RANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUSH
MENGGUNAKAN ANALISIS BANYAK SUDU PADA
ROTOR TURBIN
Gede Eka Lesmana, Ismail, Yohannes Dewanto
Jurusan teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila
Jl.Srengeng Sawah, Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640/telp (021)7272290, fax (021)7270128 Email: gd_eka_l@yahoo.com, ismail2k7@gmail.com, dewantoandreas@yahoo.com
Abstract
This paper discusses one of the renewable energy derived from wind, to be converted into electrical energy. One type of wind turbine is a vertical axis wind turbines. Of this type turbine utilize lift force on the blade airfoil to rotate. Rotor rotation speed is determined by the availability of wind magnitude and magnitude thrust the blade, so the installation of blade angle settings to be an interesting thing to study in order to obtain a high efficiency turbine designs. From the simulation results concluded that the rotor with two blades as the best configuration, the rate of increase in the largest lap, and has a torque greater than the rotor with three or four blades
Keywords : Wind turbine, Blade, Rotor, Torque.
Abstrak
Makalah ini membahas salah satu energi terbarukan yang berasal dari angin, untuk dikonversi menjadi energi listrik. Salah aplikasinya adalah turbin angin sumbu vertikal. Turbin jenis ini memanfaatkan gaya angkat pada airfoil untuk memutar blade. Kecepatan putaran rotor ditentukan oleh besarnya angin, blade dan banyak blade, jadi pengaturan sudu blade menjadi hal yang menarik untuk mendapatkan desain turbin dengan efisiensi tinggi. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa rotor dengan dua blade sebagai konfigurasi terbaik, tingkat kenaikan terbesar, dan memiliki torsi lebih besar dari rotor dengan tiga atau empat blade.
Kata Kunci : Turbin Angin, Sudu, Rotor, Torsi
I. PENDAHULUAN
Kebutuhan energi yang semakin meningkat seiring dengan perkembangan teknologi saat ini mendorong pemerintah Indonesia untuk mengupayakan sumber energi baru dan terbarukan mengingat jumlah ketersediaan energi yang bersumber dari bahan bakar fosil makin berkurang. Krisis energi ini harus ditangani dengan sangat serius, karena selain jumlah ketersediaan bahan bakar fosil yang sudah menipis, dampak negatif terhadap lingkungan dari penggunaan bahan bakar fosil sudah sangat mengkhawatirkan. Salah satu energi
alternatif terbarukan yang ramah lingkungan adalah energi yang berasal dari angin.
agar diperoleh desain turbin dengan efisiensi tinggi.
Energi angin yang bersih karena tidak menghasilkan polusi dan selalu tersedia mendorong peneliti untuk melakukan survei potensi energinya di seluruh Indonesia. Hal ini telah dilakukan Lembaga Antarikasa dan Penerbangan Nasional (LAPAN) di 20 daerah. Kecepatan angin rata-rata tahunan di Indonesia menyentuh angka 3 - 4 meter per detik. Namun, hanya beberapa daerah yang memiliki energi angin potensial antara lain; Sulawesi Selatan, pantai Selatan Jawa, Nusa Tenggara Barat (NTB) dan Nusa Tenggara Timur (NTT) dengan kecepatan angin lebih dari 5 meter per detik, Diperkirakan keseluruhan potensi energi angin di Indonesia sekitar 9.29 GW dengan kapasitas terpasang sebesar 2 MW.
II. METODE PENELITIAN
Turbin angin terdiri atas beberapa subsistem dan komponen-komponen yang berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi listrik, Untuk mendapatkan hasil yang optimum, maka komponen-komponen yang digunakan seperti menara, sudu, system pengereman (brake system), generator, yaw system, dan sistem penyimpanan energi (baterai) harus memenuhi beberapa kriteria sehingga menghasilkan efisiensi yang tinggi, meningkatkan keamanan dan memberikan kemudahan dalam perawatan serta sesuai dengan karakteristik yang diinginkan. Gambar 1 menunjukkan komponen-komponen turbin angin sumbu horizontal skala besar.
Menara (Tower)
Menara berfungsi untuk menumpu rotor dan komponen lain yang terpasang di atasnya pada ketinggian yang diinginkan. Dalam merancang menara turbin harus disesuaikan dengan beberapa kondisi pokok seperti kemampuan dalam menerima beban,
nilai ekonomis suatu menara, dan kemudahan dalam mengakses sehingga tidak kesulitan dalam melakukan perawatan komponen-komponen turbin angin.
Kecepatan angin semakin meningkat dengan meningkatnya ketinggian, sehingga tinggi menara mempengaruhi kecepatan angin pada rotor, artinya apabila ingin menghasilkan daya yang besar maka menara harus dibuat lebih tinggi. Namun perlu diingat, semakin tinggi menara semakin besar pembebanan yang terjadi sehingga dibutuhkan menara dengan kontruksi yang semakin kuat sehingga membutuhkan biaya yang lebih besar. Pada turbin angin sumbu vertikal skala kecil menara tidak dibutuhkan sehingga turbin angin jenis ini lebuh baik diletakkan pada tempat yang memiliki ketinggian yang cukup seperti diatap gedung bertingkat.
