INSTITUT TEKNOLOGI PADANG
https://e-journal.itp.ac.id/index.php/jtm e-ISSN: 2598-8263
Vol. 9, No. 2, October 2019 p-ISSN: 2089-4880
Published by Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LP2M) - ITP
Rancang Bangun dan Uji Prestasi Horizontal Axis Wind Turbine Jenis Taper
Design and Performance Horizontal Axis Wind Turbine Taper Type
Arfidian Rachman1,*, Putri Pratiwi 1, Lucky Ashari 2
1 Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang
2 Undergraduate Program, Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia
doi.10.21063/jtm.2019.v9.i2.59-64
Correspondence should be addressed to drarfidianrachman@gmail.com
Copyright © 2019 A. Rachman. This is an open access article distributed under the CC BY-NC-SA 4.0.
Article Information Abstract
Received:
September 7, 2019 Revised:
October 1, 2019 Accepted:
October 7, 2019 Published:
October 31, 2019
The potential of wind energy in Indonesia is sufficient for the development of renewable energy based on wind turbine, because the average wind speed ranges from 3-12 m / s. The wind that blows is dominated by West, Southwest, and Northwest winds with speeds sometimes reaching 2.5 m / s to 20 m / s.
The designed wind turbine is a Taper type blade where the comparison of the tip chord to the base is 1.3: 1, with a blade length of 1 m. Where the blades are designed to be able to spin in high-speed winds and to maximize the efficiency that can be obtained. The design result that the highest peak is 59%
at TSR 7 and the blades start to spin in winds of 8.7 m / s and at winds of 12 m / s the power produced reaches 3255 watts.
Keywords: wind turbine, tapper, TSR, efficiency
1. Pendahuluan
Energi listrik merupakan salah satu hal yang sangat dibutuhkan dalam kehidupan manusia bahkan menjadi kebutuhan primer masyarakat Indonesia. Pemerintah mendorong upaya pengembangan penelitian tentang ketersediaan energi listrik dari sumber energi terbarukan.
Energi terbarukan berupa energi matahari, energi angin, energi air, energi pasang surut air laut dan energi nuklir. Salah satu sumber energi terbarukan yang melimpah adalah energi angin.
Indonesia memiliki potensi sumber angin meskipun kecepatan angin di Indonesia relatif rendah. Menurut Badan Metereologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Indonesia tahun 2018 memiliki rata-rata kecapatan angin lebih dari 3 m/s yang berpotensi dibangunnya Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) dalam skala kecil.
Saat ini persoalan energi sudah menjadi masalah yang serius sehingga perlu dipikirkan bagaimana mengoptimalkan pemanfaatan energi altematif selain energi dari bahan bakar fosil. Dari beberapa energi alternatif, energi angin dapat dikedepankan sebagai energi alternatif. Pada dasarnya energi yang dihasilkan angin belum dapat langsung dipergunakan, oleh karena itu diperlukan mesin yang dapat mengubah Energi Kinetik Angin menjadi Energi Mekanik Turbin sehingga dapat diteruskan menjadi Energi Listrik. Alat ini dinamakan dengan Turbin Angin atau sering disebut juga dengan Kincir Angin.
Dalam turbin angin blade merupakan bagian penting dalam suatu sistem turbin angin sebagai komponen yang berinteraksi langsung dengan angin. Blade sendiri terdiri atas tiga jenis yaitu Taper (adalah jenis sudu yang ukuran mengecil
keujung, jenis sudu ini biasanya digunakan untuk generator yang membutuhkan kecepatan tinggi dalam menghasilkan energi listrik, sudu jenis ini juga membutuhkan kecepatan angin yang sedikit tinggi untuk awal berputar dikarenakan angin yang menerpa bagian ujung dari sudu hanya sedikit. Selain memiliki kecepatan yang tinggi bilah jenis taper juga tahan terhadap kecepatan angin tinggi.)
Taper less (adalah jenis sudu yang memiliki torsi yang sedikit lebih besar dari jenis sudu taper, karena jenis sudu ini memiliki bentuk penampang yang sama dari pangkal hingga ujung. Sudu Taper Less lebih awal berputar dibandingkan sudu taper karena angin yang menerpa penampang sudu lebih banyak dan merata. Sudu jenis ini tidak cocok untuk putaran tinggi dikarenakan luas penampang sudu yang sama dari pangkal hingga ujung sehingga pada saat putaran tinggi seakan-akan memblok energi kinetik angin yang datang mengenainya, sudu Taper Less tepat digunakan di daerah yang memiliki kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi.)
