BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama ketersediaannya sangat terbatas dan terus menipis. Proses alam memerlukan waktu yang sangat lama untuk dapat kembali menyediakan energi fosil ini.
Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan rasio cadangan/produksi pada tahun tersebut. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun, seperti yang diperlihatkan tabel 1.1 di bawah ini.
Tabel 1.1 Cadangan Energi Fosil
karbon dioksida atau CO2 pada lapisan atmosfer yang menyebabkan pemanasan global. Pada sebuah surat kabar The Atjeh Post pada Rabu 1 Juni 2011, ”International Energy Agency (IEA) mengungkapkan bahwa kenaikan emisi karbondioksida CO2 pada tahun 2010 sebesar 1.6 gigaton (Gt), saat diakumulasikan kenaikan karbondioksida di tahun 2010 menjadi 30.6 Gt, Nicholas Stern dari London School of Economics bahkan mengklaim, jika hal ini terus berlangsung pada 2100, suhu Bumi akan naik 4 derajat Celcius”.
Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil menyemangati para peneliti di berbagai negara untuk mencari energi lain yang dikenal dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: sumbernya relatif mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar (Jarass, 1980).
Tabel 1.2 Kapasitas Tenaga Angin Tiap Negara
Angin di kawasan wilayah Indonesia mempunyai kecepatan dan arah yang selalu berubah-ubah. Menurut Karwono (2008), pada turbin angin poros horisontal pemanfaatannya harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya.
adanya fluktuasi gaya yang harmonik selama turbin berotasi penuh 360 derajat, terdapat fenomena munculnya dua pola fluktuasi dari resultan gaya yang dihasilkan. perbandingan nilai koefisien gaya seret (Cd) dan Koefisien gaya angkat (Cl) dilakukan pada sudut serang 0-90 derajat dan memberikan nilai kesalahan maksimum 6% untuk Cl dan 7% untuk Cd. Dinamika perubahan gaya disimulasikan dalam interval 5 derajat dan menggunakan variasi kecepatan upstream dengan nilai 1 m/s, 2 m/s, dan 3 m/s.
Penelitian Moch. Arif Afifuddin (2010), mengenai performansi turbin angin
vertical axis. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa semakin panjang lengan turbin maka semakin semakin kecil putarannya namun nilai torsinya semakin besar dengan turbin angin sumbu vertikal tipe Savonious.
Konstruksi turbin angin Vertical Axis yang dapat memanfaatkan potensi angin dari segala arah, konstruksi sederhana, dan tidak memerlukan tempat pemasangan yang begitu luas serta menghasilkan momen yang besar merupakan suatu pertimbangan penulis dalam memilih jenis turbin angin ini. Hal inilah yang membuat penulis ingin melakukan analisa pada turbin angin yang dapat digunakan pada kondisi tersebut yaitu dengan mengembangkan turbin angin
Vertical Axis.
Perumusan masalah pada penelitian ini adalah bagaimana mengetahui karakteristik daya dan efisiensi turbin angin Vertical Axis dua tingkat dengan jumlah
blade masing-masing tingkat tiga skala rumah tangga di lapangan ?
C. Batasan Masalah
Untuk lebih memfokuskan, penelitian dibuat batasan-batasan, antara lain:
1. Turbin angin sumbu vertical yang digunakan mengadopsi turbin angin vertical axis tipe Darieus type-H.
2. Jenis Blade
3. Perhitungan kekuatan material turbin, seperti kekuatan rangka, rotor, dan bearing diabaikan.
4. Variasi sudut pitch blade yang digunakan adalah 0,15o, 20o, 25o, 30o.
D. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik daya dan efisiensi turbin angin vertical axis dengan jumlah tiga blade dengan optimum.
E. Manfaat Hasil Penelitian
1. Penguasaan teknologi turbin angin sumbu vertical sebagai media pemanfaatan angin sebagai sumber energy.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA A. Energi Angin
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (Saiful, 2008).
Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut, berbeda halnya dengan energi air (Daryanto, 2007).
B. Turbin Angin
Turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama berdasarkan arah sumbu:
1. Turbin Angin Horizontal Axis
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 horizontal mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya
drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift, seperti terlihat pada gambar:
Gambar 2.2 Gaya Aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara.
Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal (Sumber: Sathyajith Mathew, hal 90)
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)
Single bladed, two bladed, three bladed and multi bladed turbines
Gambar 2.4 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu (Sumber: Sathyajith Mathew, hal 17)
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin sumbu horizontal dibedakan menjadi dua macam yaitu:
2) Downwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi/ menurut jurusan arah angin.
Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind (Sumber: rapidshare.com)
Rotor pada turbin upwind terletak di depan turbin, posisinya mirip dengan pesawat terbang yang didorong baling – baling. Untuk menjaga turbin tetap menghadap arah angin, diperlukan mekanisme yaw seperti ekor turbin. Keuntungannya, naungan menara berkurang. Udara akan mulai menekuk di sekitar menara sebelum berlalu begitu sehingga ada kehilangan daya dari gangguan yang terjadi, hanya tidak setingkat dengan turbin downwind.
Turbin angin downwind memiliki rotor di sisi bagian belakang turbin. Bentuk
nacelle didesain untuk menyesuaikan dengan arah angin . Keunggulannya yaitu sudu
masalah dengan mesin downwind karena menyebabkan turbulensi aliran dan meningkatkan kelelahan pada turbin.
2. Tubin Angin Vertikal Axis
Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotor tegak lurus terhadap permukaan tanah. Jika dilihat dari efisiensi turbin, turbin angin sumbu horizontal lebih efektif dalam mengekstrak energi angin dibanding dengan turbin angin sumbu vertikal.
Meskipun demikian, turbin angin vertikal memiliki keunggulan, yaitu:
a. Turbin angin vertikal tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah, tidak seperti turbin angin horizontal yang memerlukan mekanisme tambahan untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah angin.
b. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar c. Konstruksi turbin sederhana
d. Turbin angin sumbu vertikal dapat didirikan dekat permukaan tanah, sehingga memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik yang mendukung beroperasinya turbin.
Jika dilihat dari prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dibagi menjadi dua bagian, yaitu:
a) Turbin angin Darrieus
Turbin Darrieus memiliki torsi rotor yang rendah tetapi putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan energi awal untuk mulai berputar. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya memiliki variasi sudu yaitu dua atau tiga sudu. Modifikasi rotor turbin angin Darrieus disebut dengan turbin angin H.
Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus tipe-H (sumber: Rapidshare.com)
Gambar 2.7 Pandangan turbin
Keterangan gambar:
α = Sudut Serang
U∞ = Kecepatan angin (m/s)
Urot = Kecepatan putaran (rpm)
a= Titik lokasi Blade
Perhitungan turbin angin
Untuk menghitung daya yang dihasilkan yaitu:
P=m . g . ht ...(2.1)
dimana:
P= daya (watt)
m = massa beban (Kg)
g = Percepatan gravitasi (m/det2)
h = tinggi (m)
t = waktu (det)
Sedangkan untuk menghitung daya yang dihasilkan turbin adalah (Fiedler Tullis, 2009)
CP= P
0,5ρ U∞2 S ...(2.2)
dimana:
Cp = Koefisien daya turbin
ρ = Massa jenis udara (kg/m3)
U∞ = kecepatan angin (m/det)
S = Span Area (m2)
Span area adalah luasan area sapuan turbin angin, yang dihitung dengan rumus (Fiedler Tullis, 2009):
S=L x D ...(2.3)
Dimana L adalah panjang Blade dan D adalah diameter turbin angin, dengan satuan meter (m).
Gaya lift (FL) dihitung dengan menggunakan rumus(Aji Mardiono, 2005):
FL=12x CLx ρ x U2x A ...(2.4)
Tip Speed Ratio (TSR) adalah perbandingan antara kecepatan blade turbin dengan kecepatan angin, yaitu (Fiedler Tullis, 2009):
λ=ωrU
∞ ...(2.5)
Dimana ω adalah kecepatan angular daripada turbin (rpm), dan r adalah jari-jari dari turbin (m).