Gambar 1. Komponen-komponen turbin angin
Gambar 2. Generator jenis GL-PMG-500A
sudu rotor
Poros putaran rendah
Sistem transmisi
Sistem pengereman
Poros putaran
Sudu (Blade)
Sudu merupakan komponen terpenting turbin angin karena pada sudu inilah energi kinetik dari hembusan angin diubah menjadi energi mekanik. Untuk menghasilkan kinerja yang maksimal maka perlu di perhatikan parameter-parameter dalam merancang sudu turbin angin, antara lain; potensi angin yang tersedia yang merupakan factor terpenting dalam perancangan sebuah turbin angin, penampang airfoil, jumlah sudu, lalu geometri dan soliditas sudu.
Sistem Pengereman (Brake System)
Kondisi angin yang terkadang melebihi dari kebutuhan, kecepatan angin yang terlalu besar dapat merusak generator karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya, sehingga kecepatan putaran poros generator tidak boleh melebihi batas yang diizinkan untuk menghindari kerusakan akibat putaran berlebih seperti panas berlebih (overheat), rotor breakdown dan lainnya.Untuk itu dibutuhkan sistem pengereman untuk mengurangi kecepatan putaran rotor agar tidak berlebihan sehingga generator dapat bekerja dengan maksimal dan menghindari kerusakan pada generator. Pada turbin angin sumbu vertikal skala kecil, sistem pengereman tidak dibutuhkan, karena turbin tidak dilengkapi dengan transmisi untuk menambah kecepatan rotor sehingga kecepatan putaran yang dihasilkan tidak terlalu tinggi.
Generator
Generator berfungsi untuk merubah energi putar poros menjadi energi listrik dengan gelombang arus sinusodal (AC). Kecepatan angin yang tidak tetap mengakibatkan generator harus bekerja pada putaran yang tidak konstan, sehingga akan menghasilkan tegangan keluaran (output voltage) yang tidak stabil, sehingga dibutuhkan pengatur tegangan (voltage regulator) agar tegangan yang dihasilkan stabil
walaupun kecepatan angin berubah-ubah. Turbin angin skala kecil menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG), generator jenis ini sudah memiliki voltage regulator terintegrasi. Contoh PMG bisa dilihat pada gambar 2.
Yaw System
Sistem yang mengatur posisi baling-baling agar tetap menghadap angin, sehingga baling-baling dapat menangkap energi angin seefisien mungkin. Pada turbin angin sumbu vertikal sistem ini tidak dibutuhkan karena salah satu kelebihan turbin angin jenis ini adalah dapat menangkap energi angin dari arah manapun.
Anemometer
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan dan arah angin, sinyal elektronis dari anemometer ditangkap oleh electronic controller yang kemudian digunakan sebagai acuan kerja turbin. Apabila kecepatan angin terlalu tinggi, anemometer akan memberikan sinya agar sistem pengereman bekerja. Hal ini untuk menghindari putaran turbin yang berlebihan sehingga dapat merusak generator dan komponen turbin angin lainnya. Pada turbin angin skala kecil perangkat ini tidak diperlukan karena pada turbin angin jenis ini tidak terdapat sistem pengereman.
Transmisi
Penyimpan Enerji (Baterai)
Karena keterbatasan energi angin maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh kerena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu diperlukan penyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan pada masyarakat menurun. Kendala dalam menggunakan alat ini adalah diperlukannya catu daya DC untuk mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC, oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini.
Rectifier – Inverter
Rectifier berarti penyearah arus, rectifier dapat menyearahkan arus listrik dengan gelombang sinusodal (AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC sehingga arus yang dihasilkan dapat disimpan ke dalam baterai. Beberapa turbin angin tidak dilengkapi dengan rectifier karena arus listrik yang dihasilkan langsung digunakan tanpa disimpan terlebih dahulu. Inverter berarti pembalik, ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi (baterai) maka arus listrik yang dihasilkan oleh baterai akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan rumah tangga menggunakan listrik dengan gelombang AC, maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan baterai menjadi gelombang AC agar dapat digunakan.
III.HASIL PENELITIAN DAN
PEMBAHASAN
Dalam sub bab ini, akan dianalisis data hasil simulasi yang diperoleh dari pengujian tiga jenis rotor turbin angin
yang berbeda yaitu; rotor dengan dua sudu, tiga sudu, dan empat sudu. Namum sebelum pembahasan data hasil simulasi, ada beberapa hal yang perlu disampaikan terkait dengan proses simulasi antara lain :
1. Kemampuan turbin angin sumbu vertikal dalam mengkonversi energi angin sangat tergantung dari mana arah angin datang, karena penampang airfoil memiliki karakteristik berbeda saat bertumbukan dengan angin dalam sudut serang yang berbeda.
