UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH SKRIPSI

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN

EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LIBERT SIJABAT NIM. 080401070

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

ABSTRAK

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin Darrieus H merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan lift force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin besar lift force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.

Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018 dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 00, 20, 40, 60, 80, 100, dan 120.

Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan = 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60, sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

(3)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melakukan aktivitas terutama kegiatan penelitian dan menyusun tugas akhir sebagai pertanggungjawaban atas hasil penelitian yang telah dilakukan.

Tugas akhir ini memuat Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu NACA 0018 dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Jumlah Sudu dan Sudut Serang. Efektifitas sudu turbin dalam meng-ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari jumlah sudu dan sudut serang turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip speed ratio poros turbin angin.

Proses pembuatan objek dan kegiatan penelitian yang dilakukan penulis terlaksana dan terwujud berkat doa dan dukungan semua pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen pembimbing yang memberikan bimbingan dan arahan sehingga penelitian ini berjalan dengan baik dan benar.

2. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Kedua orang tua penulis, Wilson Sijabat dan Rumi Situmorang yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

4. Saudara Kandung Penulis Silvia Christina Sijabat dan Willi Kaham Sijabat yang selalu memberikan dukungan.

(4)

6. Rekan – rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Eka Wira Napitupulu yang telah bekerja bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

7. Teman-teman seperjuangan dari tim Hidram, tim Pelton, tim Vortex dan tim lainnya yang turut membantu dan mendukung menyelesaikan skripsi ini.

8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan

satu-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

9. Teman-teman satu kos dari betlehem camp dan berdikari 94a yang turut

memberikan dukungan moral dalam menyelesaikan skripsi ini.

10.Irma Meliaki Simamora untuk kasih, doa, dan dukungan yang tidak terbatas kepada penulis.

Penyusun menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik dari segi teknis dan materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan laporan ini, kritik dan saran pembaca sangat penulis harapkan, sehingga laporan akhir ini lebih sempurna.

Medan, 20 Juli 2013

(5)

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vii

DAFTARGAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Energi Angin ... 6

2.1.1 Asal energi angin ……… 6

2.1.2 Kandungan energi dalam angin ……….. 7

2.1.3 Pengukuran angin ……….. 7

(6)

2.3 Turbin Angin……… 10

2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin ………... 10

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal ………... 11

2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……… 12

2.4 Airfoil……… 14

2.5 Gaya Aerodinamik Pada Turbin Angin ... 16

2.6 Power Coefficient dan Tip Speed Ratio ... 19

2.7 Karakteristik Daya Rotor ... 22

2.8 Generator ... 23

BAB III METODE PENELITIAN ... 25

3.1 Tempat Penelitian ... 25

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 25

3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 36

3.3.1 Tahap persiapan ... 36

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ... 37

3.4 Diagram Alir Penelitian ... 40

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 41

4.1 Hasil Pengujian ...41

4.1.1 Pengukuran kecepatan angin ... 41

4.1.2 Data pengujian tanpa beban ... 44

4.1.3 Data pengujian beban 3 watt ... 44

(7)

4.1.5 Data pengujian beban 10 watt ... 45

4.2 Analisa Data ... 45

4.2.1 Perhitungan daya angin ... 45

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio ... 46

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ... 46

4.3 Grafik Pengujian ... 50

4.3.1 Grafik pengujian 3 sudu ………..………... 50

4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu ………... 53

4.3.3 Grafik pengujian 5 sudu ………... 56

4.4 Perbandingan Turbin Angin Savonius Dengan Turbin Angin Darrieus H………. 59

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 61

5.1 Kesimpulan ... 61

5.2 Saran ... 61

DAFTAR PUSTAKA... 63

LAMPIRAN L1. Hasil Percobaan dan Ketidakpastian ... 63

L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 77

L3. Tabel Sifat Udara ... 78

L4. Koordinat NACA 0018 ... 79

(8)

