SKRIPSI. Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata I. Disusun Oleh: HERMAN

(1)

i

ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL

DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT

SKRIPSI

Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata I

Disusun Oleh: HERMAN

05050009

JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO

YOGYAKARTA 2010

(2)

ii

LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING

Skripsi dengan judul:

DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT

Yang dipersiapkan oleh :

Nama : Herman Nomor Mahasiswa : 05050009

Jurusan : Teknik Penerbangan

Telah Memenuhi Persyaratan dan siap untuk diujikan

Disetujui pada Tanggal 22 Januari 2010

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

(3)

iii

LEMBAR PENGESAHAN

DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Yang dipersiapkan dan disusun oleh:

HERMAN NIM: 05050009

Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 25 Januari 2010 dan dinyatakan

telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Susunan Tim Penguji

Nama lengkap Tanda tangan

Ketua Penguji : M Ardi Cahyono, ST, MT ... Penguji I : Sri Mulyani, ST ... Penguji II : Muhammad yusuf, ST ... Penguji III : Ir Djarot Wahyu Santoso, MT ...

Yogyakarta, 25 Januari 2010 Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan

(4)

iv

PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah ini saya :

Nama : Herman Nomor Mahasiswa : 05050009

Jurusan : Teknik Penerbangan

Judul Skrips _{: Analisis perbandingan aerodinamika turbin angin} poros horisontal terhadap perhitungan daya rotor yang dihasilkan pada model airfoil blade jenis NRELdengan menggunakan software CFD fluent

Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain, kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks.

Yogyakarta, 21 Januari 2010 Yang Menyatakan

HERMAN NIM. 05050009

(5)

v

LEMBAR PERSEMBAHAN

Tugas akhir ini kupersembahkan kepada :

Akhmad syatori dan

Akhmad syatori dan S

S

Sunirih, Ayah dan ibuku yang tercinta

S

unirih, Ayah dan ibuku yang tercinta

Edy supriadi dan Trisna utami, adik

Edy supriadi dan Trisna utami, adik----adikku

adikku

Dan seluruh keluarga besarku di indramayu

Mariah ismail

Teman

Teman----teman TPA 2005

teman TPA 2005

Dosen

Dosen---- dosen STTA Yogyakarta

dosen STTA Yogyakarta

Trimakasih atas Doa, semangat, dan dukungannya

(6)

vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Yang Maha Esa yang telah memberikan Rahmat serta Hidayah kepada penulis, karena dengan Rahmat dan Hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat akademis untuk menyelesaikan pendidikan S-1 Studi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta

Dalam kesempatan ini penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung dalam menyelesaikan skripsi ini, karena tanpa dukungan dari pihak-pihak tersebut, penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik, oleh karena itu penulis ingin berterima kasih kepada :

1. Kedua orang tua saya, yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil.

2. Mariah Ismail yang tidak henti-hentinya memberikan semangat

3. Bapak Ir. Suyitmadi. MT selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto.

4. Bapak Ir. Djarot Wahyu S,MT selaku Ketua Jurusan Teknik Penerbangan dan juga dosen penguji pada skripsi ini.

5. Bapak M. Ardi Cahyono.ST.MT selaku Dosen Pembimbing I, yang sangat banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.

6. Ibu Sri Mulyani. ST, selaku Sekjur Jurusan Teknik Penerbangan sekaligus dosen pembimbing yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.

7. Bapak Muhammad yusuf. ST selaku dosen penguji pada skripsi ini

8. Bapak dan ibu dosen di jurusan teknik penerbangan STTA Yogyakarta yang telah memberikan bekal ilmu dan pengetahuan kepada penulis. 9. Mas didi beserta keluarga, selaku penghuni kost di Yogyakarta, trimakasih

(7)

vii

10.Teman-teman TPA 2005 yang telah memberikan semangat dan dukungannya, dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu. 11.Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu-persatu yang

telah banyak membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

Demikian yang dapat penulis sampaikan, dan penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya jika dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat kesalahan dan kekurangan, karena penulis sadar kesempurnaan hanya milik Allah Yang Maha Esa, dan manusia sebagai penulis masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran dari rekan-rekan semua sangat penulis harapkan.

Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.

