kedua menyatakan persepuluh posisi
maksimum chamber pada chord dari leading edge. Sedangkan dua digit terakhir menyatakan persen ketebalan airfoil terhadap chord. Contohnya air foil yang digunakan pada penelitian ini adalah airfoil NACA 4415. Airfoil NACA 4415 ini
memiliki arti sebagai berikut:
Maksimum chamber 4 %.
Posisi maksimum chamber berada 40 % dari panjang chord diukur dari leading edge.
Dan memiliki ketebalan maksimum 15 % dari panjang chord.
Gambar 2.12 Airfoil Naca 4415
2.7 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.
α = arc tan [sinθ / (λ + cosθ)] (2.5) dimana: λ = tip speed ratio
= sudut azimuth sudu
R
Menuju pusat rotasi
Menjauhi pusat rotasi (-) φ (+) φ
Garis Chord ω
Gambar. 2.13 Arah sudut pitch
(Sumber: Ekawira K Napitupulu)
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 [sinθ / (λ + cosθ)]} - φ 00> < 1800
Pada sudut azimuth = 00 dan = 1800
, nilai sudut serang sama dengan sudut
pitch.
α = φ = 00, dan = 1800
φ α
Garis Chord
= 45 = 135
= 225
= 315 Angin
α
α
α φ
φ
φ φ
Komponen Kec angin dan Kec. Tangensial
α
Komponen Kec. Relatif
Gambar. 2.14 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut
Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi
Kecepatan angin v’ = 3.85 m/s Putaran Turbin n = 60 rpm Radius Turbin r = 0.75 m
Kecepatan Sudut ω = 2πn/60= 2π.θ0/θ0 = θ.284 rad/s Kecepatan Tangensial u’ = ω.r = (6.284)(0.75) = 4.713 m/s
Tip speed ratio λ = ω.r/v = (6.284)(0.75)/3.85 = 1.224
c = v’{(λ + cosθ)2+ (sinθ)2 }1/2
Untuk tiap titik diperoleh:
1. = 00 α = 00 c = 8.56 m/s
2. = 4η0 α = 20.110 c = 7.91 m/s
3. = 900 α = 39.240 c = 6.08 m/s
4. = 13η0 α = η3.830 c = 3.37 m/s
5. = 1800 α = 00 c = 0.86 m/s
6. = 22η0 α = -53.830 c = 3.37 m/s
7. = 2700 α = -39.240 c = 6.08 m/s
8. = 3150 α = -20.110 c = 7.91m/s
2.8Gaya Aerodinamis pada sudu
Gaya resultan aerodinamis yang bekerja pada sudu biasanya dibagi
menjadi dua komponen, yaitu komponen gaya lift dan komponen gaya drag.
Untuk analisis turbin Darrieus, resultan komponen gaya lift dan gaya drag
diuraikan menjadi komponen gaya normal dan gaya tangensial pada garis chord
sudu tersebut. Koefisien gaya untuk komponen ini adalah CN dan CT,
masing-masing dapat dinyatakan sebagai:
CN= CL.Cos α + CD. Sin α (2.6)
CT = CL. Sin α – CD. Cos α (2.7)
sudut pitch sudu tidak bernilai nol, CN dan CT relatif terhadap acuan kerangka sudu, di mana pada kondisi ini CN dan CT bukan komponen gaya tangensial dan radial (normal) sudu pada rotor.
