DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU MENGGUNAKAN SOFTWARE SOLIDWORKS 2018

(1)

1

DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL

SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU MENGGUNAKAN

SOFTWARE SOLIDWORKS 2018

Eko Susetyo Yulianto

FakultasTeknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin, Univeresitas Gunadarma Jl. Margonda Raya No 100, Depok, 16424

Email :susetyo@staff.gunadarma.ac.id

ABSTRAK

Turbin Savonius memiliki karakteristik starting torsi yang baik, dan dapat menerima angin dari segala arah. Pada tahap perancangan sudu turbin aspek aspek yang harus diperhatikan yaitu jumlah sudu itu sendiri, lalu jenis material yang digunakan serta menentukan ukuran dari rotor tersebut. Dapat diketahui bahwa sesuai dengan hukum Betz, tidak ada turbin yang dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%). Sudu turbin angin model Savonius tipe U dengan diameter x Panjang yaitu824 mm x 1200 mm, memiliki nilai tsr 0.51 dan nilai CP 0.53 serta memiliki efisiensi sebesar 0.59. Daya yang dihasilkan dalam satu kali putaran sebesar75.29 Watt dan daya total 127.23 Watt pada 59.4 RPM. Lalu torsi yang didapatkan sebesar 8.84 N. Dimana hasil tersebut dipengaruhi hasil data teoritis kecepatan angin sebesar 5 m/s.

(2)

2 ABSTRACT

The Savonius turbine has good starting torque characteristics, and can accept wind from all directions. At the turbine blade design stage aspects that must be considered are the number of blades themselves, then the type of material used and determine the size of the rotor. It can be seen that according to Betz law, no turbine can catch more than 16/27 (59.3%). Savonius U type wind turbine blades with diameter x length that is 824 mm x 1200 mm, has a tip speed ratio value of 0.51 and a CP value of 0.53 and has an efficiency of 0.59. The power generated in one cycle is 75.39 Watt and the total power is 127.23 Watt at 59.4 RPM. Then the torque obtained is 17.74 N. Where the results are influenced by the results of theoretical data on wind speed of 5 m/s.

Keywords: Power Plants , Simulation, Wind Turbines Savonius.

PENDAHULUAN

Kebutuhan akan energy semakin hari

semakin meningkat seiring dengan

bertambahnya jumlah penduduk,

pertumbuhan ekonomi dan konsumsi energi yang sangat tinggi. Konsumsi listrik terus tumbuh tiap tahunnya pada kisaran 6% dan program menerangi 2500 desa

merupakan upaya pemerintah untuk

meningkatkan rasio elektrifikasi.[1] Dengan mengacu kepada Perpres No. 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional, bahwa dalam Perpres disebutkan kontribusi EBT harus dimaksimalkan perannya dalam penggunaannya di Indonesia pada tahun 2025 nanti[2]. Salah satu sumber energy terbarukan adalah energy angin. Energi

angin merupakan salah satu energi yang ramah lingkungan, sumber energi yang berlimpah dan dapat diperbaharui

sehingga sangat berpotensi untuk

dikembangkan. Upaya untuk

mengembangkan energy angin mencakup pengembangan energy angin untuk listrik dan non listrik (pemompaan air untuk irigasi dan air bersih). Potensi angin di Indonesia pada umumnya memiliki kecepatan angin yang rendah berkisar antara 3-8 m/s[3]. Sehingga jenis turbin angin vertical dirasa sangat cocok untuk digunakan pada kondisi kecepatan angin rendah. Pada umumnya bentuk turbin angin yang banyak digunakan adalah turbin angin sumbu horizontal, walau

(3)

3

demikian turbin angin sumbu vertical menjadi alternative untuk menghasilkan energy listrik disebabkan oleh beberapa keuntungan.

Turbin angin vertical memiliki Self Starting yang baik sehingga mampu memutar rotor walaupun kecepatan angin rendah[4]. Selain itu juga kelebihan dari turbin angin sumbu vertical yaitu dapat berputar secara efektif dengan dorongan angin dari segala arah, sehingga sangat cocok untuk daerah yang arah anginnya bervariasi. Berbeda dengan turbin angin sumbu horizontal, untuk mendapatkan putaran yang efektif turbin harusdiarahkan pada posisi berlawanan dengan arah angin, ketika kondisi angin bervariasi maka turbin jenis sumbu horizontal tidak dapat berputar dengan maksimal karena harus mencari posisi efektif dari arah angin terlebih dahulu[4]. Salah satujenis Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) adalah model

Savonius.Turbin Savonius memiliki

karakteristik starting torsi yang baik, mudah dalam pembutannya dan dapat menerima angin dari segala arah.