Invers Taper (adalah jenis sudu yang ukuran lebar cord dari pangkal ke ujung membesar, sudu ini adalah kebalikan dari sudu jenis Taper.
Sudu Invers Taper memiliki putaran yang lambat akan tetapi torsi yang dihasilkannya lebih besar dari jenis lainnya.) H-rotor terdiri dari 2 tipe yaitu horizontal axis wind turbine (HAWT) dan vertical axis wind turbine (VAWT). Tipe turbin angin yang akan dirancang pada penelitian ini adalah horizontal axis wind turbine (HAWT) dengan 3 blade dengan tipe Taper. Dalam blade perlu diperhatikan juga Cp dan Tip Speed Ratio (TSR). Cp adalah tingkat efisiensi dari blade, semakin besar efisiensinya maka semakin besar juga kemampuan suatu turbin untuk mengambil energi yang didapatnya. TSR merupakan perbandingan kecepatan ujung blade terhadap angin, maka semakin besar TSR akan semakin besar putarannya. perancangan blade turbin penting dalam menentukan bentuk airfoil dan sudu serangnya.
Hilmansyah, dkk [1] menunjukkan bahwa dalam penelitian ini dilakukan simulasi dan analisa hasil pengendalian wind turbine induction generator. Pengendalian dilakukan menggunakan kendali PI (Proportional Integral).
Didapatkan nilai optimal pada kp =10 dan ki=30 pada kecepatan angin 12 m/s dengan settling time 3 secon.
Menurut kajian Zahra dan Inayah [2], menunjukkan bahwa dalam penelitian ini untuk mengetahui besarnya energi listrik yang
dihasilkan oleh seperangkat pembangkit listrik tenaga angin dengan type horizontal dengan memanfaatkan ketinggian gedung, hubungan antara kecepatan angin dengan daya output, dan merancang suatu sistem pembangkit listrik tenaga angin skala kecil yang mampu menghasilkan daya 50-100 watt.
Dahlan [3] menunjukkan bahwa dalam penelitian ini pada airfoil NACA 4412 lebih baik dari pada NACA 4415, airfoil NACA 4412 jenis taperless lebih baik dari pada jenis taper pada simulasi pengujian Cp-TSR untuk TSR 7 taperless bernilai Cp 52% dan taper bernilai Cp 50%. Sementara itu hasil simulasi daya- kecepatan angin dengan kecepatan angin 12 m/s taperless memiliki daya 1549,88 W dan taper memiliki daya 1235,31 W. Pada penelitian ini blade dibuat dengan desain blade jenis taperless airfoil NACA 4412 berbahan kayu Mahoni dan Pinus. Hasil pengujian untuk kayu mahoni menunjukkan keretakan pada salah satu blade, sedangkan untuk kayu pinus tidak terjadi keretakan pada semua blade.
Firman, dkk [4] menunjukkan bahwa pada penelitian ini membuat turbin angin poros horizontal menggunakan blade berjumlah banyak untuk mendapatkan koefisien daya (Cp) yang maksimal dalam meningkatkan efisiensinya. Pengujian dilakukan dengan sumber angin berasal dari kipas angin dengan Wind Tunnel untuk mengarahkan angin.
Kecepatan angin yang digunakan terdapat tiga variasi yaitu 3m/s, 3.5m/s, 4m/s, serta variasi jumlah blade yaitu 3,4,5, dan 6 blade.
Rachman [5] dalam penelitiannya yang berjudul “Potensi Angin Sebagai Pembangkit Listrik Energi Terbarukan” menjelaskan bahwa keterbatasan energi fosil membuat perlu adanya suatu pemanfaatan sumber daya lain sebagai alternatif energi untuk menunjang pasokan listrik yang semakin banyak digunakan. Energi angin memiliki potensi yang cukup besar untuk dimanfaatkan untuk menjadi energi listrik di Indonesia. Beberapa wilayah di Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup besar, antara lain wilayah NTT, NTB, Sulawesi Selatan, pantai Selatan Jawa, dan Karimun [6- 19].
