STUDI EKSPERIMEN PENGARUH KECEPATAN ANGIN DAN SUDUT SERANG PADA PANGKAL SUDU TURBIN ANGIN PROPELLER PIPA PVC DENGAN UJUNG
BENGKOK MENGGUNAKAN 3 (TIGA) SUDU DAN 4 (EMPAT) SUDU
Isyroqi Luthfan Aziz1, Dr. Ir. Bagus Wahyudi, M.T2
1,2Teknik Mesin, D-IV Teknik Mesin Produksi dan Perawatan, Politeknik Negeri Malang
1isyroqiluthfanaziz@gmail.com
Abstrak
Turbin angin adalah salah satu mesin konversi energi yang merubah energi energi kinetik dari angin menjadi energi energi mekanik.Pada dasarnya turbin angin horizontal ini memanfaatkan energi angin sebagai penggeraknya untuk menghasilkan listrik.
Tujuan penelitian ini untuk mengetahui perbandingan antara harga optimum dari kecepatan angin dan sudut serang pada propeller pipa PVC 3 sudu dan 4 sudu.Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dengan melakukan uji model turbin 3 sudu dan 4 sudu pada mesin wind tunnel sebagai penghasil angin dengan menggunakan variasi kecepatan angin 5 m/s ,6m/s, 7m/s dan variasi sudut serang 15°, 30° ,45°.Kemudian data diolah menggunakan metode DOE factorial pada software Minitab 19.Hasil dari penelitian menggunakan DOE factorial didapatkan adanya pengaruh signifikan dari kecepatan angin dan sudut serang terhadap daya,dimana pada kecepatan angin 6 m/s dan sudut serang 30° pada sudu 4 menghasilkan daya paling tinggi dengan nilai 13.88 Watt,selisih 1,90 Watt dengan daya jumlah 3 sudu yang dihasilkan sebesar 11,98 Watt.
Kata kunci : Turbin Angin,PVC ,Wind Tunnel,Minitab
I. PENDAHULUAN
Indonesia merupakan negara yang memiliki sumber energi yang melimpah tetapi hal tersebut belum dapat dimanfaatkan secara maksimal. Kebutuhan energi listrik pada saat ini semakin meningkat dikarenakan jumlah penduduk yang semakin bertambah, oleh karena itu dibutuhkan sumber energi alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik. Potensi angin sebagai sumber energi masih belum banyak dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga listrik.
Prinsip kerja dari turbin angin yaitu dengan mengubahenergi kinetik yang dihasilkan oleh angin menjadi energi mekanik pada kincir, sehingga menggerakkan poros untuk memutar generator sehingga menghasilkan listrik. Pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di daerah landai maupun dataran tinggi,bahkan dapat diterapkan di laut.Towernya yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar untuk mendapatkan energi. Salah satu faktor yang mempengaruhi untuk kerja dari turbin angin adalah kecepatan angin dan sudut serang sudu, hal yang menjadi pembahasan di penelitian ini adalah analisa pengaruh kecepatan angin dan sudut serang turbin angin sumbu horizontal terhadap daya.
Aerodinamika secara singkat adalah suatu gaya yang ditimbulkan akibat dari aliran udara atau zat alir lainya. Pada sayap pesawat terbang, sayap dibuat sedimikian rupa sehingga penampang bagian atas permukaannya mempunyai garis/jarak yang lebih panjang dari pada jarak permukaan bagian bawah. Artinya kecepatan udara sayap bagian atas lebih cepat dibanding kecepatan udara pada sayap bagian bawah. Karena kecepatannya lebih cepat, maka tekanannya lebih kecil dari pada tekanan udara yang melewati sayap bagian bawah.
Faktor aerodinamik pada desain suatu kendaraanmaupun pesawat terbang, merupakan suatu hal yang selalu mendapat perhatian. Hal ini berkaitan dengan gaya tahananmaupun gaya angkat yang terjadi pada kendaraan yangdisebabkan oleh udara yang bergerak di sekeliling kendaraan tersebut.
