STUDI NUMERIK TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL TIPE H-DARRIEUS NACA0012

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah S.W.T, atas segala nikmat dan kemudahan yang diberikan untuk menyiapkan kajian ini. Selawat dan salam juga dipanjatkan bersama keluarga dan sahabat baginda kepada junjungan besar Nabi Muhammad S.A.W. hantar. Kami juga ingin merakamkan ucapan terima kasih kepada Pusat Penyelidikan dan Program Khidmat Masyarakat (PRPM) ITI kerana memudahkan pembiayaan penyelidikan ini.

Kami berharap hasil penelitian ini dapat memberikan kontribusi yang bermanfaat untuk memecahkan masalah yang ada dalam skala laboratorium. Berdasarkan data Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) per Juni 2017, rasio elektrifikasi nasional sebesar 92,80% (Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2017). Oleh karena itu, energi baru terbarukan (EBT) menawarkan alternatif yang menarik untuk mengatasi masalah ini.

Pemerintah mendorong peningkatan kemampuan penyediaan EBT yang dibuktikan dengan pengesahan Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia Nomor 39 Tahun 2017 tentang Penyelenggaraan Kegiatan Fisik Dalam Pemanfaatan Energi Baru dan Terbarukan energi dan konservasi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui aliran fluida di sekitar sudu NACA 0012 pada gerak vertikal wind turbine dengan menggunakan program Ansys Fluent.

Latar Belakang
Rumusan masalah
Tujuan
Manfaat

Bahkan banyak daerah di Indonesia bagian timur yang rata-rata kecepatan anginnya lebih dari 6 meter/detik. Potensi energi angin harus dimanfaatkan dengan menggunakan sistem konversi energi angin (WECS) sebagai salah satu EBT yang berbiaya rendah dan ramah lingkungan (Qamar, et al., 2017). Bentuk WECS yang saat ini sedang dibangun dan dikembangkan sebagai PLTB adalah jenis turbin angin sumbu horizontal (HAWT).

Karena keunggulan di atas, VAWT merupakan teknologi yang murah dan mudah diterapkan, sehingga cocok untuk dikembangkan sebagai PLTB di daerah terpencil dan tertinggal. Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, ada beberapa metode untuk menentukan efisiensi turbin angin. Pada penelitian proyek terbaru ini, penulis melakukan analisis terhadap Rotor VAWT jenis Darrieus dengan menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD).

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah menentukan nilai koefisien kinerja CP dan nilai koefisien torsi CT dari simulasi numerik turbin angin vertikal tipe H-Darrieus dan menentukan aliran fluida di sekitar sudu. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat dalam metode perhitungan unjuk kerja kincir angin tipe vertikal H-Darrieus menggunakan software Ansys Student 2022 R2 dan mengetahui pola aliran fluida di sekitar sudu.

Turbin Angin

Sejarah Turbin Angin

Parameter Desain Turbin Angin

Tip Speed Ratio (λ)
Koefisien Daya (CP)

Aspek Aerodinamika

Pengertian Airfoil
Aerodinamika Airfoil
Aerodinamika H Darrieus

Computational Fluid Dynamic

Turbin angin, juga dikenal sebagai kincir angin, adalah alat yang mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Jenis-jenis kincir angin secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua yaitu kincir angin sumbu horizontal yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) yang merupakan kincir angin dimana sumbu putarnya sejajar dengan tanah. Jenis VAWT yang banyak digunakan untuk pembangkit listrik adalah jenis Darrieus, dimana turbin angin ini menggunakan gaya angkat untuk memutar rotor (Nigam, et al., 2015).

Struktur paling sederhana adalah tipe H-Rotor dimana turbin angin ini menggunakan bentuk sudu lurus. Rasio kecepatan ini merupakan parameter penting untuk analisis pada turbin angin. Rasio Kecepatan Tip dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut. Semakin tinggi Tip Speed Ratio maka semakin tinggi pula efisiensi turbin angin (Hansen, 2008, p:40) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3, selain itu juga menandakan bahwa terdapat banyak noise.