Resultan gaya aerodinamika (CResultant) perlu diurai untuk memperhitungkan lokasi sudu relatif terhadap arah angin dan sudut pitchnya Pada
kondisi ini, koefisien gaya radial (CRAD) dan koefisien gaya melingkar (CCirc) digunakan sebagai pengganti CN dan CT. Secara perumusan matematika dapat dituliskan sebagai berikut:
CCirc = CT.Cos ϕ - CN. Sin ϕ (2.8) CRad = CT. Sin ϕ + CN. Cos ϕ
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 2.16 Koefisien gaya resultan aerodinamis pada sudu
Gambar.2.17 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin
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 + cosθ)2+ (sinθ)2
}1/2 (2.9)
v’ = kecepatan angin (m/s)
u’ = kecepatan tangensial elemen sudu (m/s)
u’ = rω (2.10)
Catatan: - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c
2.9 Prinsip Konversi Energi Angin 2.9.1 Teori Momentum Betz
Energi angin dilihat dari energi kecepatan aliran angin, dapat dituliskan
dalam bentuk persamaan energi kinetik (Ek) :
(2.11)
Dimana: m = massa angin yang mengalir (kg)
v = kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik angin inilah yang diekstrak sudu turbin angin untuk diubah
menjadi energi mekanis.
Dilihat dari pemodelan Betz’, kecepatan angin v, dan kerapatan ρ dengan luas sapuan rotor turbin A, daya angin yang dapat diekstrak turbin angin adalah:
(2.12)
Dimana Cpadalah faktor efisiensi disebut juga koefisien daya. Catatan
bahwa daya PT adalah sebanding dengan luas penampang A dan kecepatan angin
v pangkat tiga. Dengan demikian, dengan menggandakan luas penampang A menghasilkan daya dua kali, dan menggandakan kecepatan angin menghasilkan
potensial daya delapan kali. Koefisien daya Cp juga berubah dengan perubahan
kecepatan angin. Saat distribusi kecepatan angin tidak merata, pada suatu waktu
tertentu kemungkinan besar kecepatan angin lebih rendah dari pada kecepatan
angin rata – rata. Oleh karena itu, harus didesain rotor dan generator yang optimal
untuk mengekstrak pada kecepatan angin rendah.
Untuk menganalisis seberapa besar energi yang dapat dimanfaatkan turbin
angin, digunakan teori memontum elementer Betz’.
Teori momentum Betz’ sederhana berdasarkan pemodelan aliran dua
dimensi angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin
aliran udara disebabkan karena sebagian energi kinetik angin diekstrak oleh rotor
turbin angin.
Gambar 2.18 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin
(Sumber : Eric Hau)
Maka besarnya daya P yang dapat diekstrak oleh turbin adalah:
P = ṁ (v12– v22) (2.13)
Persamaan ini menunjukkan bahwa daya maksimum yang akan didapat
adalah jika v2 bernilai nol yang berarti angin berhenti setelah melalui rotor turbin. Ini tidak akan mungkin terjadi karena tidak sesuai dengan hukum kontinuitas.
Sehingga kita harus membutuhkan persamaan momentum untuk dapat
mengetahui besarnya daya.
F = ṁ (v1–v2) (2.14) Dimana:
F = Gaya (Newton)
ṁ = laju aliran massa udara (kg/s)
Berdasarkan prinsip hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi akan sama
dengan gaya reaksi yaitu dimana gaya yang diberikan oleh angin terhadap rotor
turbin akan sama besarnya dengan gaya hambat yang dilakukan rotor dan
kecepatan angin v1 akan turun menjadi v’. Sehingga daya yang dibutuhkan adalah:
P = F. v’ = ṁ(v1–v2)v’ Watt (2.15) dimana:
v’ = Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)
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) (2.16)
Dengan demikian, kecepatan aliran melalui turbin ekivalen dengan
rata-rata penjumlahan v1 dan v2 :
v’ = (v1 + v2) /2 (m/s) laju aliran udara menjadi:
̇= ρAv’= ½ ρA (v1 + v2) (kg/s) (2.17)
sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan:
P = ¼ ρA (v12– v22) (v1 + v2) (W) (2.18)
Daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang tersedia di dalam
udara,
Po = ½ ρAv3 (W) (2.19) maka diperoleh koefisien performansi turbin:
Cp = P/Po =
(2.20)
C
p=
|
| |
|
(2.21)
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
hasil plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada
v2/v1 = 1/3 sehingga diperoleh: Cp = 16/27 = 0,593
Gambar.2.19 Koefisien performansi vs rasio kecepatan (Erich Hau, 2006)
Gambar.2.20 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
sampai ke nilai minimum di belakang turbin.
Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini
disebut dengan Betz limit.
Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada
u r n u
r
u 60.
. . 2
.
v’ = 2/3 v1 (2.22)
dan kecepatan udara setelah melewati turbin,
v2 = 1/3 v1 (2.23)
2.9.2 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin terhadap kecepatan angin yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai
nominal yang berubah – ubah terhadap perubahan kecepatan angin. Turbin angin
tipe lift memiliki tip speed ratio yang lebih besar dibanding dengan turbin angin tipe drag.
Tip speed ratioλ dihitung dengan persamaan :
(2.24)
Dimana :
n = putaran rotor (rpm)
r = radius rotor (m)
2.10 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 bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.
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. Generator yang dipakai pada penelitian ini adalah permanent magnet
generator tipe axial. 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
=
(2.25)
dimana n = putaran (rpm)
p = jumlah kutub generator
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian
Proses pembuatan turbin angin tipe darrieus-H dilakukan dengan cara
manual (handmade). Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai, pengujian turbin angin dapat dilakukan. Proses penelitian dilakukan di
Laboratorium Proses Produksi dan lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian
Adapun objek penelitian yaitu turbin angin tipe Darrieus-H seperti gambar
3.2 dengan desain rancangan ada pada lampiran.
1. Prototype Turbin Angin
Turbin angin ini diharapkan dapat digunakan di wilayah dengan
kecepatan angin rata rata sebesar 3,85 m/s. Potensi kecepatan angin di Indonesia
dengan kecepatan angin rata rata sebesar 3,85 m/s terdapat di provinsi Nusa
Tenggara Timur Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih ( Lampiran XVII ).
Perhitungan yang dilakukan penulis pada prototype Turbin angin tipe Darrieus H
dengan profil sudu NACA 4415 yaitu:
1. Perhitungan dimensi rotor
Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh
energi angin yang tersedia, baik itu untuk kegunaan mekanikal maupun elektrikal,
dengan mempertimbangkan efisiensi rotor dan juga efisiensi sistem mekanik.
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.
Penentuan dimensi rotor pada umumnya dilakukan dengan
mempertimbangkan berapa sebenarnya daya yang akan dihasilkan turbin dan
kecepatan angin rata rata yang terjadi. Dimensi rotor yang dipilih dengan
kecepatan angin yang terdapat di daerah provinsi Nusa Tenggara Timur
Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih, kecepatan angin rata rata sebesar
3,85 m/s. Maka dimensi rotor yang akan dibuat adalah:
D = 1,5 m
L = 1,5 m
A = D x L = 1.5 x 1.5= 2.25 m2
2. Perhitungan Daya angin
Perhitungan daya angin dilakukan untuk dapat memperkirakan besarnya
energi output yang akan dihasilkan oleh turbin angin. Besarnya daya angin dapat
dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
P = 0.η. ρ .A. v3
Dengan kecepatan angin sebesar 3,85 m/s dan massa jenis udara ρ = 1.1594 kg/m3 yaitu di ukur pada suhu 32 0 C. Maka dapat dihitung daya angin yang tersedia yaitu:
P = 0.5 x 1.1594 x 2.25 x 3.853
P = 74,43 Watt
Tabel 3.1 Daya angin dengan dimensi turbin yang berbeda
v (m/s) D(meter) L(meter)
ρ
(kg/m3) A(m2) Daya (P)
3.85 0.5 0.5 1.15946 0.25 8.270809
3.85 1 1 1.15946 1 33.08323
3.85 1.5 1.5 1.15946 2.25 74.43728
3.85 2 2 1.15946 4 132.3329
3.85 2.5 2.5 1.15946 6.25 206.7702
3.85 3 3 1.15946 9 297.7491
3.85 3.5 3.5 1.15946 12.25 405.2696
Menurut teori efisiensi Betz efisiensi turbin angin maksimal adalah sebesar
59,26% dengan syarat aliran angin seragam, aliran angin tegak lurus terhadap
sudu turbin dan aliran tidak turbulence. Sedangkan pada kondisi aktual, efisiensi Turbin angin Darrieus yang telah di pabrikasi secara presisi adalah antara 25%
sampai dengan 40% seperti ditampilkan pada grafik berikut.