Efisiensi turbin angin adalah perbandingan antara daya yang diserap turbin angin terhadap daya angin yang tersedia. Untuk menghitung efisiensi dari turbin angin adalah (M. Arsad, F. Hartono 2009)
η=1 P
2ρ A'U2
b) Turbin angin Savonious
Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’, satu sisi setengah silinder berbentuk cembung dan sisi lain berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 2.14. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar daripada permukaan cembung. Oleh sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya.
Gambar 2.9 Prinsip rotor Savonious (Sumber: Sathyajith Mathew, hal 21)
Dengan memanfaatkan gaya hambat, turbin angin Savonius memiliki putaran dan daya yang rendah dibandingkan dengan turbin angin Darrieus. Meskipun demikian turbin Savonius tidak memerlukan energi awal memulai rotor untuk berputar yang merupakan keunggulan turbin ini dibanding turbin Darrieus.
sederhana seperti memompa air. Turbin ini kurang sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan tip speed ratio dan daya yang relatif rendah.
C. Airfoil
Sudu-sudu rotor turbin seringkali berpenampang airfoil tetapi adakalanya sudu ini terbuat dari plat lengkung atau sudu layar yang merupakan penyederhanaan dari bentuk propeler.
Gambar 2.10 Tipe airfoil NACA series
NACA (National Advisory Committe for Aeronautics) merupakan standar dalam perancangan suatu airfoil. Perancangan airfoil pada dasarnya bersifat khusus dan dibuat menurut selera serta sesuai dengan kebutuhan dari pesawat yang akan dibuat. Akan tetapi NACA menggunakan bentuk airfoil yang disusun secara sistematis dan rasional. NACA mengidentifikasi bentuk airfoil dengan menggunakan kode angka seperti seri “ satu “, seri “ enam ”, seri “ empat angka “, dan seri “ lima angka “.
Berikut adalah identifikasi angka-angka dari seri NACA tersebut : 1. Seri “ Satu “
a)Angka pertama adalah menunjukkan serinya.
b)Angka kedua menunjukkan letak tekanan minimum dalam persepuluh
chord dari trailing edge.
c)Angka ketiga menunjukkan koefsien gaya angkat (cl) rancangan dalam
d)Dua angka terakhir menunjukkan maximum thicknes atau ketebalan
maksimum dalam perseratus chord.
Contoh airfoil dengan NACA 16-123, angka 1 adalah serinya (seri satu angka), memiliki letak tekanan minimum 60 % chord dari trailing edge, memiliki koefisien gaya angkat rancangan 0.1 dan mempunyai ketebalan maksimum 23 % chord.
Gambar 2.11 airfoil NACA seri ” satu “
Sumber: http://panggih15.wordpress.com/2010/02/03/naca-airfoil/
2. Seri “ Enam “
a)Angka pertama menunjukkan serinya.
b)Angka kedua menunjukkan letak tekanan minimum dalam sepersepuluh
chord dari trailing edge.
c)Angka ketiga menunjukan koefsien gaya angkat (cl) rancangan dalam
sepersepuluh chord.
d)Dua angka terakhir adalah maksimum thickness dalam seperseratus
chord.
Gambar 2.12 airfoil NACA seri ” enam “
Sumber: http://panggih15.wordpress.com/2010/02/03/naca-airfoil/
3. Airfoil simetris
Dibawah ini adalah airfoil yang akan penulis pergunakan pada peneltitan ini, beserta dengan data pengujiannya, yakni airfoil NACA 0018.
Gambar 2.13 Airfoil NACA 0018 (http://worldofkrauss.com/)
Airfoil dengan NACA 0018, angka 0 adalah serinya, memiliki chamber dengan
nilai nol, dan tebal maksimum 18% chord.
Dan bagian-bagian airfoil adalah sebagai berikut: 1. Leading edge (LE) adalah ujung depan dari airfoil
2. Trailling edge (TE )adalah ujung belakang airfoil
3. Chord (c) adalah jarak antara leading edge dengan trailing edge
4. Chord line adalah garis lurus yang meng-hubungkan leading edge dengan trailing
5. Chamber line adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan permukaan bawah dari airfoil.
6. Maksimum chamber (zc ) adalah jarak mak-simum antara mean chamber line dan chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge dalam bentuk persentase chord.