2. Pada saat proses simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFdesign, jumlah iterasi maksimal yang dicapai adalah 160 langkah iterasi untuk rotor turbin dua sudu dan tiga sudu, serta 80 langkah iterasi untuk rotor turbin empat sudu. Sehingga harus menggunakan jumlah langkah iterasi terkecil agar perbandingannya relevan. Dengan Time Step Size 0.1, maka hasil simulasi yang dapat ditanyangkan adalah 8.0 detik setelah tumbukan antara sudu turbin dengan angin.
Pengujian untuk 2 sudu
Gambar 3. Grafik torsi rotor dua sudu
Pengujian untuk 3 sudu
Gambar 5. Grafik torsi rotor tiga sudu
Gambar 6. Grafik putaran rotor tiga sudu
Pengujian untuk 4 sudu
Gambar 7. Grafik torsi rotor empat sudu
Gambar 8. Grafik putaran rotor empat sudu
Perbandingan Putaran Rotor dan Torsi pada tiap Konfigurasi
Gambar 9. Grafik Perbandingan Putaran Rotor
Gambar 10. Grafik perbandingan torsi rotor
Pada grafik Gambar 9, sangat jelas terlihat bahwa rotor dengan dua buah sudu dapat berputar lebih baik pada awal putaran daripada rotor dengan 3 sudu empat sudu pada kecepatan angin 4.5 [m/s]. Hal ini dikarenakan kecepatan angin yang relatif sangat rendah, sehingga tidak memiliki cukup tenaga untuk memutar turbin dengan sudu lebih banyak. Hal ini terlihat dalam grafik bahwa rotor dengan tiga buah sudu dapat menghasilkan putaran yang lebih besar daripada rotor dengan empat buah sudu. Makin besar jumlah sudu rotor maka bobot (massa) rotor makin besar, sehingga membutuhkan kecepatan angin yang lebih besar untuk dapat memutarnya.
Dalam grafik Gambar 10, rotor dengan dua buah sudu menghasilkan torsi yang lebih tinggi dibandingkan rotor dengan empat atau tiga buah sudu. Namun, penurunan torsi yang terjadi juga lebih besar. Hal ini terjadi karena jumlah sudu mempengaruhi area tangkapan angin (swept area) pada rotor. Semakin kecil jumlah sudu maka semakin kecil juga area tangkapan angin sehingga disaat sudu pada posisi dimana tidak dapat mengkonversi angin dengan maksimal, torsi akan turun. Para rotor dengan jumlah sudu lebih besar, torsi yang dihasilkan tidak terlalu besar, namun penurunannya pun tidak terlalu signifikan sehingga lebih stabil.
IV.KESIMPULAN
peningkatan putaran yang sangat signifikan begitu pula dengan torsi yang dihasilkan memiliki nilai yang lebih tinggi daripada rotor dengan tiga atau empat buah sudu.
Rotor dengan tiga buah sudu memiliki putaran dengan peningkatan yang lebih stabil daripada rotor dengan dua buah sudu, namun memiliki nilai yang lebih rendah. Rotor dengan empat buah sudu menunjukkan laju putaran yang paling stabil namun dengan nilai terendah, begitupun dengan torsi yang dihasilkan, rotor dengan empat buah sudu menghasilkan torsi terendah, namun penurunan torsi yang terjadi tidak sebesar rotor dengan dua atau tiga buah sudu.
Dari hasil simulasi diketahui bahwa rotor dengan dua buah sudu sebagai konfigurasi terbaik karena menghasilkan putaran rotor yang lebih besar dengan laju peningkatan putaran terbesar, serta memiliki torsi lebih besar daripada rotor dengan tiga atau empat buah sudu.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1] Fitaistiana. Voni 2008, Studi
Kelayakan Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu
(PLTB) di Paneungpeuk, Tugas Akhir Teknik Mesin, Universitas Pancasila: Jakarta
[2] Dadang, dkk 2010, Peningkatan Daya Keluaran Sel Surya Dengan Penjejak Matahari Dan Pemantulan Cahaya Matahari Sebagai Sumber Daya Pendukung Perusahaan Listrik Negara (PLN), Jurnal Teknik Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya: Surabaya
[3] World Wind Energy Report 2009, World Wind Energy Association (WWEA): Germany, 2010
[4] Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (KESDM): Jakarta, 2005
[5] Blueprint Pengembangan Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (KESDM): Jakarta, 2010
[6] Hidayatulloh,N.R, dkk 2009. Desain Alat Konversi Energi Angin Type Savonius Sebagai Pembangkit Listrik Pada Pulau Bawean, Jurnal Teknik Jurusan Teknik Kelautan – Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya
[7] Arsad, Agus Muhamad, dkk 2009. Pembuatan Kode Desain Dan Analisis Turbin Angin Sumbu Vertikal Darrieus Tipe-H. Jurnal Teknologi Dirgantara. Institut Teknologi Bandung: Bandung
[8] Mulyadi, Muhammad. Analisa Aerodinamika Pada Sayap Terbang Dengan Menggunakan Software Comput ational Fluid Dynamic, Makalah Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma. Depok.
[9]
Okto ber 2010, 15:56 WIB
n_angin , 21 Oktober 2010, 17:04 WIB
