Rancang Bangun dan Uji Eksperimental Pengaruh Profil Dan Jumlah Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin Terhadap Daya Dan Putaran Turbin Angin Savonius Menggunakan Sudu Pengarah Dengan Luas Sapuan Rotor 0,9 m2

UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH PROFIL DAN JUMLAH SUDU PADA VARIASI KECEPATAN ANGIN TERHADAP DAYA DAN PUTARAN

TURBIN ANGIN SAVONIUS MENGGUNAKAN SUDU PENGARAH DENGAN LUAS SAPUAN ROTOR 0,90 M2

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SUGIARTO MARPAUNG NIM. 060401039

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin savonius merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan drag force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin besar drag force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.

Objek penelitian ini adalah turbin angin savonius dengan variasi jumlah dan profil sudu dan menggunakan sudu pengarah. Adapun profil sudu yaitu sudu lurus dan lengkung dengan variasi jumlah sudu 3, 4 dan 6. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1m dan 0,9 m serta dimeter dan tinggi sudu pengarah 2 m dan 1m. Sudu pengarah memiliki empat sudu dengan dimensi pada lampiran L5. Pada pengujian ini, variasi kecepatan angin adalah 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0 m/s.

Hasil pengujian dengan menggunakan sudu pengarah, profil sudu lurus lebih efektif mengekstrak energi angin dibanding sudu lengkung untuk tiap variasi jumlah sudu dilihat dari daya poros rotor turbin. Sudu lurus, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu = 0,07, = 0,21; = 0,105,

= 0,23; dan = 0,16, = 0,26. Sudu lengkung, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu = 0,028, = 0,25; = 0,038, = 0,27; dan = 0,055, = 0,25. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah dan profil sudu telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melakukan aktivitas terutama kegiatan penelitian dan menyusun tugas akhir sebagai pertanggungjawaban atas hasil penelitian yang telah dilakukan.

Tugas akhir ini memuat Rancang Bangun dan Uji Eksperimental Pengaruh Profil Dan Jumlah Sudu Pada Variasi Kecepatan Angin Terhadap Daya Dan Putaran Turbin Angin Savonius Menggunakan Sudu Pengarah Dengan Luas Sapuan Rotor 0,9 m2. Efektifitas sudu turbin dalam meng-ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari variasi kecepatan angin, profil dan jumlah sudu turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip speed ratio poros turbin angin.

Proses pembuatan objek dan kegiatan penelitian yang dilakukan penulis terlaksana dan terwujud berkat doa dan dukungan semua pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen pembimbing yang

memberikan bimbingan dan arahan sehingga penelitian ini berjalan dengan baik dan benar.

3. Kedua orang tua penulis, Sudir Marpaung dan Mintauli Tambunan yang memberikan dukungan moril, material dan saudara – saudara saya selama penulis menjalani proses perkuliahan hingga penelitian untuk memenuhi syarat memperoleh gelar sarjana.

4. Seluruh Dosen Departemen teknik Mesin yang memberikan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis selama proses perkuliahan, khususnya Bapak Dr-Eng. Ir. Himsar Ambarita, MT yang memberikan motivasi pada penulis selama kegiatan penelitian berlangsung.

5. Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian.

6. Bapak/Ibu Pegawai tata usaha Departemen Teknik Mesin yang membantu penulis menyelesaikan proses administrasi selama menjalani perkuliahan hingga tugas akhir.

7. Seluruh rekan – rekan (Senior 2005, Se-angkatan 2006, Junior 2007, 2008) yang memberikan bantuan dan dukungan pada penulis selama proses penelitian berlangsung.

Penyusun menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik dari segi teknis dan materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan laporan ini, kritik dan saran pembaca sangat penulis harapkan, sehingga laporan akhir ini lebih sempurna.