Berdasarkan uraian diatas, maka

penulis tertarik untuk membuat

perancangan sudu turbin angin tipe Savonius tipe U, serta menganalisa laju aliran pada sudu Turbin Angin Sumbu Vertical Savonius tipe U menggunakan software Solidworks 2018.

TINJAUAN PUSTAKA

Angin merupakan salah satu unsur yang dapat mempengaruhi kondisi cuaca dan iklim. Angin adalah pergerakan udara

yang disebabkan adanya perbedaan

tekanan udara yang mengakibatkan adanya hembusan atau tiupan disuatu Tempat atau daratan.

Salah satu kondisi angin yang harus di pertimbangkan adalah kecepatan angin. Syarat Kecepatan Angin Tingkat kecepatan angin berdasarkan kondisi alam yang terjadi dijelaskan pada tabel 1

Tabel 1. Tingkatan kecepatan angin berdasarkan kondisi alam.(Sumber : Antonov Bachtiar, Wahyudi Hayattul.

2018)

Selain kecepatan angin, parameter yang harus diperhatikan pada angin adalah masa jenisnya (ρ). Dimana Tingkat masa

(4)

4

jenis berhubungan salah satunya dengan suhu, Jika suhu dinaikkan massanya akan berkurang, dapat dilihat padat abel 2 yaitu tabel property dari udara/angin.

Tabel 2. Physical Properties of Air (Sumber : Applied Fluid Dynamics

Handbook: Blevins, Robert D)

Turbin angin atau wind turbine adalah kincir angin yang digunakan untuk

memutar generator listrik dan

menghasilkan energy listrik. Prinsip kerja dari turbin angin ini menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber

daya alam yang terbarukan yaitu

angin.Sebuah pembangkit listrik tenaga

angin dapat dibuat dengan

menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui

kabel transmisi dan didistribusikan

kerumah-rumah, kantor, sekolah, dan

sebagainya. Berikut ini adalah jenis turbin angin: [5]

a) Turbin Angin Sumbu Horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine)

b) Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Vertical Axis Wind Turbine)

Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling-baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan kesebuah servo motor.

Gambar 1.Turbin angin sumbu horizontal (Sumber :Antonov Bachtiar,

WahyudiHayattul. 2018)

Berdasarkan jumlah sudu, maka turbin angin sumbu horizontal memiliki beberapa jenis yaitu turbin angin satu sudu

(5)

5

(single blade), turbin angin dua sudu (double blade), turbin angin tiga sudu (three blade) dan turbin angin banyak sudu (multi blade) seperti pada Gambar 2.

Gambar 2.Bentuk Sudu/Blade TASH (Sumber :Agus Mukhtar, HisyamMa’mun.

2016)

Turbin angin sumbu

vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. agar menjadiefektif. Kelebihan ini sangat berguna di

tempat-tempat yang arah anginnya sangat

bervariasi. VAWT mampu

mendayagunakan angin dari berbagai arah.

Gambar 3.Turbin angin sumbu vertikal (Sumber :Antonov Bachtiar,

WahyudiHayattul. 2018)

Beberapa penelitian telah

dilakukan untuk membuat berbagai

macam bentuk sudu yang sesuai untukt urbin Angin. Diantara beberapa bentuk sudu yang telah dibuat untuk turbin angin sumbu horizontal adalah multi blade, sail

swing, tipe Belanda dan propeller.