Aliran udara yang terjadi di sekeliling benda memiliki kecepatan dan tekanan tertentu. Selain itu benda yang berada di dalam aliran udara bergerak juga akanmengalami gaya- gaya udara.
Karena perbedaan tekananan inilah maka timbul gaya angkat (lift) pada sayap, yaitu tekanan besar dibawah sayap akan mendorong keatas sayap pesawat. sehingga pesawat terangkat naik. Drag force dan lift force dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Hubungan Gaya Pada Pesawat Terbang
Drag adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas) dimana gaya tersebut mempunyai arah yang sejajar dengan sumbukecepatan aliran udara terhadap luas penampang dari suatu benda yang berlawanan dengan arah aliran tersebut.
Lift force adalah gaya yang dihasilkan oleh efek dinamis dari udara yang bekerja pada airfoil, dan bertindak tegak lurus ke jalur penerbangan melalui pusat gaya angkat (Coefficient Lift) dan tegak lurus dengan sumbu lateral. Gaya angkat menentang kekuatan ke bawah dari berat.
Geometri bilah diperoleh dengan melipat bentuk permukaan bilah ke pipa, sangat sulit untuk menggambarkan bentuk blade pada pipa. Apalagi permukaannya terletak pada ruang tiga dimensi. Bentuk parameter permukaan ditunjukkan pada Gambar 2. adalah tiga bagian sudu (tip, root, dan intermediate) dan posisi relatif di sumbu longitudinal sudu. Bentuk permukaan sudu juga dapat diputar sehubungan dengan asal sumbu (x, y, z) dari sudut γrot, dapat dilihat pada Gambar 2 .
Gambar 2. Parameter Bentuk Permukaan Blade
II. METODE PENELITIAN
Metode Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode penelitian eksperimental (experimental research) yaitu melakukan pengamatan untuk mencari data dalam suatu proses melalui eksperimen sehingga dapat mengetahui pengaruh kecepatan angin dan sudut serang sudu turbin angin sumbu horizontal. Dalam proses penelitian dibutuhkan kerangka konsep penelitian yang dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3.Kerangka konsep penelitian
A. Diagram Alir Penelitian
Gambar 4. Diagram alir Penelitian
B. Metode Penelitian Uji Eksperimen
Pada pengujian eksperimen penelitian untuk mendapatkan nilai daya dilakukan pada wind tunnel dengan variasi kecepatanangin
gambar 6 dan gambar 7. menunjukkan wind tunnel sebagai alat penghasil angin dan baling-baling pipa PVC sebagai alat pengujian.
.
Gambar 5. Wind Tunnel
Gambar 6. Baling-baling Pipa PVC Sudu 4
Gambar 7. Baling-baling Pipa PVC Sudu 3
Dalam proses penelitian umumnya dibutuhkan alur proses yang dimana membantu untuk mempermudah proses penelitianpada gambar 8 dan gambar 9. menunjukkan alur proses penelitian uji eksperimen turbin angin.