Gambar 3.1. Koefisien daya dari berbagai macam rotor turbin
(Sumber : Eric Hau)
Dari gambar diatas, didapat bahwa koefisien daya (Cp) Turbin angin tipe
Darrieus rotor adalah antara 0.25 sampai dengan 0.4. Sehingga energi angin yang
dapat kita manfaatkan dengan menggunakan turbin angin Darrieus adalah:
Pturbin= 0.η x Cp x ρ x A x v3
Pturbin= 18,60 Watt Cp = 0.25
Pturbin= 29,77 Watt Cp = 0.40
3. Perhitungan Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu,
tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift
akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag. Tipe speed ratio dihitung dengan persamaan:
λ =
dimana: λ = tipe speed ratio
r = jari- jari rotor (m)
n = putaran rotor (rpm)
v = kecepatan angin (m/s)
Dengan mengasumsikan bahwa putaran rotor yang akan dihasilkan turbin
adalah sebesar 80 rpm maka maka tip speed ratio dari turbin angin Darrieus dengan profil sudu NACA 4415 adalah sebagai berikut:
λ = λ = 1,631
4. Perhitungan Daya turbin Teoritis
Gaya gaya yang bekerja pada turbin angin Darrieus H yang disebabkan
oleh adanya kecepatan angin adalah gaya lift (Fl) dan gaya drag (Fd).
Fl = cl x x ρ x A x v’2
Fd = cd x x ρ x A x v’2
dimana: Fl = Gaya lift (N)
Fd = Gaya drag (N)
FT = Gaya tangensial (N)
ct = Koefisien gaya tangensial
cl = Koefisien gaya lift
cd = koefisien gaya drag
v’ = Kecepatan angin pada sudu (m/s)
Sehinggga torsi turbin T adalah:
T = N x FT x R
dimana: N = Jumlah sudu turbin
Daya teoritis turbin adalah:
P = T .
ω
Sehingga efisiensi teoritis turbin adalah:
ɳ
teoritis =
Gambar 3.2 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H
Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H
No Spesifikasi Keterangan
1 Jenis Sumbu vertikal
2 Diameter 1500 mm
3 Tinggi 1500 mm
4 Lengan Rectangular tube 50x25x1.5 5 Jumlah sudu 3, 4, 5
2. Sudu
Profil sudu NACA 4415 dibuat dari bahan kayu. Pemilihan bahan kayu
didasarkan pada pertimbangan kemudahan pembuatan. Selanjutnya profil sudu
dari bahan kayu ini dilapisi dengan pelat aluminium setebal 0,5 mm. Alasan
pemilihan bahan pelat aluminium ini disebabkan oleh massa jenisnya yang ringan
Tabel 3.3 Spesifikasi sudu
No Spesifikasi Keterangan
1 Tipe Sudu NACA 4415
2 Tinggi 1500 mm
3 Tebal aluminium 0.50 mm
4 Bahan Plat alumunium
5 Jumlah Sudu 3, 4, dan 5 6 Berat 1 buah sudu 3,2 kg
7 Panjang chord 300 mm
Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 4415
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah
1. Digital Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan
yang mengalir pada beban, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Krisbow
Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter
Function satuan Range Accuracy (%rdg + digits) DC
Voltage
V 326m, 3.26, 32.6, 326, 1000 ± (0.5% + 2d)
AC Voltage
V 3.26, 32.6, 326, 750 ± (1.2% + 4d)
DC Current
A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.2% + 3d)
AC Current
Resistance Ω 326, 3.26K, 32.6K, 326K, 3.26M, 32.6M
± (2.0% + 4d)
Frequency Hz 320,3200,32K ± (1.5% + 4d)
Gambar 3.4 Digital Multimeter
2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin savonius, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Krisbow
Dimension : 210 x 74 x 37 (mm)
Type : Display 5 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 stable voltage power
Gambar 3.5 Digital Tachometer
3. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur kecepatan angin dan temperatur lingkungan, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Extech
Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer
Specification Range Resolution
m/s 0.6 – 30 m/s 0.01 m/s
ft/min 196 – 5900 ft/min 1 ft/min
km/h 3.6 – 108 km/h 0.1 km/h
MPH 2.2 – 67 MPH 0.1 MPH
Knots 1.9 – 58 knots 0.1 knots
Temperature 14 – 140 °F (-10 – 60 °C) 0.1 °F / °C
4. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:
Daya : 1,5 kW / 2 Hp
Putaran :1480 rpm
Tegangan : 220/380
Φ : 0,81
Gambar 3.7 Motor listrik
5. Permanent Magnet Generator (PMG)
Type : Permanet magnet generator (PMG)
Cogging torque : zero cogging torque
Rpm : very low rpm (20 s/d 500 rpm)
Ƞ : 0.7
Rotor Stator
6. Busur
Busur digunakan untuk mengatur sudut pitch pada sudu turbin.
3.3 Pelaksanaan Penelitian 3.3.1 Tahap Persiapan
Pada tahap ini, penulis melakukan persiapan sebelum melakukan penelitian.
Adapun persiapan yang dilakukan yaitu:
1. Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4, dan 5 sudu. Tiap variasi sudu
divariasikan sudut pitch 00,20,40,60,80,100, dan 120.
2. Melakukan inspeksi pada setiap objek penelitian dan alat pengujian,
apakah alat dapat berfungsi sesuai dengan fungsinya.
3. Menjalankan fan untuk menentukan titik dimana kecepatan angin sesuai dengan data kecepatan angin untuk pengujian.
4. Menempatkan turbin angin pada titik dimana kecepatan angin sesuai
dengan rencana dan diposisikan sejajar dengan fan.
5. Melihat kondisi lingkungan apakah kondisi pengujian dapat dilakukan
untuk mendapatkan hasil yang optimal.
3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data
Setelah kelima poin tahap persiapan di atas terpenuhi, pengujian dan
pengambilan data dapat dilakukan. Tahap – tahap pengujian dan pengambilan
data meliputi:
1. Turbin angin dengan tiga sudu yang siap uji ditempatkan pada titik angin
yang telah ditentukan sebelumnya.
2. Disiapkan fan ditempat dudukannya (base fan) dan dipastikan aman. 3. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu
sesuai kecepatan angin pengujian.
4. Setelah putaran rotor turbin kelihatan stabil, pengambilan data dapat
dilakukan yaitu membaca angka nominal yang tertera pada alat ukur. Pada
pengujian pertama dilakukan tanpa menggunakan beban. Adapun data
yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros
rotor turbin/putaran poros generator. Setelah pengambilan data dilakukan
5. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan
beban. Beban yang digunakan adalah beban lampu sebesar 3, 5, dan 10
watt. Pada saat pengujian dengan beban dicatat arus listrik dan tegangan
listrik yang terbaca pada alat ukur.
6. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan pembacaan nilai
pada alat ukur sebanyak 10 kali untuk mendapatkan data pengujian yang
lebih maksimal dan diambil rata – rata karena fluktuasi yang terjadi pada
saat pembacaan pengukuran.
7. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk
selanjutnya dengan variasi jumlah sudu, sudut pitch, dan beban.
Mulai
Persiapan Fan
- Diukur kecepatan angin fan (4 m/s) - Diukur dan dicatat putaran pada poros turbin angin
- Diukur dan dicatat tegangan dan kuat arus listrik sampai didapatkan daya maksimum
Dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanak 10 kali
Berhenti
Selesai
Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan
kesimpulan sementara pada saat keadaan bagaimanakah jumlah sudu dan sudut
pitch sudu yang lebih efektif dalam memanfaatkan potensi angin yang ada.