Sedangkan pada turbin 22ngina sumbu vertical adalah cross- flow, savonius, darrieus dan giromillseperti pada Gambar 4

Gambar 4.Bentuk Sudu/Blade TASV (Sumber :Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul

Saleh. 2015)

RumusPerancanganSuduTurbinSavoni us

1. EnergiKinetik

Ek ½ mv2 (2.1)

2 . Laju Volume Aliran

V = vA (2.2) 3. Massa Aliran ṁ = ρAv (2.3) 4. Daya Total Ptotal= 1 2 𝑥 𝐺𝑐 𝜌𝐴𝑉 3 _(2.4)

(6)

6 5. DayaMaksimal PMaks= 8 27 𝑥 𝐺𝑐𝜌𝐴𝑉 3 _(2.5) 6. EfisiensiSuduTurbin Ƞsudu = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.6) 7. KoefisienDaya Cp = 1 P 2 𝑥 𝜌 𝑥 𝑉 3_{𝑥 𝐴} (2.7)

8. Tip Speed Ratio

𝜆 = 𝜔𝑟 V (2.8) 9. PutaranTurbin RPM = 60λ x V π x D (2.9) 10. Torsi 𝜏 = _{π x RPM}30 x P (2.10)

METODOLOGI DESAIN DAN PERANCANGAN

Berikut ini adalah diagram alir Perancangan Sudu Turbin Angin Model Savonius untuk pembangkit listrik tenaga angin, kemudian proses desain serta analisa aliran (flow)pada sudu sebagai berikut:

Gambar 5 Diagram Alir Proses

PerancanganSuduTurbinAngin Model Savonius Studi Literatur

Dalam menyelesaikan penuliasn ini penulis membaca beberapa referensi dari jurnal maupun buku untuk menambah

pengetahuan mengenai turbin angin.

Kajian terdahulu diperlukan agar proses penulisan dilakukan lebih optimal. Ada beberapa kajian penelitian yang sudah dilakukan penulis penulis sebelumnya yang tercantum pada bab sebelumnya.

IdentifikasiMasalah

Berdasarkan penulis-penulis

sebelumnya dalam merancang bangun turbin angin untuk pembangkit listrik tenaga angin maka dapat diidentifikasi masalahnya diantaranya yaitu jumlah sudu berpengaruh terhadap menaikan efisiensi.

(7)

7

Selainitu, pengaruh jumlah sudu dapat mempengaruhi torsi yang dihasilkan. Dimana, semakin banyak jumlah sudu akan menaikan nilai torsi.

Perancangan dan KonsepProduk

Berdasarkan spesifikasi Teknik

produk hasil pengumpulan data diatas, maka dapat dicari beberapa konsep produk

yang dapat memenuhi

persyaratan-persyaratan dalam spesifikasi tersebut.

Adapun spesifikasi sudu turbin angin vertical savonius tipe U 4 sudu adalah berikutini : Jenisproduk : Suduturbin Model : Savonius Tipe : U Diamatersudu : 824 mm Tinggi sudu : 1200 mm Jumlahsudu : 4 buah Tebalsudu : 3 mm

Gambar 6. Alat Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan Sudu Savonius 4

sudu Tipe U .

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Dengan menganggap suatu

penampang melintang A, dimana udara

dengan kecepatan v mengalami

pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut denganaliran volume V sebagaipersamaan (2.2) : V = 5 m/s x 3.32 m2 V = 16.6 m3 Sedangkanaliranmassadengankec epatanudaradapatdihitungdenganpersamaa n (2.3) : ṁ = 1.165 Kg/m3 x 3.32 m2 x 5 m/s ṁ = 19.34 Kg/m6 .s

Parameter yang penulis gunakan dalam perancangan sudu turbin angin yang

diperlukan untuk simulasi analisis

mencakup data-data yang diketahui

diantaranya :

Perhitungan Spesifikasi SuduTurbin Angin Savonius

a. Diameter sudu = 0,82 m

b. Jari-jarisudu = 0.41 m

(8)

8 d. Masa udara = 1.165 Kg/m3 e. Tinggi sudu= 1.2 m f. Luas sudu = 3.32 m2 g. SuhuLingkungan = 30°C h. FaktorKoreksi = 1.9Kg/N.m2

Menghitung Daya Total

Ptotal=

1

2 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 5 3

Ptotal= 127.23 Watt

Menghitung Daya Maksimum

PMaks=

8

27 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 5 3

PMaks= 75.39 Watt

Efisiensi Teoritis Ideal Sudu

Ƞsudu =

75 .39 127 .23

Ƞsudu = 0.59

Koefisien Daya Sudu (Cp)

