1
LAPORAN PENELITIAN TURBIN ANGIN HYBRID
(SAVONIUS-DARRIEUS)
Medeline Citra Vanessa NIM: 1500510021
Physics Energy Engineering, Clean Energy and Climate Change Faculty Surya University
Tangerang, Banten, 15810 medeline.vanessa15@student.surya.ac.id
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Pasokan energi listrik Indonesia saat ini belum mencukupi seluruh kebutuhan listrik penduduk di Indonesia. Hal ini disebabkan karena pemerintah masih kurang massif membangun infrastruktur energi sehingga serapan domestic terhadap sumber daya alam yang ada tidak maksimal dan sumber daya alam tersebut dengan terpaksa di ekspor ke luar negeri. Untuk itu pemerintah telah menggalangkan ‘gerakan’ menerangi seluruh Indonesia dimana pemerintah merencanakan program pembangunan listrik 35.000 MW. Gerakan untuk menerangin seluruh Indonesia merupakan gerakan menyeluruh yang melibatkan seluruh instansi-instansi terkait yang dapat mensukseskan program ini. Mulai dari pihak pemeritah, pihak penyedia jasa konstruksi dan pihak pemasok energi itu sendiri.
PT PLN (persero) sebagai pemasok utama kebutuhan listrik di Indonesia berkerja sama dengan Independent Power Producer (IPP) agar dapat mentuntaskan program 35.000 MW. Pengembang energi baru dan terbarukan yang tergabung dalam IPP merupakan pengembang listrik swasta yang juga memberikan pengaruh terhadap tercapainya program pemerintah ini. Untuk itu kami sebagai mahasiswa ingin berkontribusi terhadap gerakan menerangi seluruh Indonesia, dengan cara melakukan riset mini tentang pembangkit listrik tenaga angin dimana turbin anginnya menggunakan sudu vertikal gabungan model turbin savonius dan darrieus. Diharapkan pembangkit listrik ini dapat menjadi solusi bagi permasalahan listrik di daerah-daerah yang sulit terinstalasi jaringan PLN.
Dalam penelitian ini dirancang prototype model pembangkit listrik tenaga angin dengan menggunakan bahan-bahan yang mudah dibentuk dan mudah didapat. Hasil penelitian berupa satu buah prototype dan data hasil percobaan. Diharapkan penelitian ini dapat dijadikan referensi bagi pembelajaran teknologi pembangkit listrik tenaga angin, turbin angin vertikal, dinamo pembangkit listrik, efisiensi pembangkit listrik, serta performa pembangkit listrik sehingga dapat memberikan gambaran mengenai Pembangkit Litrik Tenaga Angin sudu vertikal gabungan model turbin savonius dan darrieus. Selanjutnya dalam laporan penelitian ini akan menitik beratkan tentang turbin angin vertikal yang dipakai dalam penelitian ini.
2 B. Rumusan Masalah
Apa yang mempengaruhi putaran turbin?
Bagaimana hubungan antara tegangan input yang diberikan dengan rpm turbin angin sudu vertikal gabungan model turbin savonius dan darrieus?
C. Tujuan Penelitian
Mempelajari keunggulan dan kelemahan jika menggunakan turbin angin sudu vertikal gabungan model turbin savonius dan darrieus
Mendapatkan hasil data eksperimen hubungan antara tegangan input yang diberikan dengan rpm turbin angin sudu vertikal gabungan model turbin savonius dan darrieus
METODOLOGI PENELITIAN A. Landasan Teori
Terdapat beberapa landasan teori untuk dapat mempermudah proses penulisan laporan. Berikut adalah teori pendukung sebagai acuan penulis menyelesaikan laporan penelitian.
1. Energi Angin
Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. Pemanasan bumi oleh sinar matahari menyebabkan perbedaan massa jenis udara. Perbedaan massa jenis ini menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida dan menghasilkan angin. Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau permukaan bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperature permukaan bumi. Hampir semua energi terbarukan yaitu energi pasang surut, arus dan gelombang air, bahkan energi fosil berasal dari energi matahari. Matahari meradiasikan 1,74 x 1017 joule energi ke permukaan bumi setiap detiknya. Sekitar 1% hingga 2% energi yang datang dari matahari diubah menjadi energi angin.