7. Maksimum thickness (tmax) adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line.
BAB III
METODE PENELITIAN
Pada Bab III ini akan dibahas mengenai langkah-langkah atau prosedur ilmiah. Berikut ini akan dibahas tentang metodologi yang berkaitan dengan penelitian yang peneliti lakukan, antara lain:
A. Tempat Penelitian dan Waktu Penelitian 1. Tempat
Penelitian ini dilaksanakan di Gedung laboratorium terpadu Fakultas Teknik Universitas Negeri Surabaya.
2. Waktu
Kegiatan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari 2015 hingga Oktober 2015.
B. Jenis Penelitian
C. Rancangan Penelitian
Rancangan penelitian adalah uraian tentang prosedur atau langkah-langkah yang dilakukan oleh peneliti dalam upaya mengumpulkan dan menganalisa data. Skema
flowchart penelitian dapat dilihat pada tabel 3.1 berikut ini :
Studi pendahuluan dan
blade 3. kipas angin 4.letak penenang 5.pemasangan pulleydan
Pelaksanaan
- Kecepatan Angin 3 m/s dan 3,67 m/s - Sudut Pitch 15o, 20o, 25o, 30o
Gambar 3.1 Flowchart penelitian Simpulan
PKM 2015
1. Dimensi Turbin 2. Kecepatan Angin. 3. Daya yang dihasilkan. 4. Effisiensi Turbin Angin
End
Laporan Penelitian PKM 2015 Pengurusan
perijinan
Pembuatan Prototipe Turbin Angin Pembuatan Kontruksi Turbin Angin Rakit Sistem Pembangkit Listrik
Rakit Keseluruhan Sistem Turbin Angin Sumbu Vertikal untuk Pembangkit Listrik skala rumah
tangga
Uji Lapangan
b. Kecepatan angin (m/s)
c. Energi listrik yang dibangkitkan oleh turbin pengereman (w.h)
2. Peralatan dan Instrumen Penelitian
Peralatan dan instrumen merupakan peralatan uji yang digunakan untuk memperoleh data penelitian. Rangkaian peralatan dan instrumen dapat dilihat pada gambar 11 yang terdiri dari :
a. Satu set prototype turbin angin sumbu vertikal. b. Anemometer.
c. Tachometer. d. Inverter. e. Batterai f. Avometer
Gambar . Rangkaian instrumen penelitian
1. Ukur Kecepatan Angin. 2. Ukur putaran turbin. 3. Ukur temperature udara.
4. Ukur tegangan yang dihasilkan oleh generator. 5. Ukur arus yang dihasilkan oleh generator. 6. Lakukan langkah 1 sampai 5 tiap 30 menit.
Tabel 1. Rencana format pengumpulan data
dibaca, dipahami, dan dipresentasikan sehingga pada intinya adalah sebagai upaya memberi jawaban atas permasalahan yang diteliti (Sugiyono, 2007:147).
DAFTAR PUSTAKA
Anonim.“Airfoil Investigation Database”. http://www.worldofkrauss.com/, diakses 13 Maret 2012.
Beri, Habtanu and Yingxue Yao. 2011. “Effect of Chamber Airfoil on Self Starting of
Vertical Axis Wind Turbine”. Journal of environmental Science and Technology 4 (3):
302-312. Harbin Institute of atechnology, China.
Cooper, Paul and Oliver Kennedy. 2002. ”Development and Analysis of a Novel Vertical
Axis Wind Turbine”. University of Wollongong, Wollongong, Australia.
Daryanto, 2007, “Kajian Potensi angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu”. Balai PPTAGG-UPT-LAGG, Yogyakarta, 5 April
Fiedler, Andrzej J. & Stephen Tullis. “Blade Offset and Pitch Effects on a High
SolidityVertical Axis Wind Turbine”. 2009. Department of Mechanical Engineering,
McMaster University
Herlamba S., Indra. 2007. “Mesin Konversi Energi”. Surabaya: Unipress
Hermawan. 2010. “Unjuk Kerja Model Turbin Angin Poros Vertikal Tipe Savonius Dengan
Variasi Jumlah Sudu Dan Variasi Posisi Sudut Turbin”. Univesitas Gadjah Mada.