Cp = 1 55.57 2 𝑥 1.165 𝑥 5

3_{𝑥 1.45}

Cp = 0.53

Tip Speed Ratio

𝜆 = 2 𝑥 3.14 𝑥 0.41

5

𝜆 = 0.51 Putaran Sudu Turbin

RPM = 600 .51 x 5 π x 0.82 RPM = 59.4 RPM Torsi 𝜏 = 30 x 127 .23_{π x 59.4} 𝜏 = 20.45 Nm

Analisa dan Simulasi Sudu Turbin Angin Menggunakan Software Solidworks 2018

Berikut adalah Hasil/output dari

simulasi yang dilakukan ditampilkan

dalam bentuk distribusi kecepatan pada turbin menggunakan Software Solidworks 2018, dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7.Hasil Simulasi Aliran (velocity) pada Sudu dengan Software Solidworks

2018

Selanjutnya, pada Gambar 7.

ditunjukkan distribusi kecepatan pada sudu turbin denganj umlah blade sebanyak

(9)

9

empat buah. Dimana sudu turbin berputar dengan kecepatan 59.99 RPM sesuai dengan perhitungan teoritisnya. Pada

gambar tersebut terlihat distribusi

kecepatan paling rendah yakni 0.022 m/det ditandai dengan warna biru tua pada sudu. Garis-garis arus yang menggambarkan kecepatan angin mengenai dan melalui sudu melintas melewati sudu dari sisi atas, samping kanan dan bawah dari sudu, kontur warna yang terjadi didominasi warna biru tua dan biru muda pada dasar

sudu. Pada belakang sudu terlihat

semacam olakan (wake) dan selanjutnya arus berbelok dan berputar mengikuti putaran turbin yang menandai angin diserap oleh sudu turbin guna dikonversi

menjadi energy gerak (mekanik).

Distribusi kecepatan tertinggi yang terjadi pada bagian yang memutar sudu berkisar 0.022 m/det sampai 5.076 m/det. Dimana kecepatan angin inilah yang terjadi pada saat sudu turbin berputar pada kecepatan 59.4 RPM.

Gambar 8.Distribusi kecepatan pada sudu turbin

Semakin tinggi distribusi kecepatan yang terjadi pada rotor akan semakin baik kerena memungkin kan memberikan gaya dorong pada sudu dan diteruskan pada poros rotor sehingga dapat menghasilkan energy mekanik, energy listrik berguna sesuai dengan kebutuhan/aplikasinya.

Berikut adalah Hasil/output dari

simulasi yang dilakukan ditampilkan

dalam bentuk distribusi tekanan pada sudu turbin menggunakan Software Solidworks 2018, dapatdilihat pada gambar 8.

(10)

10

Gambar 9. Hasil Simulasi Aliran (Pressure) pada Sudu dengan Software

Solidworks 2018

Gambar 9. menampilkan distribusi tekanan pada turbin dengan jumlah sudu empat, distribusi tekanan minimum terjadi adalah 101.364,58 Pascal dan tertinggi sebesar 101.385, 46 Pascal, dengan selisih 20,88 Pascal. Hasil simulasid engan empat blade ini terlihat tekanan akibat kecepatan angin merata secara luas pada pada sekitar sudu, sehingga optimal dalam memberikan gaya dorong atau torsi pada sudu yang berakibatl angsung pada kemampuan rotor melalui blade melakukan putaran poros turbin.

Distribusi tekanand ekat rotor cukup tinggi dan tersebar secaral uas. Salah satu kelebihan dari turbin angin sumbu vertical adalah dengan kecepatan angin yang relative rendahs ekitar 0,2 m/s sampai 5 m/s sudah mampu memutar rotor turbin. Berdasarkan analisis dan simulasi menggunakan Software Solidworks 2018.

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan.

Simulasi serta Analisa yang telah

dilakukan terhadap model sudu model Savonius untuk pembangkit listrik tenaga angin, maka dapat ditarik kesimpulan : 1. Sudu turbin angin model Savonius

tipe U dengan diameter x Panjang yaitu 824mm x 1200mm, memiliki nilai tip speed ratio 0.51 dan nilai koefisien daya 0.53 serta memiliki

efisiensi sebesar 0.59. Dapat

menghasilkan daya dalam satu kali putaran sebesar75.39 Watt dan daya total 127.23 Watt pada 59.4 RPM. Lalu torsi yang didapatkans ebesar

(11)

11

20.45 N. Dimana hasil tersebut

dipengaruhi hasil data teoritis

kecepatan angin sebesar 5 m/s.