2. Turbin Angin
Energi Angin merupakan energi yang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin. Turbin angin adalah sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik pada poros turbin tersebut (Sargolzaei, 2007:51). Turbin yang memanfaatkan tenaga angin pada awalnya digunakan di sektor pertanian sebagai penggiling biji-bijian dan pemompa air untuk irigasi. Diakhir abad ke-19 turbin angin mulai dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik oleh P. La Cour dari Denmark.
3
Putaran turbin pada poros digunakan untuk menggerakkan rotor pada generator sehingga menghasilkan listrik.
Terdapat 2 tipe turbin angin yaitu turbin angin sumbu horizontal (TASH) dan turbin angin sumbu vertikal (TASV). TASH merupakan turbin yang memiliki sudu dengan sumbu putar sejajar terhadap tanah sedangkan sudu TASV memiliki sumbu putar tegak lurus ke tanah. Terdapat beberapa jenis TASV yaitu tipe savonius, tipe darrieus, dan tipe H-rotor. Dalam penelitian ini akan dibahas mengenai TASV hybrid model savonius – darrieus.
3. Turbin Angin Savonius
Turbin angin savonius memiliki bentuk dasar sudu setengah silinder. Turbin angin savonius pertama kali ditemukan oleh seorang insinyur asal Finland yang bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Konsep kerja turbin angin ini cukup sederhana dimana turbin angin ini menghasilkan daya dengan cara memanfaatkan gaya drag yang dihasilkan tiap-tiap sudunya. Gaya drag adalah gaya yang berkerja berlawanan dengan arah angin yang menumbuk sudu. (White, 1986: 412)
Gambar 1. Turbin Angin Savonius
Sumber : http://www.reuk.co.uk/Savonius-Wind-Turbines.htm
Turbin angin savonius yang termasuk kedalam tipe TASV dapat berputar tanpa mempedulikan arah angin serta turbin dapat berputar dengan laju angin yang reatif kecil sehingga sangat cocok digunakan pada daerah yang memiliki arah angin tidak menentu dan laju angin yang relatif rendah. Meskipun tubin angin savonius dapat mudah berputar meski hanya dengan laju angin rendah namun efisiensi dari turbin angin savonius masih rendah yaitu hanya 15% saja dari energi angin yang mengenai sudu yang dapat berubah menjadi energi mekanik rotasi. Selain itu kecepatan turbin savonius tidak dapat melebihi kecepatan angin sehingga dibutuhkan gear box agar dapat mengurangi torsi dan menghasilkan rpm yang lebih besar.
4 4. Turbin Angin Darrieus
Seorang aeronautical engineer asal Prancis yang bernama Georges Jean Marie Darrieus pertama kali menemukan sebuah turbin angin vertikal pada tahun 1931.
Gambar 2. Turbin Angin Darrieus
Sumber : http://www.instructables.com/id/Darrieus-Wind-Turbine/
Turbin angin darrieus memiliki efisiensi yang cukup baik namun torsi yang dihasilkan kecil sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar untuk menggerakkan putaran awal turbin tersebut. Turbin angin darrieus memiliki sudu berbentuk airfoil. Airfoil adalah suatu bidang seperti sayap pesawat terbang yang direncanakan untuk memperoleh reaksi udara bila benda tersebut bergerak di udara. Airfoil yang efisien adalah Airfoil yang penampangnya berbentuk hampir seperti tetesan air, berikut adalah gambar bentuk Airfoil:
Gambar 3. Bagian Airfoil (Sumber: Manwell,1980)
Bagian bagian Airfoil :
1. Leading edge adalah bagian terdepan dari sebuah Airfoil.
2. Trailing edge adalah bagian yang paling belakang dari Sebuah Airfoil.
3. Mean chamber line atau yang biasa disebut dengan mean line adalah garis yang merupakan tempat kedudukan titik-titik yang sama jauhnya terhadap permukaan atas dan bawah sebuah Airfoil.
