DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

(1)

Simulasi Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Menggunakan Profil Sudu Naca 4415 Terhadap Variasi Panjang Chord Dan Tip Speed Ratio

Dengan Software Cfd

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Indro Pramono NIM. 090401074

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI

PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD

INDRO PRAMONO

NIM. 090401074

Diketahui / Disahkan :

Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik - USU

Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri

NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0610 200012 1001 Dr.Eng.Himsar Ambarita,ST, MT

(3)

PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD

INDRO PRAMONO NIM. 090401074

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014

Disetujui Oleh : Pembimbing

NIP. 197206102000121001 Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT

(4)

PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD

INDRO PRAMONO NIM. 090401074

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014

Disetujui Oleh :

Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

NIP.194910121981031002 NIP. 197209232000121003 Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT

(5)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2111/TS/2013

FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : JULI 2013

MEDAN PARAF :

TUGAS SARJANA

NAMA : INDRO PRAMONO

NIM : 090401074

MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : LAKUKAN SIMULASI TERHADAP TURBIN

ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN MELAKUKAN VARIASI TERHADAP PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO. SIMULASI INI UNTUK MENGETAHUI VARIASI YANG PALING OPTIMAL DALAM MENGEKSTRAK ENERGI ANGIN . SIMULASI TURBIN INI SEBAGAI GAMBARAN AWAL DALAM PERANCANGAN TURBIN ANGIN YANG SEBENARNYA

DIBERIKAN TANGGAL : 16 JULI 2013 SELESAI TANGGAL : 20 JANUARI 2014

MEDAN, 16 JULI 2013

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING

Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri

NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0610 200012 1001 Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah SWT yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik mungkin.

Skripsi ini berjudul “SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS H-ROTOR MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD”. Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata-1(S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang saya lakukan dapat terlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah , pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada:

1. Kedua orang tua saya ,Ibunda Murniati dan Ayahanda Mardiono yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayangnya yang sangat besar kepada saya sehingga pengerjaan skripsi ini dapat berjalan dengan baik. 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ,ST,MT selaku dosen pembimbing

saya yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada saya.

3. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing,membantu dan mengajari saya selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini.

6. Rekan-rekan satu tim , Wahyu, Rijal ,Rohim atas kerjasama dan saling bertukar ide dalam menyelesaikan alat kita . Khusus untuk asisten dan anggota Laboratorium Proses produksi, terima kasih atas semua bantuan yang telah diberikan selama pembuatan turbin angin.

(7)

7. Seluruh teman teman stambuk 2009, khusunya Zulvia,Algris, Fauzi, Budiman, Ary Santoni, Tri, Ramadhan, Febrial, Harri, Nazar, Rian, Zuhdi, Habib dan semua teman teman stambuk 09 yang telah memberikan motivasi dan dorongan kepada penulis.

8. Abang dan adik di teknik mesin yang telah memberikan semangat dan motivasi kepada penulis.

9. Seluruh pihak yang banyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini.

10. Mas Heri Santoso, Dewi Lestari dan Novita sari yang telah banyak memberikan motivasi dan semangat serta sabar membantu saya dalam menyelesaikan skripsi ini.

Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi saya khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Saya dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun dari pembaca.

Medan , Maret 2014

INDRO PRAMONO 09 0401 074

(8)

ABSTRAK

Penelitian tentang turbin angin berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Beberapa faktor yang mempengaruhi performansi turbin angin adalah kecepatan angin, tinggi menara, diameter rotor, jenis airfoil yang digunakan pada rotor, jumlah sudu, tip speed ratio, efisiensi transmisi serta efisiensi generator. Pembuatan model dengan semua variasi tersebut akan menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat ditentukan secara pasti. Penggunaan software CFD sebagai alat untuk meneliti turbin angin memungkinkan untuk mendapatkan tujuan perancangan tanpa harus membuat model sebenarnya.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi panjang

chord sudu dan tip speed ratio terhadap performansi turbin angin dengan

mensimulasikannya dengan menggunakan software CFD . Turbin angin yang disimulasi berupa rotor 2D dengan diameter 1,55 m pada daerah rotating region sedangkan boundary luar berukuran 3 x 6 m. Rotating region dihubungkan dengan boundary luar dengan melalui mesh interface. Airfoil yang dipakai adalah NACA 4415. Jumlah sudu sebanyak 3 buah. Kecepatan angin yang digunakan pada simulasi adalah 5 m/s.Variasi panjang chord sudu yang digunakan adalah 30 cm, 45 cm, 60 cm dan 75 cm. Variasi tip speed ratio yang digunakan yaitu 0,5 , 1, 1,5 dan 2. Hasil simulasi menunjukkan koefisien daya untuk panjang chord sudu 75 cm dan TSR 2 memiliki efisiensi tertinggi yaitu 0,5888 atau 58,88% sementara untuk koefisien daya terendah dihasilkan untuk panjang chord 30 cm dan TSR 0,5 yaitu 0,317857412 atau 31,79%

Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, airfoil NACA 4415, rotating region, mesh interface.