Pada umumnya turbin angin kecepatan rendah memiliki nilai Tip Speed Ratio berkisar antara 1 sampai dengan 4, dan turbin angin kecepatan tinggi memiliki nilai Tip Speed Ratio berkisar antara 5 sampai dengan 9. Untuk pertimbangan perencanaan desain yang pertama, maka nilai tip Rasio kecepatan terbaik untuk turbin angin dengan bilah turbin dari 1 sampai 3 adalah sekitar 18 7 (Burton, et al., 2001, p: 207), menunjukkan bahwa turbin angin dapat beroperasi pada koefisien daya maksimum mendekati (CP).

Berdasarkan persamaan tersebut juga dapat dijelaskan bahwa terdapat hubungan terbalik antara kecepatan putar rotor dan jarak sudu. Pada nilai Rasio Kecepatan Tip yang sama, bilah jarak jauh memiliki kecepatan putaran yang lambat. Output daya turbin angin bervariasi dengan kecepatan putaran turbin, sehingga kinerja rotor biasanya ditunjukkan dengan grafik antara Koefisien Daya dan Rasio Kecepatan Tip.

Airfoil adalah bentuk geometris khusus dari bagian vertikal sudu turbin angin, yang berguna untuk menyerap gaya mekanik fluida di sekitarnya. Angkat (FL) dan dorong (FD) juga bervariasi dengan perubahan posisi azimuth sudu (θ) dan rasio kecepatan ujung (λ).

Diagram Alir

Penulis mencari informasi dari berbagai sumber referensi mengenai teori turbin angin khususnya tipe VAWT Darrieus H-Rotor serta referensi untuk analisa CFD. Diantara software yang digunakan adalah ANSYS Fluent sebagai software komputer berbasis Computational Fluid Dynamic (CFD). Program pembuatan geometri Design Modeler, mesh dan post CFD dibundel dengan Fluent in ANSYS Workbench.

Perangkat lunak lain yaitu Autodesk Inventor juga digunakan dalam penelitian ini sebagai perangkat lunak komputer berbasis Double Multiple Streamtube (DMS). Membuat geometri dua dimensi ini merupakan langkah pertama dalam simulasi CFD, yang juga dikenal sebagai tahap preprocessing. Pada tahap ini dilakukan dua kegiatan yaitu mendapatkan koordinat airfoil dan membuat geometri turbin dua dimensi.

Proses simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan aplikasi ANSYS Fluent dimana pemilihan formula solusi, model fisik, sifat material, kondisi batas, pengaturan level konvergensi dan penentuan nilai referensi dilakukan pada tahap ini. Hasil simulasi CFD tidak dapat dengan mudah dipahami karena hasilnya berupa nilai aliran variabel seperti kecepatan, tekanan dan suhu pada suatu titik tertentu. Fase ini disebut juga Post-processing, yang dilakukan dengan aplikasi ANSYS CFD Post dan Microsoft Excel.

Simulasi CFD memberikan solusi terhadap model matematika, sehingga harus divalidasi agar hasil simulasi sesuai dengan yang diharapkan dan mendekati model fisik. Validasi dalam penelitian ini menggunakan data eksperimen yang diterbitkan dari penelitian simulasi numerik dengan NACA 0012. Oleh karena itu, untuk menganalisis aliran fluida, domain aliran dibagi menjadi subdomain yang lebih kecil (terdiri dari geometri primitif seperti hexahedra dan tetrahedra dalam 3D, serta persegi panjang dan segitiga). dalam 2D), dan persamaan pengatur yang terdiskritisasi diselesaikan di masing-masing bagian domain.

Setiap bagian dari domain dikenal sebagai elemen atau sel, dan kumpulan dari semua elemen ini dikenal sebagai jaring atau kisi. Pada tahap ini dilakukan analisis terhadap data yang telah diolah dalam bentuk kurva dan tabel. Tahap akhir dari penelitian ini adalah penyusunan laporan tugas akhir dari hasil analisis kinerja aerodinamis tipe H-Rotor Darrieus VAWT.