Yogyakarta, Januari 2010

(8)

viii

ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL BLADE JENIS NREL DENGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Oleh :

Herman 05050009

ABSTRAK

Turbin angin adalah suatu alat yang didesain untuk menangkap energi kinetik angin. Komponen pertama yang berperan untuk menangkap energi angin adalah rotor turbin angin. Rotor menghasilkan daya mekanik berupa putaran poros. Yang dipergunakan untuk memutar generator listrik melalui sebuah sistem transmisi, generator ini lah yang akan mengubah daya mekanik menjadi daya listrik.

Untuk blade turbin angin digunakan airfoil tipe NREL S833, S834, S835. Penghitungan coefficient drag dan coefficient lift dari masing-masing tipe airfoil menggunakan software fluent dan didapatkan hasil coefficient lift maksimum untuk NREL S833 sebesar 1,2706, NREL S834 : 0,96493 dan NREL S835 : 1,3154 sehingga yang paling tinggi menghasilkan gaya lift adalah airfoil tipe NREL S835.

Sebagai pembanding saat perhitungan daya, desain blade untuk tipe airfoil divariasikan, variasi desain blade rotor pertama dengan nilai sudut θ_dan

chord fleksibel untuk tiap segmennya, menghasilkan daya optimal pada airfoil tipe NREL S834 dengan nilai 6,1004925 watt. Variasi desain blade rotor kedua dengan nilai sudut θ_{fleksibel dan nilai chord tetap menghasilkan daya terbesar}

pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt. Variasi desain blade rotor ketiga dengan nilai sudut θ_{tetap dan nilai chord tetap untuk tiap}

segmennya menghasilkan daya terbesar pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt 40,43831

(9)

ix DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ……… i

LEMBAR PERSETUJUAN ………. ii

LEMBAR PENGESAHAN ……….. iii

LEMBAR PERNYATAAN ……….. iv

LEMBAR PERSEMBAHAN ………... v

KATA PENGANTAR ……….. vi

ABSTRAK ……… viii

DAFTAR ISI ………. ix

DAFTAR GAMBAR ……… xii

DAFTAR TABEL ………. xv

DAFTAR GRAFIK ………... xvii

DAFTAR SIMBOL ………... xviii

DAFTAR KARAKTER ……… xx

DAFTAR LAMPIRAN ………. xxi

BAB I PENDAHULUAN ……….. 1

1.1 Latar Belakang Masalah ………. 1

1.2 Tujuan Penulisan ……… 4

1.3 Rumusan Masalah ………... 4

1.4 Batasan Masalah ……… 5

1.5 Manfaat Penelitian ……… 5

1.6 Sistematika Penulisan ……… 6

BAB II LANDASAN TEORI ……… 7

2.1 Pengenalan Turbin angin ……… 7

2.2 Jenis Desain Turbin Angin ……….. 9

2.3 Airfoil Blade ………... 12

2.4 Bahan Dan Konsep Jumlah Blade ………... 14

2.4.1 Bahan Blade ……….... 14

(10)

x

2.5 Fungsi Dan Komponen Utama Pada Turbin Angin ………… 16

2.6 Vortex System Dibelakang Turbin Angin ……….. 19

2.7 Teori Momentum ……… 22

2.8 Teori Momentum Element Bilah ……… 29

2.8 Lift , Drag dan Koefisien Momen Airfoil ……….. 34

2.9 Pengenalan CFD Dan Aplikasinya ……… 38

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ……….. 41

3.1 Tinjuan Umum Airfoil Uji ……….. 41

3.2 Teknik Pengumpulan Data ……….. 42

3.3 Proses Analisa simulasi ………... 43

3.4 Proses Perhitungan ……….. 44

3.5 Format Penelitian ………. 45

3.6 Analisa Perhitungan Awal ………... 47

BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN ………... 50

4.1 Pemodelan Pada Gambit ………. 50

4.2 Simulasi Pada Fluent ………... 56

4.3 Contour pada Fluent………. 66

4.4 Data Hasil Simulasi Pada Software Fluent ……….. 67

4.5 Perhitungan Sistem Persamaan Coefficient Lift Dan Drag …. 74 4.5.1 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S833 ……… 75

4.5.2 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S834 ……… 78

4.5.3 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S835 ……… 80

4.6 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin ……… 84

4.6.1 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S833 ……… 86

4.6.2 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S834 ……… 95

(11)

xi

4.6.3 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil

NREL S835 ……… 100

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………. 106

5.1 Kesimpulan ………. 106

5.2 Saran ………... 106

DAFTAR PUSTAKA ……… 107 LAMPIRAN

(12)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Turbin angin sumbu vertikal (TASV) ……… 3