(9)

ABSTRACT

The research of wind turbine has rapidly developed in recent years. Many factors influenced the performance of wind turbine. They are wind velocity, the tower height, rotor diameter, type of airfoils, number of blades, tip speed ratio and efficiency of equipment. Wind turbine modeling with all variations spends much cost while the result can’t be known definitely. The utilizing of CFD software as a tool to analyze wind turbine make it possible to get the good result .

The goal of this experiment is to find the effect of variation at airfoil length and tip speed ratio to performance of wind turbine by simulating with CFD software. This model is two dimensions with 1,55 m diameter of wind turbine at rotating region while the outer boundary is 3 x 6 m. The rotating region’s area is connected with the outer boundary by utilizing mesh interface. NACA 4415 is used as the airfoil. Three blades are used for this model. The wind velocity is 5 m/s. The chord variation are 30 cm,45 cm, 60 cm and 75 cm. The variation of tip speed ratio are 0.5 , 1 , 1.5 , 2. The result of simulation showed that the highest coefficient of performance reached for 75 cm chord length at TSR 2 with 58,88% while the lowest coefficient of performance reached for 30 cm chord length at TSR 0,5.

Keywords : Darrieus-H wind turbine, NACA 4415 , rotating region, mesh interface

(10)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR SIMBOL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Tujuan Penelitian ... 3 1.3.1 Tujuan umum ... 3 1.3.2 Tujuan khusus ... 4 1.4 Batasan Masalah ... 4 1.5 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Ketersediaan energi angin di Indonesia ... 6

2.2 Turbin angin ... 11

2.2.1 Turbin angin sumbu vertical(TASV) ... 13

2.2.2 Turbin angin sumbu Horisontal(TASH) ... 17

2.3 Teori Momentum Elementer Betz ... 20

2.4 Tip speed ratio ... 24

2.5 Solidity ... 24

2.6 Airfoil ... 25

2.6.1 Pengertian Airfoil ... 25

2.6.2 Geometri airfoil ... 26

2.6.3 Airfoil NACA 4 digit ... 26

2.6.4 Gaya aerodinamis yang terjadi pada turbin angin ... 28

2.7 Computational Fluid Dynamics ... 29

2.7.1 Pengertian CFD ... 29

(11)

2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida ... 32

2.9 Model aliran turbulen yang terdapat di CFD ... 38

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 40

3.1 Waktu dan Tempat ... 40

3.2 Identifikasi Masalah ... 40

3.3 Variabel Penelitian... 40

3.3.1 Variabel Terikat ... 40

3.3.2 Variabel Bebas ... 40

3.4 Urutan Proses Analisa ... 41

3.5 Diagram Alir Penelitian ... 42

3.6 Peralatan Pengujian ... 43

3.7 Langkah langkah Pengujian ... 43

3.7.1 Pengujian airfoil secara 2D ... 43

3.7.2 Pengujian turbin angin dengan simulasi ... 53

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 62

4.1 Hasil simulasi airfoil ... 62

4.2 Perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen ... 68

4.3 Simulasi turbin angin 2D ... 69

4.3.1 Pemilihan sudut pitch ... 69

4.3.2 Perhitungan daya turbin angin ... 72

4.3.3 Simulasi turbin angin 2D dengan variasi panjang chord .. 74

4.3.4 Simulasi turbin angin 2D dengan variasi tip speed ratio(TSR) ... 82

4.4 Tabel dan grafik untuk variasi tip speed ratio(TSR) dan panjang chord(c) ... 85

4.5 Perbandingan hasil simulasi dengan data eksperimen ... 89

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 93

5.1 KESIMPULAN ... 93

5.2 SARAN ... 94

DAFTAR PUSTAKA ... 95

LAMPIRAN I DATA KECEPATAN ANGIN DI SUMATERA UTARA... 98

(12)