4. Chordline adalah sebuah garis lurus yang yang menghubungkan kedua ujung mean line sebuah Airfoil.
5 5. Turbin Angin Hybrid Savonius-Darrieus
Dengan menggabungkan turbin angina savonius dan turbin angina darrieus, maka akan menutupi masing-masing kekurangan dari turbin tersebut. Turbin Savoius yang bergerak sebagai self-starting dipadukan dengan turbin darrieus yang memiliki efisiensi yang cukup tinggi sehinga dapat dihasilkan rancangan optimal dari TASV ini.
Gambar 4. Turbin Angin Hybrid Savonius-Darrieus (Sumber : Haryo,2014)
6. Pengaruh Energi angin terhadap putaran Turbin
Energi mekanik pada turbin biasanya terkonversi dari energy kinetic dan atau energy potensial yang berasal dari pergerakan fluida yang menumbuk sudu turbin. Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak. Besarnya energi yang terkandung pada angin tergantung pada kecepatan angin dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan, besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang bermassa m dan berkecepatan v adalah :
Dimana:
𝑬𝒌=
𝟏 𝟐𝒎𝒗
𝟐
Ek = Energi kinetic (joule) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa udara dan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatannya.
B. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini metode penelitian yang digunakan adalah studi pustaka dan eksperimen. Studi pustaka yang dilakukan adalah pengumpulan referensi dari beberapa paper yang terkait dengan pembangkit listrik tenaga angin sudu vertikal model turbin savonius dan darrieus. Berdasarkan literature yang dikaji didapat gambaran berupa desain
6
dan cara kerja turbin angin savonius dan darrieus. Selanjutya penulis melakukan eksperimen pembuatan turbin angin, setup alat, dan pengambilan data hasil putaran turbin angin (Rpm). Pada bab ini akan dibahas lokasi, waktu penelitian dan metode perancangan. 1. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dimulai pada 17 Januari 2016 hingga 2 Maret 2016. Penulis melakukan studi pustaka secara mandiri dan mengkonsultasikan dengan dosen Pembina riset. Selanjutnya pembuatan turbin angin dilakukan di Surya Research Center di Gading Serpong, Tangerang. Uji coba turbin dilakukan pada lab mesin SURE.
2. Alat dan Bahan Penelitian Triplek Karton Duplek Pipa Kaleng bekas Almunium foil Kertas kalender Paku Lem Gergaji Dinamo Penggaris Baut Solder
Gambar 5. Beberapa Alat penelitian 3. Proses Pembentukan turbin
Turbin Savonius
Turbin savonius dibentuk menggunakan karton duplek sebagai penutup dan kaleng bekas sebagai sudu yang berbentuk setengah silinder.
7
Gambar 6. Turbin Savonius
Turbin Darrieus
Kerangka sudu darrieus yang berbentuk airfoil dibuat dari triplek kemudian dilapisi oleh almunium foil dan kertas kalender.
Gambar 7. Kerangka Sudu Darrieus yang berbentuk airfoil
Pada penelitian ini dibuat model turbin angina darrieus dengan tiga sudu.
Gambar 8. Turbin Darrieus 3 sudu Penyatuan Turbin
Tower Turbin terbuat dari pipa kemudian setiap komponen di hubungkan menggunakan kopling berupa baut dan letter L.
8
Gambar 9. Turbin Savonius 2 sudu – Darrieus 3 sudu 4. Cara Kerja Alat
Gambar 10. Motor penggerak, Turbin, dan Dinamo
Prototype turbin ini digerakkan oleh motor penggerak yang mendapat supply energi dari power supply. Pada bagian atas turbin terdapat dinamo sebagai generator. Selanjutnya power supply memberikan listrik untuk menggerakkan turbin. Tegangan divariasikan sebesar 2,5 V; 5 V; dan 7,5 V.
5. Data yang Diperlukan
Nilai Rpm yang dihasilkan oleh turbin Tegangan output dari dinamo
Arus input dari power supply Arus output dari dinamo 6. Metode Pengumpulan Data
Pengukuran Rpm turbin menggunakan Rpm meter dan pengukuran arus input-output serta tegangan input-output meggunakan multimeter.
9
PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
A. Putaran Turbin
Putaran Turbin dipengaruhi oleh seberapa besar torsi yang dihasilkan dari gaya dorong angin terhadap sudu. Besarnya torsi dipengaruhi oleh bidang sentuh angin pada sudu turbin. Semakin besar bidang sentuh angin terhadap sudu maka akan semakin besar gaya dorong yang dihasilkan angin kepada sudu turbin sehingga akan menghasilkan putaran yang besar pula.