Gambar 8. Proses Pengambilan Data
Gambar 9. Proses Pengambilan Data
Pada metode pengujian pada uji eksperimen untuk mendapatkan nilai daya dilakukan dengan menggunakan model prototipe sebagai alat pengujian dan wind tunnel sebagai penghasil angin,dimana setelah putaran baling-baling stabil, dilakukan pengukuran untuk mengetahui berapa daya yang diterima oleh turbin angin dengan variasi kecepatan angin dan posisi sudut serang sudu.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini setelah melakukan uji eksperimen dengan menggunakan wind tunnel sebagai penghasil angin,dimana menggunakan variasi kecepatan angin 5 m/s, 6 m/s, 7m/s dan menggunakan variasi sudut serang 15º, 30º, 45º.didapatkan hasil seperti berikut :
Tabel 1. Tabel Hasil Pengolahan 3 Sudu
Tabel 2. Tabel Hasil Pengolahan 4 Sudu
TURBIN ANGIN DENGAN 4 SUDU (UJUNG BENGKOK) Kecepatan
Angin Voltage Ampere RPM Daya
Posisi Sudut
15º 5 m/s
3.75 1.32 47.8 4.95
3.22 1.26 40.6 4.06
3.54 1.29 40.5 4.57
6 m/s
6.40 1.28 90.4 8.19
6.21 1.27 83.7 7.89
6.11 1.25 87.5 7.64
7 m/s
7.26 1.24 102.6 9.00
7.32 1.34 92.5 9.81
7.41 1.36 100.6 10.08
Posisi Sudut
30º 5 m/s
4.42 1.24 63.7 5.48
4.73 1.25 66.4 5.91
4.53 1.31 64.0 5.93
6 m/s
7.89 1.26 120.9 9.94
7.91 1.24 123.8 9.81
7.42 1.22 106.5 9.05
7 m/s
11.18 1.23 166.7 13.75 11.23 1.21 177.2 13.59 11.38 1.22 174.9 13.88
Posisi Sudut
45º 5 m/s
5.86 1.31 87.6 7.68
5.75 1.33 82.8 7.65
6.24 1.34 88.5 8.36
6 m/s
7.32 1.24 105.3 9.08
7.94 1.28 113.7 10.16
7.83 1.26 106.1 9.87
7 m/s
11.26 1.22 177.4 13.74 10.97 1.19 167.8 13.05 11.18 1.20 174.7 13.42
Data penelitian yang selesai di uji akan selanjutnya dilakukan pengolahan menggunakan software Minitab 19. Penelitian ini memiliki dua variable bebas yang terdiri dari jumlah sudu dansusudt serang.Masing-masing variable telah dilakukan pengujian ulang atau bisa disebut dengan replikasi dengan tiga kali replikasi.Metode pengolahan datamenggunakan Design of Experiment (DOE) Factorial. Dengan metodeini kita dapat mengetahui pengaruh antara masing - masing variabelbebas terhadap variable terikat. Didalampengolahan data ini data hub 4 dan hub 3 akan diolah sendiri, setelah itu akan dilakukan perbandingan antara hub 4 dan hub 3lebih baik mana.Dari hasil pengolahan didapatkan hasil sebagaiberikut :
Tabel 3. Hasil Pengolahan Data DOE Factorial Daya Hub 4
TURBIN ANGIN DENGAN 3 SUDU (UJUNG BENGKOK) Kecepatan
Angin
Voltage Ampere RPM Daya
Posisi Sudut
15º
5 m/s 3.72 1.44 64.2 5.36 4.05 1.48 6.12 5.99 3.98 1.47 58.9 5.85
6 m/s 4.46 1.51 73.3 6.73 4.68 1.49 72.9 6.97 4.37 1.52 68.6 6.64
7 m/s 6.21 1.44 89.1 8.94 6.52 1.46 76.9 9.52
6.83 1.5 82.3 10.25
Posisi Sudut
30º
5 m/s 4.86 1.55 57.3 7.53 4.92 1.54 50.8 7.58 4.53 1.53 55.8 6.93
6 m/s 6.18 1.54 87.5 9.52 6.48 1.55 75.1 10.04 6.22 1.57 72.7 9.77
7 m/s 7.24 1.57 127.7 11.37 7.44 1.61 100.8 11.98 7.56 1.6 103.7 12.10
Posisi Sudut
45º
5 m/s 4.16 1.44 62.2 5.99 4.24 1.48 71.6 6.28 4.85 1.51 59.1 7.32
6 m/s 6.26 1.5 82.4 9.39 5.85 1.53 75.5 8.95 6.32 1.55 77.7 9.80
7 m/s 7.63 1.55 125.3 11.83 7.27 1.57 105.7 11.41 7.43 1.59 117.3 11.81
Tabel 4. Hasil Pengolahan Data DOE Factorial Daya Hub 3
Nilai koefisien determinasi yang memiliki skala 100% dimana jika nilai koefisien determinasi semakin mendekatiangka 100%, maka semakin signifikan pengaruh keduavariabel bebas yaitu kecepatan angin dan sudut serang terhadapvariabel terikat yaitu daya. Sebaliknya jika nilai koefisien determinasi semakin menjauhi angka 100%, maka signifikansi pengaruh kedua variabel bebas semakin menurun terhadap variabel terikat. Dari hasil analisis yang telah dilakukan, diperoleh nilai koefisien determinasi sebesar 98,73% pada sudu 4 dan nilai koefisien deerminasi sebesar 97,98% pada sudu 3 yang berarti model persamaan regresi dengan kedua variabel bebas tersebut berpengaruh terhadap variabel terikat sangat signifikan.