LAMPIRAN 2 PROFIL ALIRAN DAN POTENSI KECEPATAN

ANGIN DI INDONESIA ... 100 LAMPIRAN 3 DATA KECEPATAN ANGIN RATA RATA

TAHUNAN PADA BEBERAPA DAERAH DI INDONESIA

DIUKUR PADA KETINGGIAN 50 M ... 101 LAMPIRAN 4 KOORDINAT AIRFOIL NACA 4415 ... 102 LAMPIRAN 5 SIFAT SIFAT UDARA PADA SUHU

ANTARA 250 – 1000K... 103 LAMPIRAN 6 KONTUR ALIRAN UDARA ... 104

(13)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Penggunaan energi di dunia dari total 143.851 PWh... 7

Gambar 2.2 Penggunaan energi di Indonesia dari total 1080 SBM... 7

Gambar 2.3 Negara yang telah memanfaatkan turbinangin sebagai pembangkit listrik ... 9

Gambar 2.4 Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia ... 9

Gambar 2.5 Kapasitas terpasang dari pembangkit listrik PLN(dalam MW) ... 10

Gambar 2.6 Aliran angin yang terjadi di Indonesia ... 11

Gambar 2.7 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Drag ... 12

Gambar 2.8 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Lift ... 12

Gambar 2.9 Turbin angin sumbu vertical... 13

Gambar 2.10 Turbin angin tipe Darrieus ... 14

Gambar 2.11 Turbin angin Savonius yang menggunakan sudu berupa lembaran kain ... 15

Gambar 2.12 Turbin angin savonius yang dapat dibuat dari drum bekas ... 15

Gambar 2. 13 Turbin angin giromill tipe helix... 16

Gambar 2.14 Turbin angin Darrieus-H ... 16

Gambar 2.15 Turbin angin sumbu horizontal ... 18

Gambar 2.16 Turbin angin dengan 3 sudu ... 18

Gambar 2.17 Turbin angin sumbu horizontal di unit pembangkit listrik 19 Gambar 2. 18 Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin ... 19

Gambar 2.19 Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer ... 21

Gambar 2.20 Koefisien daya vs rasio kecepatan angin sesudah dan sebelum melewati turbin angin ... 23

Gambar 2.21 Geometri airfoil ... 26

Gambar 2.22 Penjelasan NACA 4 digit ... 26

(14)

Gambar 2.24 Gaya aerodinamis yang terjadi pada sudu turbin... 29

Gambar 2.25 Terowongan angin yang dibuat wright bersaudara tahun 1901-1902 di Dayton, Ohio ... 31

Gambar 2.26 Metode yang sering digunakan dalam menganalisa aerodinamis ... 31

Gambar 2.27 Kelestarian massa pada elemen dua dimensi ... 32

Gambar 2.28 Komponen gaya sejajar sumbu-x pada elemen 2 dimensi 34

Gambar 2.29 Komponen kerja dan panas pada sebuah elemen ... 35

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian... 42

Gambar 3.2. Geometri airfoil NACA 4415 ... 43

Gambar 3.3 Koordinat asli NACA 4415 sebelum diubah ... 44

Gambar 3.4 Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell ... 44

Gambar 3.5 Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit ... 46

Gambar 3.6 Geometri airfoil dan lingkungannya ... 46

Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibuat di GAMBIT ... 47

Gambar 3.8 Boundary condition ... 49

Gambar 3.9 Penentuan jenis model aliran ... 50

Gambar 3.10 Penentuan jenis material yang digunakan pada simulasi ... 50

Gambar 3.11 Penentuan jenis boundary condition ... 51

Gambar 3.12 Penentuan besaran pada pressure far field ... 51

Gambar 3.13 Penentuan jenis solution method ... 52

Gambar 3.14 Proses iterasi ... 52

Gambar 3.15 Kontur kecepatan ... 53

Gambar 3.16 Susunan airfoil c = 30 cm pada rotating boundary ... 54

Gambar 3.17 Lingkungan di luar rotating region ... 55

Gambar 3.18 Geometri turbin angin 2D yang telah dibuat ... 56

Gambar 3.19 Penentuan interface pada geometri dilakukan sebelum melakukan meshing ... 56

Gambar 3.20 Boundary yang ditetapkan pada simulasi ... 57

Gambar 3.21 Error yang muncul ketika dilakukan pengecekkan pada mesh ... 58

(15)

Gambar 3.23 Input besaran rotating region ... 59

Gambar 3.24 Proses iterasi ... 60

Gambar 3.25 Diagram alir prosedur simulasi ... 61

Gambar 4.1 Kontur tekanan untuk α = 7o ... 62

Gambar 4.2 Kontur kecepatan untuk α = 7o ... 63

Gambar 4.3 Grafik sebaran tekanan yang terjadi pada dinding atas airfoil dan dinding bawah airfoil ... 63