Berdasarkan teori pendukung diketahui bahwa turbin angin savonius merupakan turbin angin yang baik untuk melakukan self-starting, dapat beroperasi pada kecepatan angin rendah, dan memiliki kemampuan untuk menangkap angin dari berbagai arah. Dari kelebihan tersebut akan mempengaruhi Rpm turbin sehingga akan menghasilkan putaran yang lebih cepat. Namun turbin angin savonius memiliki efisiensi yang rendah karena hanya 15% dari energi angin yang mengenai sudu dapat dijadikan energi mekanik rotasi sebagai penggerak generator. Hal ini disebabkan oleh gaya drag tambahan yang dihasilkan turbin saat turbin angin berputar. Sedangkan pada turbin angin darrieus memiliki efisiensi yang baik karena torsi yang dibutuhkan turbin darrieus untuk berputar kecil hal ini dikarenakan sudu turbin darrieus yang berbentuk airfoil dapat memberikan aliran fluida yang optimal untuk menggerakkan turbin. Oleh karena itu turbin angin darrieus dapat berputar lebih cepat dari pada kecepatan angin yang mengenai sudu. Namun turbin darrieus tidak dapat melakukan self-starting karena diperlukan energi yang lebih besar untuk menggerakkan turbin.
Untuk itu dengan menggabungkan keunggulan dan menutupi kekurangan masing-masing turbin akan membuat turbin angin hybrid savonius-darrieus memiliki desain yang menghasilkan putaran dan efisiensi yang lebih optimal karena turbin savonius akan berfungsi sebagai self-starting dan turbin darrieus akan memberikan gaya angkat sehingga mempercepat putaran turbin.
B. Data Hasil Penelitian
Dari Prototype yang dibuat dapat diambil data yang diperlukan dalam penelitian. Berikut data yang didapat dari hasil penelitian
Tegangan Power Suplier (V) Arus Power supplier (A) Tegangan Dinamo (V) Arus Dinamo (A) Rpm Turbin 2,5 1,39 0,008
Tidak ada Arus
296,0 0,72 0,001 284,2 5 1,49 0,035 366,4 1,16 0,001 342,8 7,5 2,99 0,04 485,3 2,89 0,01 461,7
10
Dari data hasil penelitian didapat hubungan antara tegangan input yang diberikan oleh power supply dengan rpm yang dihasilkan oleh turbin. Berikut grafik hubungan antara tegangan input dan rpm.
Dari grafik tersebut dapat dilihat kenaikan Rpm turbin berbanding lurus dengan kenaikan tegangan yang diberikan oleh power supply yang menggerakkan motor. Dari data yang didapat saat diberikan tegangan sebesar 2,5 V menghasilkan rpm minimum 284,2 dan rpm maksimum 296,0. Lalu saat tegangan power supply dinaikkan menjadi 5 V dihasilkan rpm minimum 342,8 rpm dan rpm maksimum 366,4 rpm. Saat motor diberikan tegangan 7 V turbin menghasilkan rpm minimum sebesar 461,7 rpm dan rpm maksimum 481,3 rpm.
Dari data yang didapat menunjukkan bahwa rpm yang dihasilkan turbin masih sangat kecil untuk dapat menghasilkan listrik pada dinamo. Hal ini disebabkan oleh prototype turbin angin hybrid savonius-darrieus tidak menggunakan gearbox yang dapat melipatgandakan putaran turbin yang terhubung pada generator sehingga akan menghasilkan output yang lebih besar.
296.0 rpm 366.4 rpm 481.3 rpm 284.2 rpm 342.8 rpm 461.7 rpm 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 2,5V 5,0V 7,5V
Grafik Hubungan Tegangan Input dengan Rpm Turbin
11 PENUTUP
A. Kesimpulan
Putaran turbin dipengaruhi oleh sebarapa besar torsi yang dihasilkan gaya dorong angin terhadap sudu dan desain turbin angin. Semakin luas bidang sentuh angin maka akan menghasilkan torsi yang semakin besar. Desain turbin angin mempengaruhi seberapa besar kemampuan turbin untuk dapat mengubah energi angin menjadi energi mekanik rotasi.