2. Metode
A. Alat dan Bahan
Beberapa alat yang akan digunakan untuk proses perancangan dan analisis blade yaitu:
• Software M.Exel
Microsoft Exel atau Microsoft Office Exel adalah sebuah program aplikasi lembar kerja yang dibuat dan didistribusikan oleh Microsoft Corparation yang dapat dijalankan Microsoft Windows dan Mac Os. Aplikasi ini merupakan bagian dari Microsoft Office System.
• Software Qblade
Qblade adalah perangkat lunak perhitungan turbin angin open source, didistribusikan dibawah GPL (Gambar 1). Integrasi fungsi XFOIL/XFLR5 memungkinkan pengguna untuk dengan cepat mendesain airfoil kustom dan menghitung polar kinerja mereka dan langsung mengintegrasikannya ke dalam desain dan simulasi rotor turbin angin. Perangkat lunak ini memadai karena ia menyediakan desain dan kemampuan simulasi “tangan” untuk desain rotor HAWT dan VAWT, dan menunjukkan semua hubungan mendasar konsep desain dan kinerja turbin dengan cara yang mudah dan intuitif. Qblade juga mencakup fungsi pemrosesan pasca luas untuk simulasi rotor dan turbin, dan memberikan wawasan mendalam ke semua variabel blade dan rotor yang relevan.
Selain itu, perangkat lunak yang dihasilkan adalah platform yang sangat fleksibel dan user- friendly untuk desain blade turbin angin.
Gambar 1. Software Qblade v0.96
• Software Solidwork
Software Computer Aided Drawing (CAD) untuk mendapatkan gambar tekniknya, sehingga mempermudah dalam proses pengerjaan (manual manufacturing). Bahan yang digunakan untuk proses perancangan dan analisis bilah dengan Air Foil NACA 4422 (Gambar 2) adalah sebagai berikut :
Gambar 2. Air Foil NACA 4412
B. Penentuan Geometri Perancangan Bilah Pada tahapan ini, semua parameter dilakukan perhitungan untuk didapatkan
perkiraan bentuk bilah yang akan dirancang.
Pertama kali yang harus dilakukan adalah penentuan jumlah elemen. Pada umumnya pembagian elemen pada perancangan bilah berkisar antara 10-20 elemen, yang mana pada perancangan bilah kali ini dibagi dalam 10 elemen.
Gambar 3 Pembagian elemen bilah
Pada kolom satu merupakan bagian Blade Hub Radius sekitar 0-0.22 meter. Sedangkan pada kolom selanjutnya dalah bagian jari-jari parsial dengan menggunakan persamaan sebagai berikut;
(1)
dimana n adalah jumlah elemen
Untuk mencari nilai TSR parsial digunakan persamaan sebagai berikut.
(2)
Untuk mencari nilai Cl, digunakan persamaan sebagai berikut:
(3)
Dimana Cr adalah lebar chord (m) dan B adalah jumlah bilah.
Flow angle adalah sudut antara arah angin relatif dengan bidang rotasi rotor. Flow angle juga berpengaruh terhadap kecepatan putaran rotor, semakin besar sudut maka turbulensi akan semakin besar, turbulensi dapat menghambat putaran rotor bagian airfoil yang terkena turbulen. Menurut referensi flow angle yang baik berada pada kisaran kurang dari 50.
Nilai sudut aliran didapatkan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut.
(4)
dimana λr adalah perbandingan kecepatan linear elemen bilah terhadap kecepatan angin pada elemen 1 sampai elemen ke-n dengan , dimana r adalah jari-jari paarsial (panjang tiap elemen), R adalah jari-jari yang digunakan, dan 𝜆 adalah nilai TSR yang digunakan.
Nilai twist didapatkan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut
(5) Twist atau sudut puntir amat memengaruhi proses pembuatan bilah pada kayu. Untuk sudut puntir yang tidak linear, maka perlu diliniearisasi dan dimodifikasi untuk memudahkan pembuatan bilah pada kayu. Cara untuk melinearisasi adalah sebagai berikut.