Gambar 4.4 Grafik α vs CL ... 65

Gambar 4.5 Efek stall yang terjadi pada airfoil ... 65

Grafik 4.6 Grafik α vs CD ... 66

Gambar 4.7 Grafik α vs CL/CD ... 67

Gambar 4.8 Vektor kecepatan yang terjadi pada α = 4o ... 67

Gambar 4.9 Grafik α vs CL ... 68

Gambar 4.10 Grafik perbandingan hasil simulasi dengan hasil Eksperimen ... 69

Gambar 4.11 Kontur aliran yang terjadi pada turbin angin dengan panjang chord 30 cm ... 70

Gambar 4.12 Kontur kecepatan pada c = 30 cm setelah iterasi selama 20 detik ... 74

Gambar 4.13 Kontur kecepatan pada c = 60 cm setelah iterasi selama 20 detik ... 75

Gambar 4.14 Grafik kecepatan angin yang keluar di sisi outlet ... 76

Gambar 4.15 Kecepatan angin di daerah rotating region ... 77

Gambar 4.16 Grafik y vs v untuk semua panjang sudu ... 80

Gambar 4.17 Grafik c vs vrata rata untuk semua panjang sudu ... 81

Gambar 4.18 Hubungan antara c vs cp ... 81

Gambar 4.19 Kontur kecepatan angin angin yang terjadi pada panjang sudu c = 60 cm ... 83

Gambar 4.20 Kecepatan angin yang keluar di rotating region ... 85

Gambar 4.21 Grafik TSR vs cp ... 86

(16)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Model penyelesaian aliran turbulen ... 38

Tabel 4.1 Hasil simulasi NACA 4415 ... 64

Tabel 4.2 Data kecepatan angin rata rata yang melewati sisi rotating region ... 71

Tabel 4.3 Data kecepatan angin yang melewati turbin angin di sepanjang outlet untuk c = 30 cm untuk TSR 2 ... 75

Tabel 4.4 Kecepatan angin pada bagian rotating region ... 78

Tabel 4.5 Kecepatan angin rata rata yang keluar di sisi outlet ... 79

Tabel 4.6 Data kecepatan rata rata untuk variasi panjang chord ... 80

Tabel 4.7 Data koefisien daya untuk variasi panjang chord ... 81

Tabel 4.8 Perhitungan tip speed ratio dan putaran turbin ... 83

Tabel 4.9 Kecepatan angin yang keluar untuk variasi tip speed ratio ... 84

Tabel 4.9 Data kecepatan angin rata rata dan koefisien daya ... 85

Tabel 4.10 Koefisien daya (cp)... 86

Tabel 4.11 Kecepatan rata rata di rotating region(m/s) ... 87

Tabel 4.12 Daya yang mampu diekstrak oleh turbin angin ... 88

Tabel 4.13 Spesifikasi turbin angin penggerak aerator ... 89

Tabel 4.14 Hasil pengujian turbin angin tanpa aerator ... 90

Tabel 4.15 Hasil pengujian turbin angin dengan aerator ... 90

Tabel 4.16 Data pengujian eksperimen ... 90

Tabel 4.17 Data pengujian simulasi ... 91

Tabel 4.18 Variasi pengujian ... 91

Tabel 4.19 Data Pengujian eksperimen ... 91

(17)

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

NACA National Advisory Committee Of Aeronautics -

TASH Turbin angin sumbu horizontal -

TASV Turbin angin sumbu vertikal -

TSR Tip speed ratio -

A Luas sapuan rotor m2

B Jumlah sudu -

c Panjang chord sudu m

cL Koefisien lift -

cD Koefisien drag -

cP Koefisien daya -

C Panas jenis J/kg.oC

D Diameter turbin m

𝐸𝐸𝑘𝑘 Energi kinetik angin Joule

𝑚𝑚 massa udara kg

𝑣𝑣 Kecepatan angin m/s

𝑚𝑚̇ Laju aliran massa udara kg/s

𝜌𝜌 Massa jenis udara kg/m3

𝑃𝑃 Daya turbin Watt

𝐹𝐹 Gaya N

λ Tip speed ratio -

R Jari jari turbin m

n putaran turbin rpm

N Gaya Normal Newton

σ

solidity

-

m camber -

t tebal airfoil m

(18)

Re Bilangan Reynold -

α sudut serang o