Medan, 20 Juni 2011

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATAPENGANTAR ...i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 4

1.4 Manfaat Penelitian ... 5

1.5 Sistematika Penulisan ... 5

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1 Sejarah Pemanfaatan Energi Angin ... 8

2.2 Sirkulasi Global ... 10

2.3 Potensi Angin ... 11

2.4 Wind Shear ... 13

2.5 Pengertian Turbin Angin ... 14

2.6.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) ... 16

2.6.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) ... 19

2.7 Sudu Pengarah ... 22

2.8 Prinsip Konversi Energi Angin ... 23

2.8.1 Teori Momentum Betz’ ... 23

2.8.2 Tip Speed Ratio ... 26

2.9 Landasan Teori Untuk Turbin Tipe Drag ... 27

2.10 Sistem Transmisi ... 28

2.11 Generator Listrik ... 30

2.12 Sistem Kelistrikan ... 31

2.13 Daya Listrik ...34

BAB III PERANCANGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS ... 35

3.1 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin ... 35

3.1.1 Menentukan Kecepatan Angin untuk Pengujian ... 35

3.1.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor ... 35

3.1.3 Tip Speed Ratio ... 36

3.2 Perancangan dan Pembuatan Elemen Turbin Angin Savonius ... 36

3.2.1 Rotor ... 36

3.2.2 Sudu ... 37

3.2.3 Sudu Pengarah ... 38

3.2.4 Sistem Transmisi ... 39

BAB IV METODE PENELITIAN ... 41

4.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 43

4.3 Pelaksanaan Penelitian ... 47

4.3.1 Tahap persiapan ... 47

4.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data ... 48

4.4 Diagram Alir Penelitian ... 52

BAB V HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 53

5.1 Hasil Pengujian ... 53

5.1.1 Pengujian Sudu Lurus Tanpa Beban... 53

5.1.2 Pengujian Sudu Lurus Dengan Beban ... 54

5.1.3 Pengujian Sudu Lengkung Tanpa Beban ... 55

5.1.4 Pengujian Sudu Lengkung Dengan Beban ... 56

5.2 Analisis Data ... 58

5.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 58

5.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 58

5.2.3 Perhitungan Koefisien Daya ... 59

5.3 Validasi Data ... 63

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 64

6.1 Kesimpulan ... 64

6.2 Saran ... 65

LAMPIRAN

L1. Data Kondisi Cuaca dan Kecepatan Angin Daerah Sumatera Utara

Tahun 2008 dan 2009 ... 67

L2. Sifat – sifat Udara pada Tekanan Atmosfer antara 250 hingga 1.000 K ... 69

L3. Desain Rotor ... 70

L4. Desain Sudu Lengkung dan Lurus ... 72

L5. Desain Sudu Pengarah ... 73

L6. Desain Transmisi Roda Gigi ... 74

L7. Profil Aliran dan Potensi Kecepatan Angin Indonesia ...75

DAFTAR SIMBOL

interference factor luas penampang, m2 luas sapuan rotor, m2 koefisien drag

koefisien daya

koefisien daya maksimum gaya, N

gaya maksimum, N energi kinetik angin, J ketinggian, m

kuat arus, A panjang, m

massa, kg

̇ aliran massa, kg/s putaran, 1/s

daya angin, J/s daya turbin, J/s radius, m waktu, s

kecepatan angin, m/s kecepatan ujung rotor, m/s tegangan, V

volume, m3

kecepatan sudut rotor, rad/s kerapatan angin, kg/m3 wind shear

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Windmills kuno terletak di pulau Inggris ... 9

Gambar 2.2 Thatched Dutch Windmill ... 10

Gambar 2.3 Sirkulasi atmosfer secara umum, dan pada belahan bumi bagian utara ... 11

Gambar 2.4 Angin laut (siang) dan angin darat (malam)... 11

Gambar 2.5 Aliran angin melalui silinder dengan luas A ... 12

Gambar 2.6 Kiri : wind shear disebabkan perbedaan kecepatan angin terhadap ketinggian. Kanan : wind shear disebabkan arah angin ... 13

Gambar 2.7 Wind shear, perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian. Dihitung untuk kecepatan angin 10 m/s pada ketinggian 10 m, = 0,14 ... 14