2. Hasil Analisa aliran menggunakan

software Solidworks 2018 diketahui bahwa Distribusi kecepatan angin

pada Sudu turbin angin model

Savoniustipe U dengan diameter x Panjang yaitu 824mm x 1200mm terlihat merata pada setiap sudu dan

berpotensi untuk memberikan

dorongan pada sudusehingga pada akhirnya akan memberikan kecepatan putar pada rotor turbin. Kecepatan rotor turbin berbanding lurus dengan konversi energy putar (mekanik) rotor menjadi energy listrik pada generator yang dapat menghasil kan listrik, sebagai konversi dari putaran rotor

bilamana dihubungkan dengan

generator listrik. Semakin tinggi distribusi kecepatan yang terjadi pada rotor akan semakin baik kerena

memungkinkan memberikan gaya

dorong pada sudu dan diteruskan pada

poros rotor sehingga dapat

menghasilkan energy mekanik, energy

listrik berguna sesuai dengan

kebutuhan/aplikasinya.

3. Hasil Analisa aliran menggunakan

software Solidworks 2018 diketahui bahwa Distribusi tekanan dari angin

pada Sudu turbin angin model

Savoniust ipe U dengan diameter x Panjang yaitu 824mm x 1200mm ini terlihat tekanan akibat kecepatan angin merata secara luas pada sekitar sudu, sehingga optimal dalam memberikan gaya dorong atau torsi pada sudu yang berakibat langsung pada kemampuan rotor melalui blade melakukan putaran poros turbin. Distribusi tekanan dekat rotor cukup tinggi dan tersebar secara luas. Salah satu kelebihan dari turbin angin sumbu vertical adalah dengan kecepatana ngin yang relative rendah sekitar 0,2 m/s sampai 5 m/s sudah mampu memutar rotor turbin.

(12)

12

DAFTAR PUSTAKA

1. Pusat Data dan Teknologi

Informasi Energi dan SumberDaya Mineral Kementrian ESDM. 2017.

Kajian Penyediaan Dan

Pemanfaatan Migas, Batubara, EBT Dan Listrik. Jakarta. Pusat Data dan Teknologi Informas i Energi dan SumberDaya Minera l Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral.

2. Kementrian ESDM. 2016.

BLUEPRINT PENGELOLAAN

ENERGI NASIONAL 2006 – 2025.

Jakarta. Keputusan Menter i

Energidan Sumber Daya Minera l No. 0983 K/16/MEM/2004

3. I.B. Alit, Nurchayati. 2016. Turbin angin poros vertical tipe Savonius bertingkat dengan variasi posisi sudut. Dinamika Teknik Mesin, Vol. 6.

4. IrvanSeptyan Mulyana. 2017.

Perancangan Turbin Angin Vertikal Savonius Sebagai Sumber Energy Untuk Penerangan Jalan Toll. UG Jurnal. Vol. 11.

5. Antonov Bachtiar, Wahyud i

Hayattul. 2018. Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Angin PT. LenteraAngin Nusantara (LAN)

Ciheras. JURNAL TEKNIK

ELEKTRO ITP. Vol. 7

6. AgusMukhtar,HisyamMa’mun.

2016. APLIKASI PERMANENT

MAGNETIC BEARING DALAM RANCANG BANGUN VERTICAL WIND TURBIN. Jurnal Ilmia h Teknosains. Vol. 2 No. 1

7. Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul

Saleh. 2015. Rancang Bangun

Kincir Angin Sumbu Vertikal Pembangkit Tenaga Listrik Portabel. Jurnal Seminar Nasiona l Sains dan Teknologi Terapan III Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya.

8. Daniel Teguh Rudianto, Nurfi

Ahmadi. 2016. RANCANG

BANGUN TURBIN ANGIN

SAVONIUS 200 WATT. Jurna l

Seminar Nasional Teknologi

Informasi dan Kedirgantaraa n

(SENATIK). Vol. II

9. Agustinus Laka, Frans Mangng,

Rokhyadi. 2017. RANCANG

BANGUN TURBIN ANGIN

SAVONIUS UNTUK

PENERANGAN DI DAERAH