Menentukan panjang chord dimana R adalah jari-jari yang digunakan, B adalah jumlah bilah, dan Cl adalah coefesien lift yang didapat dari grafik Cl vs Cd pada software Q-blade.Akan tetapi pada perancangan bilah jenis taper persamaan yang digunakan adalah.
(6)
3. Hasil dan Pembahasan
Pada penelitian ini, yang menjadi fokus perancangan adalah merubah desain Air Foil, sehingga Air Foil yang dijadikan sebagai variabel bebas. Dan yang dijadikan sebagai variabel tetap adalah, daya yang diinginkan, efisiensi bilah, efisiensi generator, efesiensi controller, efisiensi transmisi, karakter geografis wilayah berupa kecepatan maksimum yang menjadi ladang kincir angin, tip speed ratio (TSR), dan jumlah bilah. Adapun yang dijadikan parameter yang dihitung adalah, efisiensi sistem, energy yang dihasilkan, luas sapuan dan jari-jari bilah.
Adapun persamaan parameter yang dihitung adalah sebagai berikut; Effisiensi sistem yang terdiri dari bilah, transmisi, generator, dan kontroler. Dimana efisiensi bilah sebesar 0.3, efisiensi transmisi sebesar 0.8, efisensi generator sebesar 0.8, dan efisiensi kontroller sebesar 0.8. Sehingga efisiensi sistem secara keseluruhan menjadi 0.15. Estimasi nilai kapasitas daya listrik serta efisiensi bilah, transmisi, generator dan kontroler, yaitu memasukan data berapa kapasitas daya listrik (We) pada generator, memasukan berapa nilai efisiensi bilah, transmisi, generator dan controller. Serta menghitung efisiensi sistem
dan menghitung daya angin. Dimana data yang di peroleh di cantumkan pada (Tabel 1).
Setelah didapatkan panjang chord dan sudut twist selanjutnya dilakukan Simulasi Parameter BEM (Blade Element Momentum), salah satu hasil simulasi BEM adalah TSR (Tip Speed ratio) terhadap Cp ( Coefficient Performance) yang paling optimal pada airfoil NACA 4412 (Gambar 4). Berdasarkan teori Betz daya mekanik maksimal yang dapat diekstrak oleh bilah sekitar 59%. Hasil simulasi Cp-TSR tersaji pada (Gambar 4).
Tabel 1. Simulasi Q-Blade dengan Desain Air Foil Naca 4412, Data Geometri Rotor Bilah Taper.
Gambar 4. Grafik Performansi Bilah Tapper pada Air Foil Naca 4412
Semakin besar tip speed ratio maka semakin besar kecepatan angin yang diperlukan, sebaliknya jika tip speed ratio besar maka kecepatan angin yang dihembuskan relativ kecil.
Berdasarkan hasil desain Air Foil Naca 4412 menunjukan nilai Cp masing- masing adalah, 0.52. dan nilai TSR masing-masing adalah 7.
Jadi, desain Air Foil Naca 4412 lebih baik karena nilai Cp Naca 4412 lebih besar dan nilai TSR Naca 4412 telah sesuai dengan nilai TSR pada parameter perancangan bilah tapper yaitu, sebesar 7.
4. Simpulan
Dari perancangan bilah dibagi menjadi 10 elemen dimana setiap elemen tersebut memiliki jari-jari persial, lebar, dam twist. Dimana pada elemen 1 jari-jari persialnya berada pada 0,220 m, chord 0,150 m dan twistnya 5.461°. Pada elemen 10 jari-jari persialnya berada pada 1 m, chord 0,030 m dan twistnya 5.014°.
Simulasi yang dilakukan pada bilah Taper Airfoil NACA 4412 dengan perbandingan pangkal dan ujung bilah 1.3:1 telah di dapatkan hasil dimana puncak tertinggi terletak 59% pada TSR 7 dan bilah mulai berputar pada angin berkecepatan 8,7 m/s dan pada angin berkecepatan 12 m/s daya yang dihasilkan mencapai 3255 watt.
Bilah yang berputar pada kecepatan angin 8,7 m/s tidak cocok digunakan di daerah-daerah tepi pantai padang dimana kecepatan rata-rata angin di pantai padang berkisaran antara 2 m/s sampai 8 m/s.