Gambar 2.8 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara ... 16

Gambar 2.9 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ... 17

Gambar 2.10 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu ... 17

Gambar 2.11 Turbin angin jenis upwind dan downwind ... 18

Gambar 2.12 Turbin angin Darrieus ... 20

Gambar 2.13 Turbin angin Darrieus tipe-H ... 20

Gambar 2.14 Prinsip rotor savonius ... 21

Gambar 2.15 Sudu Pengarah dengan Rotor Turbin Angin Savonius ... 22

Gambar 2.16 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin ... 24

Gambar 2.17 Koefisien daya sebagai fungsi faktor ... 26

Gambar 2.18 Variasi tip speed ratio dan koefisien daya pada berbagai jenis turbin angin ... 27

Gambar 2.19 Mesin drag sedeharna dengan hinged flap pada sabuk berputar ... 28

Gambar 2.20 Sistem kelistrikan lepas jaringan ... 32

Gambar 2.21 Sistem kelistrikan terhubung dengan baterai ... 32

Gambar 2.22 Sistem kelistrikan terhubung tanpa baterai ... 33

Gambar 2.23 Sistem kelistrikan langsung tanpa baterai ... 33

Gambar 3.1 Sudu Pengarah ... 37

Gambar 4.1 Prototipe turbin angin savonius ... 42

Gambar 4.2 Prototipe sudu Pengarah ... 43

Gambar 4.3 Digital Multimeter ... 44

Gambar 4.4 Digital Tachometer ... 44

Gambar 4.5 Thermo-Anemometer ... 45

Gambar 4.6 Motor listrik ... 46

Gambar 4.7 Permanent Magnet Generator (PMG) DC ... 46

Gambar 4.8 Prosedur pengujian ... 50

Gambar 4.9 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 50

Gambar 4.10 Diagram alir penelitian ... 51

Gambar 5.1 Grafik Kecepatan Angin-vs-Tegangan untuk sudu Lurus tanpa beban ... 56

Gambar 5.2 Grafik Kecepatan Angin-vs-Tegangan untuk sudu Lengkung tanpa beban ... 56

Gambar 5.3 Grafik Daya vs Kecepatan Angin dengan variasi Profil dan Jumlah sudu dengan menggunakan sudu pengarah ... 62

Gambar 5.4 Grafik Koefisien Daya vs Tip Speed Ratio dengan variasi Profil dan Jumlah sudu dengan menggunakan sudu pengarah ... 62

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perkiraan daya angin persatuan luas ... 13

Tabel 3.1 Daya rotor maksimum dengan diameter 1 m dengan variasi kecepatan angin ... 35

Tabel 3.2 Spesifikasi rotor tubin angin ... 36

Tabel 3.3 Spesifikasi sudu turbin angin ... 36

Tabel 3.4 Spesifikasi sudu pengarah ... 38

Tabel 3.5 Spesifikasi transmisi sabuk-puli ... 39

Tabel 3.6 Spesifikasi transmisi roda gigi ... 39

Tabel 5.1 Data pengujian Tiga sudu Lurus ... 52

Tabel 5.2 Data pengujian Empat sudu Lurus ... 52

Tabel 5.3 Data pengujian Enam sudu Lurus ... 52

Tabel 5.4 Data pengujian Tiga sudu Lurus dengan variasi beban 5W dan 10W... 53

Tabel 5.5 Data pengujian Empat sudu Lurus dengan variasi beban 5W, 10W, dan 15 W... 53

Tabel 5.6 Data pengujian Enam sudu Lurus dengan variasi beban 5W, 10W, 15 W, dan 20 W ... 54

Tabel 5.7 Data pengujian Tiga sudu Lengkung ... 54

Tabel 5.8 Data pengujian Empat sudu Lengkung ... 54

Tabel 5.9 Data pengujian Enam sudu Lengkung ... 54

Tabel 5.10 Data pengujian Tiga sudu Lengkung dengan beban 5W ... 55

Tabel 5.11 Data pengujian Empat sudu dengan beban 5W ... 55

Tabel 5.13 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

Tiga Sudu Lurus ... 60 Tabel 5.14 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

Empat Sudu Lurus ... 60 Tabel 5.15 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

Enam Sudu Lurus ... 60 Tabel 5.16 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

Tiga Sudu Lengkung ... 61 Tabel 5.17 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

Empat Sudu Lengkung ... 61 Tabel 5.18 Hasil perhitungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk

ABSTRAK

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin savonius merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan drag force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin besar drag force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.