Gambar 1.2 Turbin angin sumbu horisontal (TASH) ……… 3

Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat ……… 7

Gambar 2.2 Turbin angin sumbu horizontal ………. 8

Gambar 2.3 TASH (Turbin angin sumbu horisontal) ……… 9

Gambar 2.4 Macam tipe TASH ……… 10

Gambar 2.5 TASV (Turbin angin sumbu vertikal) ………... 11

Gambar 2.6 Airfoil ……… 12

Gambar 2.7 Skema terjadinya lift ………. 13

Gambar 2.8 Komponen Pada Turbin Angin ………. 17

Gambar 2.9 Generator ………... 18

Gambar 2.10 Skema vortex system dibelakang turbin angin ………. 19

Gambar 2.11 Rotor turbin angin dengan radius R ……….. 20

Gambar 2.12 Pemotongan radial pada rotor turbin angin ………. 20

Gambar 2.13 Vortex system dibelakang turbin angin pada CFD ………… 21

Gambar 2.14 Diagram kecepatan dan tekanan udara ketika melintasi rotor 23 Gambar 2.15 Volume atur pada rotor ………. 24

Gambar 2.16 Volume atur pada rotor ………. 26

Gambar 2.17 Volume atur pada rotor ………. 29

Gambar 2.18 Diagram kecepatan pada rotor ……….. 30

Gambar 2.19 Diagram kecepatan pada bidang rotor ……….. 31

Gambar 2.20 Variasi koefisient gaya angkat terhadap sudut serang (α_{) … 34} Gambar 2.21 Definisi lift dan drag ………. 35

Gambar 2.22 Contoh tampilan hasil simulasi pada CFD ……… 38

Gambar 3.1 Airfoil NREL S833 ……… 41

Gambar 3.3 Airfoil NREL S835 ………... 41

Gambar 3.4 Diagram alir prosedur simulasi ………. 43

(13)

xiii

Gambar 4.1 Gambit startup ……….. 50

Gambar 4.2 Titik koordinat airfoil ………... 50

Gambar 4.3 Garis pada airfoil ……….. 51

Gambar 4.4 Gambit garis topologi ………... 52

Gambar 4.5 Gambit bidang topologi ……… 53

Gambar 4.6 Gambit mesh garis ………. 54

Gambar 4.7 Gambit mesh bidang ……….. 55

Gambar 4.8 Tipe kondisi batas ……….. 56

Gambar 4.9 Eksport mesh file ……… 56

Gambar 4.10 Pemilihan jenis versi Fluent ……….. 57

Gambar 4.11 Check data ………. 57

Gambar 4.12 Parameter untuk mendefinisikan model ……… 58

Gambar 4.13 Mengaktifkan persamaan energy ……….. 58

Gambar 4.14 Mengaktifkan model turbulen Spalart-Allmaras ………….. 59

Gambar 4.15 Mendefinisikan material ……… 60

Gambar 4.16 Mendefinisikan kondisi operasi ……… 60

Gambar 4.17 Mendefinisikan kondisi batas ………... 61

Gambar 4.18 Mendefinisikan parameter solutions……….. 61

Gambar 4.19 Menginisiasi perhitungan ……….. 62

Gambar 4.20 Mengaktifkan residual plotting ………. 62

Gambar 4.21 Mengaktifkan grafik koefisien lift dan koefisein drag ……. 63

Gambar 4.22 Memasukkan nilai reference ……….. 64

Gambar 4.23 Menentukan jumlah iterasi ……… 64

Gambar 4.24 Melihat hasil iterasi dalam bentuk contour ………... 65

Gambar 4.25 Mencetak hasil Cl dan Cd ……….. 65

Gambar 4.26 Contur kecepatan airfoil NREL S833 dengan sudut serang 0° 66 Gambar 4.27 Contur tekanan airfoil NREL S833 dengan sudut serang 0° . 66 Gambar 4.28 Airfoil NREL S833 ……… 67

Gambar 4.30 Airfoil NREL S835 ………... 72

(14)

xiv

Gambar 4.32 Ilustrasi pembagian segmen pada blade ……… 84 Gambar 4.33 Tampilan software wind turbine blade calculator ………… 86

(15)

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Format penelitian untuk model variasi blade 1 ………. 45