L6. Rotor Turbin Angin Darrieus H ... 82

L7. Instalasi Turbin Angin Darrieus H ……….……… 83

L8. Hub Turbin Angin Darrieus H ……….……….. 84

L9. Data Kecepatan Angin di Indonesia ……….. 85

L10. Nilai Ekonomis Turbin Angin ……….. 86

(9)

DAFTAR SIMBOL

AoA angle of attack, (0)

TSR tip speed ratio

VAWT vertical axis wind turbine

HAWT horizontal axis wind turbine

NACA National Advisory Committee of Aeronautics

rpm revolution per minute

a interference factor

A luas sapuan rotor, m2

c panjang chord sudu, m

C kecepatan absolut elemen sudu

CD koefisien drag CL koefisien lift Cp koefisien daya

Cp,max koefisien daya maksimum d diameter turbin, m

D gaya drag, N

F gaya, N

Fmax gaya maksimum, N

Ek energi kinetik angin, J H tinggi turbin, m

I kuat arus, A

(10)

m massa, kg

aliran massa, kg/s putaran, rpm

N jumlah sudu daya angin, J/s

Pa daya angin, J/s daya turbin, J/s radius turbin, m

Re bilangan Reynold waktu, s

v kecepatan angin, m/s

V’ kecepatan angin tepat pada turbin, m/s tegangan, Volt

tegangan rata – rata, Volt

U’ kecepatan tangensial elemen sudu, m/s

Z ketinggian, m

kecepatan sudut rotor, rad/s kerapatan angin, kg/m3

! sudut serang (angle of attack), (0) sudut azimuthal sudu, (0)

tip speed ratio

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon………... 9

Gambar 2.2 Aliran Angin di Indonesia……….. 10

Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ……… 12

Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal………. 14

Gambar 2.5 Airfoil ……… 16

Gambar 2.6 Penampang sudu………. 17

Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift ……….. 18

Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin……….. 19

Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin ………. 21

Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jumlah sudu……….. 22

Gambar 2.11 Kurva hubungan antara Tip-speed ratio terhadap Rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jenis turbin angin………... 24

Gambar 3.1 Prototipe Turbin Angin Darrieus H ... 30

Gambar 3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018…………. 32

Gambar 3.3 Digital Multimeter ... 33

Gambar 3.4 Digital Tachometer ... 34

Gambar 3.5 Thermo-Anemometer ... 35

Gambar 3.6 Motor listrik ... 35

Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG)... 36

Gambar 3.8 Busur ... 36

Gambar 3.9 Prosedur Pengujian ……… 38

Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 39

Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ... 40

Gambar 4.1 Pengukuran Kecepatan Angin ... 41

Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah... 50

(12)

Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

jumlah sudu 3 buah ………... 52 Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin

darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah... 53 Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap

efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah ……. 54 Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

jumlah sudu 4 buah ………... 55 Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin

darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah... 56 Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap

efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah ……. 57 Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

jumlah sudu 5 buah ………... 58 Gambar 4.11 Grafik pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin angin

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia………... 9

Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, Darrieus dan Tipe H ……… 14

Tabel 3.1 Koefisien lift CL, koefisien drag CD dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018……… 29

Tabel 3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H... 31

Tabel 3.3 Spesifikasi sudu………... 31

Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……... ... 32

Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer……….. ... 34

Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik …... 42

Tabel 4.2 Hasil Teoritis …... 43

Tabel 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum …... 43

Tabel 4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu ……... 44

Tabel 4.5 Data pengujian beban 3 Watt ………... 44

Tabel 4.6 Data pengujian beban 5 Watt ..…... 44

Tabel 4.7 Data pengujian beban 10 Watt ... 45

Tabel 4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt ………... 47

Tabel 4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 47

(14)

Tabel 4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu lurus dan jumlah sudu 6 buah dengan sudu pengarah ………. 60

Tabel 4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil NACA 0018 dan jumlah sudu 3 buah ……….. 60

Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban... 65

Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 66

Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 77

Tabel L.14 Koordinat airfoil NACA 0012……... 79

Tabel L.15 Nilai ekonomis berbagai sumber energi……... 86