Gambar 10. Hasil Contour Plot Sudu 3
Gambar 11. Hasil Contour Plot Sudu 4
Gambar 10 dan gambar 11 tersebut merupakan hasil contour plot dimana pada plot ini menggambarkan pengaruh interaksi antara kecepatan agin dan sudut serang terhadap daya yang dihasilkan dimana variable bebas ditunjukkan denganbentuk warna. hijau tua/gelap menunjukkan nilai dari daya semakin besar,bila nilai daya semakin kecil menunjukkan warna biru tua /gelap.
Gambar 12. Hasil Interaction Plot Sudu 3
Gambar 13.Hasil Interaction Plot Sudu 4
Dari gambar 12 dan gambar 13 tersebut menunjukkan tentang adanya pengaruh interaksi antara kecepatan angin dan sudut serang terhadap daya yang dihasilkan,dimana dari grafik dapat dilihat semakin besar kecepatan angin maka daya dihasilkan semakin besar sedangkan daya tertinggi ditunjukkan pada kecepatan angin 7m/s dengan sudut serang 30º. Hal tersebut membuktikan adanya pengaruh kecepatan angin dan sudut srang terhadap daya.
IV. KESIMPULAN
Dari penelitian turbin angin sumbu horizontal dengan pengaruh kecepatan angin dan sudut serang sudu terhadapnilai daya didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1) Berdasarkan hasil pengolahan data menggunakan Minitab 19 menunjukkan adanya pengaruh yang signifikan dari variasi kecepatan angin dan sudut serang sudu terhadap daya.
2) Berdasarkan hasil dari eksperimen menunjukkan pada kecepatan angin 7 m/s dan sudut serang 30° pada sudu 4 menghasilkan daya paling tinggi dengan nilai 13.88 Watt,selisih 1,90 Watt dengan daya jumlah 3 sudu yang dihasilkan sebesar 11,98 Watt.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Irnanda Priyadi, dkk. 2018. Rancang Bangun Turbin Angin Horizontal Sebagai Salah Satu Pembangkit Daya Pada Mobil Hybrid. Teknologi dan Aplikasi. Universitas Bengkulu.
[2] Yulfarida Indriana, (2020), Studi Simulasi dan Eksperimen Turbin Angin Baling- Baling Pipa Sumbu Horizontal, Politeknik Negeri Malang [3] Firman Aryanto, I Made Mara, Made Nuarsa. 2013. Pengaruh Kecepatan
Angin Dan Variasi Jumlah SuduTerhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Horizontal. Dinamika Teknik Mesin, Volume 3.
[4] Alessandro Ceruti. 2019. Meta-heuristic multidisciplinary design optimization of wind turbine blades obtained from circular pipes.
Engineering with Computers (2019) 35:363–379.
[5] Heri Wibowo. 2017. Pengaruh Sudut Serang Aerofoil Terhadap Distribusi Tekanan Dan Gaya Angkat. Jurnal Dinamika Vokasional Teknik Mesin.