Table 4.1 Tabel garis topologi ……….. 51

Tabel 4.2 Hasil pengujian Cl dan Cd airfoil NREL S833 ………. 67

Tabel 4.5 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S833... 76

Table 4.6 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S833.. 77

Table 4.7 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S834.. 78

Tabel 4.8 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S834.. 79

Tabel 4.9 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S835.. 81

Tabel 4.10 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S835.. 82

Tabel 4.11 Hasil perhitungan pada software blade calculator …………... 85

Tabel 4.12 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor 1 ………. 91

Tabel 4.17 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi desain blade rotor 3 ……… 98

Tabel 4.18 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi desain blade rotor 1 ………. 100

(16)

xvi

Tabel 4.19 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi

desain blade rotor 2……….. 101 Tabel 4.20 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi

design blade rotor 3……….. 102 Tabel 4.21 Perbandingan nilai daya rotor dan thrust yang dihasilkan

(17)

xvii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 2.1 Hubungan CT dan CP terhadap reduksi axial (a) untuk turbin

angin sumbu horizontal ideal ………... 28

Grafik 4.1 Cl vs

α

airfoil NREL S833 ……….. 68

Grafik 4.2 Cd vs

α

Grafik 4.3 Cl vs Cd airfoil NREL S833 ………. 68

Grafik 4.4 Cl vs

α

airfoil NREL S834 ………... 70

Grafik 4.5 Cd vs

α

airfoil NREL S834 ………... 71

Grafik 4.7 Cl vs

α

Grafik 4.8 Cd vs

α

airfoil NREL S835 ………. 73

Grafik 4.10 Hubungan CT dan CP terhadap reduksi axial (a) untuk turbin angin sumbu horizontal yang ideal ……….. 89

(18)

xviii

DAFTAR SIMBOL

A Area rotor

aAB Transformasi matrix dari sistem A ke B

a faktor reduksi aksial, radius tower a’ Faktor reduksi tangensial

B Jumlah dari blade

Cp Coefficient power

CT Coefficient thrust

Cl Coefficient lift

Cd Coefficient drag

Cm Moment coefficient

Cn Coefficient beban normal

Ct Coefficient beban tangential

Cθ Azimuthal component of axial velocity

c Chord

D Diameter rotor, drag dA Normal vector to area

E Modulus of elasticity ES Moment of stiffness F Force (vector)

f External body force (vector)

f Force, probability, frequency

H Tinggi menara, form factor

hw Weibull distribution

I Moment of inertia, turbulence intensity K Stiffness matrix

k Form factor

L Lift,

(19)

xix

M Torque, aerodynamic moment Ma Mach number

݉ሶ _{Aliran massa}

m Mass per length

n Rotational speed of shaft P Momentum (vector)

P Power

P Pressure, load

PN Load normal to rotor plane PT Load tangential to rotor plane

Re Reynolds number

R Rotor radius, resistance r Radius (vector)

r Radius

T Thrust, total time

U Boundary layer edge velocity

u x-component of velocity vector, axial velocity at rotor plane, deflection u1 Velocity in wake

Vb Blade velocity (vector) Vo Wind speed

V∞ Velocity at infinity

Vrel Relative velocity to aerofoil

Vθ Tangential velocity component

V2 Velocity in rotor plane for a shrouded rotor

v y-component of velocity vector

w Induced velocity

(20)

xx

DAFTAR KARAKTER

α _{angle of attack}

β twist of blade

∆t Time increment

δ Boundary layer thickness

δ* Displacement thickness

ε Augmentation factor, strain

θ Momentum thickness, local pitch

θp Pitch angle

θo Azimuthal position where blade is deepest into the wake

θwing Azimuthal position of blade

θyaw Yaw angle

κ Curvature about the principal axis

λ Tip speed ratio

µ Dynamic viscosity

ν Kinematic viscosity, wind shear exponent

ρ Density

σ Solidity, stress, standard deviation

σr Stress range

σm Mean stress

τ Shear stress, time constant

φ Flow angle

χ Wake skew angle

ω Angular velocity of rotor, eigenfrequency

(21)

xxi

DAFTAR LAMPIRAN

1. Contour hasil simulasi pada software fluent……… 108

2. Titik koordinat airfol NREL S833……….. 113

3. Titik koordinat airfoil NREL S834……… 114

4. Titik koordinat airfoil NREL S835……… 115

5. Tabel skala beauford……….. 116