Hubungan tegangan input dengan rpm turbin adalah semakin besar tegangan yang diberikan maka akan semakin besar rpm turbin. Dengan kata lain jika turbin angin ini kelak akan di install secara real sehingga memanfaatkan energi angin, maka hubungan yang didapat adalah semakin besar energi angin yang dapat ditangkap oleh turbin menjadi energi mekanik rotasi maka akan semakin besar rpm yang dihasilkan turbin.
B. Saran
Dalam penelitian ini masih memiliki beberapa kekurangan. Beberapa kekurangan yang penulis harapkan dapat menjadi pembelajaran dan perbaikan di penelitian yang selanjutnya adalah
Putaran turbin tidak seimbang karena pada bagian tengah turbin, tower dipotong untuk tempat turbin savonius, awalnya ini bertujuan agar turbin savonius dapat di lepas pasang karena peneliti ingin membandingkan kinerja turbin savonius 2 sudu yang menyatu dan 2 sudu yang terpisah.
Turbin darrieus memiliki berat yang mendominasi berat keseluruhan turbin ini juga menyebabkan putaran turbin tidak seimbang.
Poros putar turbin juga harus diperhatikan sehingga meminimalisir gesekan yang dapat mengurangi kecepatan putaran turbin.
Saat penggabungan semua komponen baik dengan cara lem, pemasangan baut atau penghubungan dengan triplek harus memperhatikan ketepatan dan kesimetrisan rancangan karena akan mempengaruhi putaran turbin.
12
DAFTAR PUSTAKA
Ali, Mohammed Hadi. 2013 : Experimental Comparison Study for Savonius Wind Turbine of Two
& Three Blades At Low Wind Speed. International Journal of Modern Engineering
Research (IJMER) : Mustansiriya
Anomim. Chapther II. Universitas Sumatera Utara : Medan
Anonim. 2014. Wind Energy Basics : Wind Energy and Wind Power. Diperoleh 8 Maret 2016 dari
Wind Energy Development Programmatic EIS, Website ;
http://windeis.anl.gov/guide/basics/
Anonim. 2014. Wind Power Diperoleh 8 Maret 2016 dari National Geograpic, Website ;
http://environment.nationalgeographic.com/environment/global-warming/wind-power-profile/
Darmawan, Hendra. Bachtiar, Kahfi Ibnu. : Perancangan Turbin Angin Tipe Savonius L Sumbu
Vertikal. Program Studi Teknik Elektro, UMRAH : Riau
Duffet, Ian. 2009 : Design and Evaluation of Twisted Savonius Wind Turbine. Vertical Wind Energy Engineering
Faruk, Al Abdulah. 2014 : Influence of Blade Overlap and Blade Angle on the Aerodynamic
Coefficients in Vertical Axis Swirling type Savonius Wind Turbine. University of
Southern Queensland : Australia
Mahendra, Bayu dkk. : Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius
Type L. Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya : Malang
Mahmud, Syahir dkk. 2014 : Desain Turbin Darrieus-Savonius pada Proses Pemanfaatan Arus
Laut sebagai Pembangkit Energi Mekanik. Prosiding Seminar Nasional Geofisika 2014:
Makassar
Pranato, Dwi Haryono. : Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Tipe Hybrid Savonius-Darrieus
dengan Perbedaan Jumlah Sudu. Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta : Jakarta
Sudargana : Analisa Perancangan Turbin Darrieus pada Hydrofoil NACA 0015 dari Karakteristik
Cl dan Cd Pada Variasi Sudut Serang menggunakan Regresi Linier pada Matlab. Jurnal
Teknik Mesin, Universitas Diponogoro : Semarang
Sumiati, Ruzita dkk. 2014 : Rancang Bangun Micro Turbin Angin Pembangkit Listrik untuk
Rumah Tinggal Angin Pembangkit Listrik untuk Rumah Tinggal di Daerah Kecepatan Angin Rendah. Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah: Jakarta
13 LAMPIRAN
Foto Kegiatan Penelitian
Multimeter Mesin Bor Mesin pemotong kaleng