Sketsa pengujian dapat dilihat seperti pada gambar di bawah:
3.4 Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.12 Diagram alir penelitian MULAI
STUDI LITERATUR
PENGAMBILAN DATA ANGIN
PEMBUATAN TURBIN
PENGUJIAN TURBIN
PENELITIAN DAN PENGAMBILAN DATA
ANALISIS DATA
PEMBAHASAN
KESIMPULAN
BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengujian
4.1.1 Pengukuran kecepatan angin
Pengambilan data kecepatan angin diukur pada zona dimana aliran angin
belum terganggu akibat putaran turbin (free stream zone). Pada daerah ini angin mengalir dengan kecepatan aliran bebas (free stream velocity). Pada pengujian turbin angin ini, pengukuran kecepatan angin dilakukan pada:
x ≈ 1.35 r + 0.75
dimana:
x = jarak pengukuran dari pusat turbin (m)
r = radius turbin (m)
x ≈ 1.35(0.75) + 0.75 = 1.76 m ≈ 1.75 m
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 sebesar 3,85 m/s.
Berikut ini merupakan perbandingan daya angin teoritis dengan hasil
pengukuran berdasarkan kecepatan angin diatas.
Hasil perhitungan dibuat dalam tabel berikut:
Tabel. 4.2 Hasil pendekatan teoritis
V (m/s) A (m2) ρ (kg/m3) P (W) 13.00 2.25 1.15946 2865.75
9.54 2.25 1.15946 1133.73 7.81 2.25 1.15946 620.59 6.54 2.25 1.15946 364.32 4.70 2.25 1.15946 135.62 4.41 2.25 1.15946 111.79 3.85 2.25 1.15946 74.43 2.12 2.25 1.15946 12.51
ɳ
8.76% 9.40% 10.36% 11.61% 14.69% 10.71% 9.86%
251.04 269.38 296.89 332.71 420.98 306.92 282.56 99.21 106.46 117.33 131.49 166.37 121.29 111.67 54.43 58.41 64.38 72.14 91.28 66.55 61.27 31.96 34.30 37.80 42.36 53.60 39.08 35.98 11.86 12.73 14.03 15.72 19.89 14.50 13.35 9.80 10.52 11.59 12.99 16.43 11.98 11.03
6.52 7.00 7.71 8.64 10.93 7.97 7.34
1.09 1.17 1.29 1.44 1.83 1.33 1.23
6.52 7.00 7.71 8.64 10.93 7.97 7.34
Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum
φ (0) V (Volt) I (A) P (W) Pt (W) Pa (W) ƞ (%)
0 10.73 0.425 4.56 6.52 74.43 8.76
2 11.11 0.441 4.90 7.00 74.43 9.40
4 11.67 0.463 5.40 7.71 74.43 10.36
6 12.35 0.490 6.05 8.64 74.43 11.61
8 13.90 0.551 7.65 10.93 74.43 14.69
10 11.86 0.470 5.58 7.97 74.43 10.71
12 11.38 0.451 5.13 7.34 74.43 9.86
Data diatas merupakan data turbin angin dengan menggunakan 5 sudu
pembebanan 10 Watt. Dari perbandingan data tersebut dapat dilihat bahwa hasil
teoritis mendekati dengan hasil pengukuran, sehingga kecepatan angin yang
digunakan adalah kecepatan angin v = 3,85 m/s.
4.1.2 Data pengujian tanpa beban
Tabel.4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu
Φ
(0)
3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU
Vave (V)
nave (rpm)
Vave (V)
nave (rpm)
Vave (V)
Tegangan hasil pengukuran adalah tegangan AC (alternating current)
4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt
Tabel.4.5 Data pengujian beban 3 Watt
4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt
Tabel.4.6 Data pengujian beban 5 Watt
4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt
Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt
Φ
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
Kecepatan angin pada saat pengujian adalah 3.85 m/s, sehingga daya angin yang melewati luas rotor turbin menjadi:
