Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No.2 Agustus 2015
63
ANALISIS KINERJA TURBIN SAVONIUS TIPE L 2 TINGKAT MENGGUNAKAN
SOFTWARE CFD
I Gede Eka Lesmana, Tanto Agus Priyono
Jurusan Teknik Mesin Peminatan Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila
Jl. Srengseng Sawah Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640 - Indonesia Telp: (021) 78880305, 7270086, Fax: (021) 7864721, 7271868 Email: humas@univpancasila.ac.id, Website: www.univpancasila.ac.id
ABSTRAK
Turbin Savonius merupakan turbin sumbu vertikal yang dapat beroperasi dengan baik pada kecepatan angin rendah. Secara umum kinerja turbin dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah bentuk dari sudu.
Penelitian ini dilakukan dengan memodifikasi rotor Savonius L 2 tingkat dengan variasi sudut kelengkungan turbin sebanyak 5 variasi sudut, yaitu masing-masing sebesar 200, 300, 450, 600, 900 dan 5 variasi kecepatan angin yaitu 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh dari variasi sudut kelengkungan terhadap putaran turbin pada setiap variasi kecepatan angin.
Dari grafik hubungan putaran turbin terhadap kecepatan angin, diketahui bahwa putaran turbin akan naik sejalan dengan pengurangan sudut kelengkungan dan penambahan kecepatan angin. Turbin yang memiliki putaran paling besar adalah turbin dengan sudut kelengkungan 300 dan putaran paling kecil terdapat pada turbin dengan sudut kelengkungan yang paling besar, yaitu pada sudut 900 .
Kata kunci: turbin angin sumbu vertikal, rotor Savonius L, kecepatan angin
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Di abad ini energi menjadi salah satu bagian terpenting dalam kehidupan manusia karena perkembangan teknologi yang begitu cepat membutuhkan energi yang besar untuk mendukung usaha tersebut. Namun demikian dengan semakin menipisnya jumlah energi fosil yang menjadi tulang punggung utama sumber energi, selain semakin menipis keberadaanya, juga berdampak kurang baik bagi lingkungan yang disebabkan oleh gas buang hasil penggunaan energi fosil tersebut, oleh karena itu dibutuhkan alternatif sumber energi selain energi fosil untuk menggantikan energi fosil tersebut di masa yang akan datang, yaitu suatu sumber energi yang bersih, ramah lingkungan dan juga berbiaya rendah. Salah satu pemanfaatan energi terbarukan yang saat ini memiliki potensi besar untuk dikembangkan adalah energi angin. Energi ini merupakan energi yang bersih dan dalam proses produksinya tidak mencemari lingkungan. Energi angin merupakan sumber daya alam yang dapat diperoleh secara cuma-cuma yang jumlahnya melimpah dan tersedia terus-menerus sepanjang tahun. Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki sekitar 17.500 pulau dengan panjang garis pantai lebih dari 81.290 km. Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu sekitar 9,3 GW dan total kapasitas yang baru terpasang saat ini sekitar 0,5 MW.[1]
Pemanfaatan energi angin di Indonesia dewasa ini diarahkan untuk listrik pedesaan, dan berkontribusi sebagai energi altematif di masa mendatang. Informasi kecepatan angin menunjukkan bahwa penggunaan turbin angin kecil adalah potensial, sementara penggunaan turbin angin besar juga dimungkinkan. Dengan terus berkembangnya teknologi energi angin dan meningkatnya kebutuhan energi, sistem energi angin akan semakin berdaya saing.[2]
Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi menunjukan beberapa wilayah memiliki kecepatan angin diatas 5 m/s, masing-masing , Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi selatan, dan Pantai Selata Jawa.[3]
Turbin yang sesuai untuk kecepatan angin rendah adalah turbin angin sumbu vertikal. Turbin ini memiliki torsi awal yang besar pada kecepatan angin rendah. Secara sederhana pembuatan prototipe dapat dilakukan dengan membelah sebuah kaleng menjadi dua kemudian menggesernya, turbin seperti ini disebut juga dengan rotor Savonius tipe U. Turbin Savonius termasuk turbin tipe sumbu tegak (vertical axis) yang rotornya dapat berputar untuk semua arah angin.
Sejak ditemukan oleh Sigurt J. Savonius pada tahun 1922 hingga saat ini, turbin Savonius banyak mengalami pengembangan desain, dari mulai bentuk sudu sampai dengan penambahan level atau tingkat sudu dan bentuk twist dari sudu rotornya. Adapun permasalahan pada penelitian ini adalah
64
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No. 2 Agustus 2015apakah ada pengaruh dari sudut kelengkungan pada
sudu terhadap putaran turbin savonius yang akan berpengaruh kepada daya yang dihasilkanya, berdasarkan latar belakang di atas, maka dilakukan pengembangan desain pada Savonius tipe L Dua tingkat dengan melakukan modifikasi pada rotor Savonius tipe L. Modifikasi menggunakan airfoil type NACA 0012 dengan memvariasi sudut kelengkungan dengan 5 variasi sudut, yaitu 20o, 30o, 45o, 60o, 90o, dengan panjang busur profil lengkung sebesar r tetap, dan dengan Jumlah sudu yang digunakan adalah sebanyak dua buah dan dua tingkat, Penelitian dilakukan dengan lima variasi kecepatan angin yang berbeda yaitu 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, . Dan akan disimulasi software CFD 10.1.
B. Tujuan
1.mengetahui pengaruh variasi sudut kelengkungan terhadap putaran turbin.
2.mengetahui pengaruh variasi sudut kelengkung terhadap daya yang dihasilkan.
3.mengetahui pengaruh penambahan kecepatan angin terhadap putaran turbin .
4.dapat membuat prototype turbin Savonius tipe L modifikasi dalam skala lab dari hasil design yang terbaik.
C. Metode
Metode Perancangan Penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.studi literatur, yaitu mempelajari buku-buku, jurnal ilmiah, atau referensi yang lainnya yang dapat menunjang sebagai pelengkap dalam menganalisis masalah dan perhitungan
2.simulasi dan analisis yaitu melakukan simulasi dengan software CFD.
D. Batasan Masalah
Adapun batasan-batasan pada Penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.Variasi sudut kelengkungan sudu yang digunakan sebanyak 5 variasi, masing- masing sebesar 20o,30o,45o,60o,90o.
2.Modifikasi hanya sampai 2 tingkat.
3.Massa, Material dan rugi-rugi akibat gesekan tidak dihitung dalam perhitungan.
4.Kecepatan angin dianggap konstan dan laminar, berasal dari satu arah, yaitu dari depan turbin angin. Dengan keepatan 1m/s, 2m/s, 3 m/s, 4m/s, 5 m/s.
II. LANDASAN TEORI
A. ENERGI ANGIN
Angin merupakan udara yang bergerak disebabkan adanya perbedaan tekanan. Udara akan mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. Perbedaan tekanan udara dipengaruhi oleh sinar matahari. Daerah yang
banyak terkena paparan sinar matahari akan memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada daerah yang sedikit terkena paparan sinar matahari. Menurut hukum gas ideal, temperatur berbanding terbalik dengan tekanan, dimana temperatur yang tinggi akan memiliki tekanan yang rendah, dan sebaliknya.
1. Kelas-kelas kecepatan angin Tabel 1
Potensi Angin Berdasarkan Kecepatanya.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 >32,6 >118 24,5-28,4 88-102,3 28,5-32,6 102,4-117 17,2-20,7 61,6-74,5 20,8-24-4 74,6-87,9 10,8-13,8 38,6-49,7 13,9-17,1 49,8-61,5 5,5-7,9 19,6-28,5 8-10,7 28,6-38,5 1,6-3,3 55-11,9 3,4-5,4 12-19,5 0,3-1,5 1-5,4
KELAS ANGIN KECEPATAN ANGIN
m/s km/h
Tabel 2
Kecepatan Angin Di Jalan Tol Cipularang.[5]
2. Tenaga Total
Udara yang memiliki massa m dan kecepatan v akan menghasilkan energi kinetik sebesar.[6]
E = 1/2 mv2 ...(1) Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu
dengan kerapatan ρ, yaitu.[6] :
m = ρV = ρAv ...(2) Sehingga energi kinetik angin yang berhembus
dalam satuan waktu (daya angin) adalah.[6]: P=1/2 (ρAv)(v2) ...(3) dimana: P = Daya Angin (Watt)
A= Luas penampang Turbin (m2) ρ = Densitas Udara (1.225 kg/m3). v = kecepatan Udara (m/s) V= Debit (m3/s)
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No.2 Agustus 2015
65
M= Massa (kg)3. Tip Speed Ratio (TSR)
Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin. (TSR) dirumuskan sebagai berikut.[6]:
λ = (Ω R)/v_w ...(4) dimana: λ = Tip speed ratio
Ω = Kecepatan sudut Turbin (rad/s) R = Jari-jari Turbin (m)
Vw = kecepatan angin (m/s) 4. Torsi
Torsi bisa disebut juga momen atau gaya yang menyatakan benda berputar pada suatu sumbu, atau torsi juga bisa didefinisikan ukuran keefektifan gaya tersebut dalam menghasilkan putaran atau rotasi mengelilingi sumbu tersebut. Torsi pada turbin bisa dirumuskan sebagai berikut
[6]:
Q = P/Ω = P/(π.D.N)...(5) dimana:
P = Daya (watt) Q = Torsi (Nm)
Ω = Kecepatan sudut (rad/s) D = diameter (m)
N = Putaran (det-1)
5. Teori Momentum Elementer Betz.
Gambar 1. Faktor daya sebagai fungsi TSR berbagai jenis turbin.[7]
Cp maksimum diperoleh apabila v2/v1 = 1/3 yang menghasilkan nilai sebesar 0,593. Ini berarti, meski dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung dengan tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang digunakan, daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0,593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi menjadi daya mekanik. Angka ini kemudian disebut faktor Betz. Angka
inilah yang dijadikan parameter atau acuan untuk mendesain suatu turbin angin.
6. Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin konversi energi dengan sudu berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Energi mekanik digunakan langsung sebagai penggerak seperti pompa atau grinding stones, maka dalam hal ini (turbin) disebut windmill. Ekstraksi potensi angin pada mulanya digunakan untuk menggerakkan kapal dengan tenaga angin, dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk menyuplai kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi energi dan memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Komponen turbin angin.[10] Keterangan Gambar :
Arah angin pada HAWT type up wind 1.Diameter rotor 2.Hub Height 3.Rotor blade 4.Gear box 5.Generator 6.Necelle 7.Tower HAWT 8.Arah angin HAWT 9.Tinggi rotor 10.Tower VAWT 11.Equator height 12.Fixed pitch rotor blade
III. METODE ANALISA A. Metode Analisa
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi, Kegiatan yang akan dilakukan adalah merancang turbin savonius type L dengan lima variasi sudut kelengkungan sudunya yaitu: 20o, 30o, 45o, 60o,90o, dan lima variasi kecepatan angin 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, dengan dua buah sudu, dua tingkat. Pengambilan
66
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No. 2 Agustus 2015data dalam penelitian ini dengan perhitungan dan
mensimulasikan design blade kedalam software CDF dan akan di ketahui Putaranya dalam rpm, sehingga didapatkan hasil sudut terbaik yang akan dijadikan model prototype skala lab.
B. Alat dan Bahan Moke Up.
1. Plat Alumunium tipis 2. Lem
3. Gunting 4. Anemometer 5. Cutter
6. Kawat email & Magnet. 7. Kipas angin/Blower. 8. Bearing
9. Kayu kotak 10. Selotip 11. Multimeter.
C. Tempat dan Waktu Penelitian
Lab Teknik Mesin Universitas Pancasil
D. Urutan Proses Analisis
Gambar 3. Diagram alir penelitian
1. Perancangan Turbin
Hal yang akan dilakukan pertama kali adalah merancang Turbin, turbin ini adalah kombinasi antara antara profil datar dan lengkungan, dikarenakan dalam merancang turbin harus ditentukan jenis bladenya , maka hal yang pertama dalam merancang turbin adalah menentukan jenis dari blade yang akan dipakai, blade yang akan dipakai adalah jenis NACA 0012,
jenis NACA ini sudah digunakan oleh peneliti lain dalam mendesain turbin VAWT terutama tipe darius, modifikasi akan dilakukan pada bagian kelengkungan dari Blade nya.lalu dihitung mengunakan rumus rumus yang sesuai dengan literatur yang mendukung untuk mendapatkan hasil yang baik.
Spesifikasi rancangan Turbin savonius modifikasi yang akan dihitung adalah sebagai berikut:.
Gambar 4. Sketsa modifikasi rotor turbin
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No.2 Agustus 2015
67
Gambar 6. Jenis modifikasi sudut suduTabel 3.
Spesifikasi Rotor Turbin Savonius Tipe L Modifikasi 1 20 0,1595 0,32 0,75 2 20 0,1595 0,32 0,75 3 20 0,1595 0,32 0,75 4 20 0,1595 0,32 0,75 5 20 0,1595 0,32 0,75 1 30 0,1573 0,32 0,75 2 30 0,1573 0,32 0,75 3 30 0,1573 0,32 0,75 4 30 0,1573 0,32 0,75 5 30 0,1573 0,32 0,75 1 45 0,1514 0,32 0,75 2 45 0,1514 0,32 0,75 3 45 0,1514 0,32 0,75 4 45 0,1514 0,32 0,75 5 45 0,1514 0,32 0,75 1 60 0,1436 0,32 0,75 2 60 0,1436 0,32 0,75 3 60 0,1436 0,32 0,75 4 60 0,1436 0,32 0,75 5 60 0,1436 0,32 0,75 1 90 0,1134 0,32 0,75 2 90 0,1134 0,32 0,75 3 90 0,1134 0,32 0,75 4 90 0,1134 0,32 0,75 5 90 0,1134 0,32 0,75 Vw(m/s) Sudut(o) r (m) Diameter penutup (m) Tinggi(m) Tipe 3 Tipe 4 Tipe 5 Rotor Tipe 1 Tipe 2
2.Simulasi Menggunakan Software CFD
Di sini data perhitungan akan di ujikan dengan software CFD untuk melihat kedekatan perhitungan dengan prototype yang akan dibuat, yaitu dengan menggambar turbin savonus modifikasi dengan program pro-enginering sesuai dengan ukuran ukuran yang telah ditentukan lalu dimasukan dalam software CFD 10.1 yang akan disimulasikan dengan kecepatan angin yang berbeda yaitu 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, dan akan diambil data outputnya berupa kecepatan sudutnya (Rpm).
3.Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan dengan mengambil dari hasil perhitungan manual yang akan dibandingkan dengan hasil dari simulasi dari software CFD, dengan kecepatan angin yang berbeda yaitu: 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, pengambilan data ini juga akan mengukur dari prototype terbaik yang akan dibuat, agar diketahui kedekatan data secara teori dengan aktual.
4.Analisis
Dari pengambilan data diperoleh hubungan antara putaran turbin (rpm) terhadap kecepatan angin dari masing-masing variasi sudut turbin. Dari data yang diperoleh maka selanjutnya data dianalisis dengan acuan teori yang ada.
5.Pembuatan Moke-Up
Setelah melakukan analisis, dan mendapatkan data-data, maka akan didapatkan satu data yang paling baik, dan akan dibuat Moke up nya.
Turbin yang akan dibuat mengunakan bahan alumunium tipis, karena alumunium mudah untuk dibentuk.dan akan dirakit sedemikian rupa agar sesui dengan bentuk yang diinginkan.
IV.HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk menentukan turbin terbaik, maka harus dihitung secara manual, untuk mengetahui nilai nilai yang terbaik dan sudut yang terbaik, pada perhitungan ini maka hanya akan dihitug satu kali menggunakan manual dan akan dilanjutkan dengan tabulasi exel agar diketahui nilai nilai secara langsung, maka perhitunganya sebagai berikut: 1. Diketahui suatu data untuk mendesain sebuah turbin savonois 2 tingkat.
a.Variable bebas
1). kecepaan udara: Vw = 1m/s,2m/s, 3m/s,4m/s, 5m/s.
2).Sudut sudu blade (a) = 200,300, 450, 600, 900.
b.Variable Tetap
1). Ukuran panjang blade NACA 16 cm dan tebal nya 1,92cm
2). Cp max= 0,2.(Berdasarkan Faktor Betz untuk turbin savonius 0,15-0,2. )
3). Tinggi satu tingkat = 0,375m, jadi 2x 0,375= 0,75m karena 2 tingkat.
4). Diameter Penutup Turbin = 32 cm ,Tinggi 75cm[7]
5). (aliran udara dianggap laminar). 6). Massa jenis udara= 1,225 (kg/m3)
Tabel 4.
68
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No. 2 Agustus 2015Tabel 5.
Hasil Perhitungan Daya & Torsi
Gambar 7. Pengaruh sudut terhadap putaran turbin
Gambar 8. Pengaruh sudut terhadap daya
Gambar 9. Pengaruh sudut terhadap torsi
B.SIMULASI CFD.