Semakin tinggi kecepatan angin maka semakin rendah TSR yang akan di dapat pada bilah Taper.
Referensi
[1] Hilmansyah, R.J. Yuniar dan Ramli, 2017,” Pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Kendali Pi
“,Jurnal Sains Terapan, Vol. 3, No. 1, 22 – 26.
[2] N. Zahra dan Inayah,“Dasar-Dasar Perancangan Bilah”,Lentera Bumi Nusantara,2016
[3] B. Dahlan, 2016, “ Rancang Bangun Baling-Baling Kincir Angin Menggunakan NACA 4412 Dan 4415 Dari Bahan Kayu Mahoni (Swietenia Macrophylla) Dan Pinus (Pinus Merkusii) “, TESIS – SF 092006, Program Magister Bidang Keahlian Fisika Instrumentasi Jurusan Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 1 – 63.
[4] A. Firman, I.M. Mare dan M. Nuarsa.
“Pengaruh Kecepatan Angin dan Variasi Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja
Turbine Angin Poros
Horizontal”.2013.Dinamika Teknik Mesin Volume 3 No.1
[5] A. Rachman, 2012 “Potensi Angin Sebagai Pembangkit Listrik Energi
Terbarukan” Jurnal Fakultas Teknik, Universitas Jember, 68121 Indonesia [6] F. Anggraini, “Pemanfaatan Energi
Angin Pada Sepeda Motor Bergerak
Untuk Menyalakan
Lampu”.2016.Universitas Lampung [7] A. Kishore, R.T. Coudron and S. Priya.
“Small-scale wind energy portable turbinee (SWEPT)”.2013.Journal Of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics
[8] Anonim. 2010 . Teminologi airfoil.
https://panggih15.wordpress.com/2010/0 1/28/terminologi-airfoil/
[9] Anonim. 2015. Kunci Sukses Merancang Blade dalam 60 Menit. Mahasiawa universitas indonesia Ciheras- Tasikmalaya.
[10] L. Ashari, “Studi Perbandingan Horizontal Axis Wind Turbine Dengan Perbedaan Desain Airfoil Pada Bilah Jenis Taper Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin Laut Di Pantai Ciheras,
Di Pt. Lentera Bumi
Nusantara”.2018.Laporan Kerja Praktek, Institut Teknologi Padang
[11] S. Bachtiar, 2017. “Perancangan Dan Pembuatan Bilah Tipe Inverse Taper Menggunakan Airfoil NACA 4412 Pada
Turbine Angin Sumbu
Horizontal”.Politeknik Negeri Madiun [12] Fauji. 2015. Studi Perancangan Bilah
Horizontal Axis Wind Turbine Non- Uniform Dengan Airfoil Nrel S83N Tipe Tapperless di PT. Lentera Angin Nusantara, Tasikmalaya. Kerja Praktek Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
[13] M. Hatta dan A. Martin. “Perancangan Bilah Tipe Inverse Taper Pada Turbine Angin Berdasarkan Kondisi Angin Di Pekanbaru”.2017.Jom FTEKNIK Volume 4 No.1
[14] Y.I. Nakhoda dan C. Saleh.”Rancang Bangun Kincir Angin Sumbu Vertikal
Pembangkit Listrik
Portabel".2015.Teknik Elektro.Institut Teknologi Nasional Malang
[15] H. Piggot. Windpower Workshop:
Building Your Own Wind Turbine.
Centre of Alternative Technology Publications.
[16] A.D. Putri, R.T. Wahyuni dan Tiannur.
“Pemanfaatan Energi Kayuhan Sepeda
Untuk Mengisi Baterai
Handphone”.2014,Teknik Elektro,Politeknik Caltex Riau
[17] Raka, 2014. Pengertian airfoil.
http://raka29jkt.blogspot.co.id/2014/11/p engertian-airfoil.html
[18] P.H. Riyan, 2015. studi instalasi pembangkit listrik hybrid (tenaga angin dan tenaga surya). Laporan kerja praktik industri Yogyakarta-Jawa Tengah.
[19] Tim Lentera Angin Nusantata. 2014.
Pengenalan Teknologi Pemanfaatan Energi Angin. Tasikmalaya, Jawa Barat.