Persiapan Simulasi

Tujuan pembuatan geometri ini adalah untuk membuat model matematis yang dapat merepresentasikan bentuk fisik dari tipe H-Rotor Darrieus VAWT. Selain memasukkan koordinat sudu, juga dibuat geometri turbin dua dimensi sesuai dengan ukuran yang direncanakan. Selain itu juga dibuat berbagai jenis domain yang terdiri dari domain fluida, domain area rotasi, domain stasioner, dan domain area blade.

Validasi data yang digunakan sebagai validasi menggunakan parameter dari jurnal sebelumnya, hasil simulasi menggunakan software Ansys Fluent, dan data sekunder dari hasil eksperimen yang dipublikasikan.

Validasi Hasil SImulasi

Karena akan mengurangi pembebanan siklik turbin dan meningkatkan umur lelahnya, hal ini dapat menarik untuk disain struktur turbin. Dibandingkan dengan blade NACA7512, blade NACA4512 menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam kemampuan self-starting pada TSR 1. Hal ini menunjukkan bahwa mid-range camber menguntungkan untuk self-starting, tetapi rentang camber yang berlebihan berdampak buruk pada kinerja turbin.

Pembuatan Geometri 2 Dimensi
Setting Parameter
Hasil simulasi CFD

Bentuk mesh yang digunakan pada simulasi CFD memiliki kualitas terbaik dengan parameter mesh menggunakan skewness dengan nilai kurang dari 0,25. Dimana skewness adalah ukuran yang digunakan untuk mengukur konsistensi ukuran elemen dalam sebuah grid atau mesh. Node pada CFD mesh adalah titik-titik yang digunakan untuk membentuk grid (mesh) pada model CFD.

Lebih detailnya, node pada CFD mesh digunakan untuk menentukan posisi elemen mesh seperti tetrahedron, hexahedron, dan sebagainya. Setiap elemen memiliki beberapa node yang digunakan sebagai acuan untuk menentukan posisi elemen tersebut dalam model. Saat membuat mesh, node dapat ditentukan dengan cara yang berbeda tergantung pada jenis model yang digunakan.

Beberapa metode digunakan untuk menentukan node dalam CFD mesh, antara lain metode klasik yang menggunakan teknik manual, metode otomatis yang menggunakan algoritma pembuatan mesh, dan metode yang menggunakan teknologi pembuatan mesh yang lebih maju, seperti pada perhitungan berbasis mesh- membuat teknologi. Elemen dalam mesh CFD adalah bagian dari jaringan yang digunakan untuk melakukan simulasi numerik pada model CFD. Elemen-elemen ini digunakan untuk memecah model CFD menjadi bagian-bagian yang lebih kecil yang lebih mudah dianalisis.

Elemen tetrahedron: adalah elemen dengan empat sisi dan digunakan untuk membuat jaringan dalam ruang tiga dimensi. Elemen hexahedron: adalah elemen dengan enam sisi dan digunakan untuk membuat jaringan dalam ruang tiga dimensi. Elemen prismatik: adalah elemen yang memiliki lima sisi dan digunakan untuk membuat jaringan dalam ruang tiga dimensi.

Elemen dalam 2D: adalah elemen yang memiliki tiga sisi dan digunakan untuk membuat kisi-kisi dalam ruang dua dimensi. Pilihan jenis elemen yang digunakan dalam CFD mesh bergantung pada kompleksitas model, kondisi batas yang ada, dan kondisi fisik yang diharapkan dalam model. Semakin banyak proses yang dapat dijalankan akan meningkatkan kecepatan perhitungan, namun hal ini harus sesuai dengan kemampuan perangkat keras yang digunakan.

Pada simulasi ini digunakan beberapa kondisi batas yaitu kondisi batas kecepatan masuk, tekanan keluar dan kondisi batas dinding. Pilihan metode solusi akan menginstruksikan Fluent tentang algoritma mana yang akan digunakan untuk menyelesaikan masalah numerik.

Gambar 4.3. Area Rotasi, Area Bilah, dan area airfoil

Kesimpulan

Saran