Hal yang harus dilakukan adalah mengambar model sesuai ukuran yang telah di tentukan, setelah itu masukan paremeter dan hasilnya sebagai berikut:
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No.2 Agustus 2015
69
Gambar 11. Savonius dalam simulasiDilihat gambar di atas, turbin dimasukan kedalam sebuah box agar hembusan angin dapat diterima secara sempurna, berdasarkan pengujian simulasi CFD dengan lama iterasi 300 iterasi seperti di atas maka didapatkan hasil kecepatan dari turbin sebagai berikut:
Tabel 6. Nilai Hasil Simulasi Cfd 300 Iterasi
Gambar 12. Pengaruh Sudut terhadap putaran dengan simulasi CFD.
Gambar 13. Pengaruh Sudut terhadap Top Speed Rasio dengan simulasi CFD
Gambar 14. Pengaruh sudut terhadap Torsi dengan simulasi CFD
Gambar 15. Pengaruh Sudut terhadap Daya dengan simulasi CFD
70
Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No. 2 Agustus 2015 C. PEMBUATAN MOKE-UPGambar 16. Moke-Up Turbin savonius 2 Tingkat dengan sudut 30 derajat
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan:
1.Sudut 30 derajat adalah sudut yang paling baik . 2.Semakin melengkung sudut ke arah sudut terkecil maka kecepatanya semakin besar, namun maximal hanya sampai 30 derajat. Karena pada sudut 20 derajat kecepatanya kembali berkurang. 3.Semakin besar sudutnya maka daya dan torsinya akan semakin berkurang.
4.Nilai TSR Maksimal adalah 0.6 pada turbin sudut 30 derajat, dan terendah pada turbin bersudut 90 derajat dengan nilai 0,09.
5.Kecepatan turbin bertambah sebanding dengan bertambahnya kecepatan angin.
B.SARAN
1.Untuk penelitian selanjutnya diharapkan dengan ukuran yang lebih besar, agar dapat diketahui pengaruhnya.
2.Diharapkan agar penelitian selanjutnya agar diteliti pengaruh dari jarak overlaping sudunya 3.Diharapkan agar menggunakan material yang lebih ringan.
DAFTAR PUSTAKA
1. Daryanto, Y., 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Balai PPTAGG - UPT-LAGG.
2. Syahrul., 2008. Prospek Pemanfaatan Energi Angin Sebagai Energi Alternatif di Daerah Pedesaan, Vol. 3, No.2.
3. Pujanarsa, Astu & Djati Nursuhud, Mesin Konversi Energi, Edisi ke 3, penerbit andi, Yogyakarta.
4. Sukandarrumidi, Herry Zadrak Kotta, Djoko Wintolo, Energi Terbarukan, Gajah Mada University Press.
5. Soelaiman,F., Tandian, Nathanael P., dan Rosidin, N., 2006. Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan Tol; Bandung. ITB.
6. Lysen.E.H, Introduction To Wind Energy, 2nd Edition, may 1983.
7. Mohamed,Hassan Ahmed Mohamed. 2011. Design Optimization of Savonius and Wells Turbines, Otto-von-Guericke-Universita¨t Magdeburg.
8. Dutta,Animesh. 2006. Basics of Wind Technology. Asian Institute of Technology Thailand. 6 Juli 2006.
9. Marizka Lustia,2010, Analisis Kinerja Turin Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor Savonius Type L Untuk Optimasi kinerja Turbin, Tugas sarjana, Surakarta:UNS.
10. Paul Gipe, wind-works.org, Wind Technology Historical Drive Trains Conversion Devices Configurations (HAWT, VAWT) Rotor Design. 11. El wakil M M, Powerplant Technology. Mc Graw Hill International, 1985
12. T.Letcher, Small Scale Wind Turbines Optimized for Low Wind Speeds, The Ohio State University, Columbus, OH.
13. Peter J. Schubel and Richard J. Crossley, Wind Turbine Blade Design , Faculty of Engineering, Division of Materials, Mechanics and Structures, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, UK. 14. http://www.accessscience.com, Air Foil NACA.
![Gambar 1. Faktor daya sebagai fungsi TSR berbagai jenis turbin.[7]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2039146.2689448/3.892.493.761.454.663/gambar-faktor-daya-sebagai-fungsi-berbagai-jenis-turbin.webp)