Objek penelitian ini adalah turbin angin savonius dengan variasi jumlah dan profil sudu dan menggunakan sudu pengarah. Adapun profil sudu yaitu sudu lurus dan lengkung dengan variasi jumlah sudu 3, 4 dan 6. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1m dan 0,9 m serta dimeter dan tinggi sudu pengarah 2 m dan 1m. Sudu pengarah memiliki empat sudu dengan dimensi pada lampiran L5. Pada pengujian ini, variasi kecepatan angin adalah 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0 m/s.

Hasil pengujian dengan menggunakan sudu pengarah, profil sudu lurus lebih efektif mengekstrak energi angin dibanding sudu lengkung untuk tiap variasi jumlah sudu dilihat dari daya poros rotor turbin. Sudu lurus, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu = 0,07, = 0,21; = 0,105,

= 0,23; dan = 0,16, = 0,26. Sudu lengkung, jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki koefisien daya pada tip speed ratio yaitu = 0,028, = 0,25; = 0,038, = 0,27; dan = 0,055, = 0,25. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah dan profil sudu telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Indonesia saat ini sedang mengalami krisis energi listrik karena kebutuhan energi listrik yang semakin besar. Adapun penyebab peningkatan kebutuhan energi listrik adalah pertumbuhan industri, jumlah pemakaian alat elektronik rumah tangga, perkembangan teknologi dan komunikasi dan sebagainya. Untuk memenuhi peningkatan kebutuhan energi listrik tentunya membangun pembangkitan energi listrik yang membutuhkan perencaan yang matang dan daerah operasi yang luas serta biaya yang cukup besar. Disamping itu juga, sumber daya alam yang memiliki kapasitas energi yang besar selain memberikan dampak positif yang besar juga memberikan dampak negatif yang begitu dasyat jika penggunaanya tidak diawasi, seperti uranium.

Melihat sumber daya alam terbarukan yang ada di Indonesia yang belum dimanfaatkan secara optimal seperti energi angin, energi air, energi surya dan lainnya. Dilihat dari peta angin untuk daerah tertentu khusunya daerah – daerah pesisir di Indonesia, bahwa daerah tersebut memiliki kapasitas angin yang cukup besar, seperti pada lampiran L7. Untuk daerah Sumatera Utara dapat dilihat pada data kondisi kecepatan angin BMKG Sumatera Utara pada lampiran 1 dan berdasarkan data hasil pengamatan alat pendeteksi HOBO, kondisi kecepatan angin di sekitar kampus Departemen Teknik Mesin USU ada pada lampiran L8. Dari kondisi kecepatan angin tersebut bahwa antara kondisi kecepatan angin hasil pencatatan oleh BMKG tidak jauh berbeda dengan data yang diperoleh dengan alat pendeteksi HOBO yang ditempatkan di kampus Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Ini menunjukkan bahwa pemanfaatan energi angin di daerah Sumatera Utara sangat mungkin untuk dikembangkan. Hal ini juga mendorong penulis

untuk merancang dan membuat turbin angin skala kecil yang mana perancangan ini dapat digunakan sebagai acuan pembuatan turbin angin untuk memanfaatkan sumber daya yang tersedia khususnya tenaga angin.

Konstruksi turbin angin sumbu vertikal savonius yang dapat memanfaatkan potensi angin dari segala arah, konstruksi sederhana, dan tidak memerlukan tempat pemasangan yang begitu luas serta menghasilkan momen yang besar merupakan suatu pertimbangan penulis dalam memilih jenis turbin angin. Namun, jenis turbin ini memiliki kekurangan yaitu putaran yang dihasilkan relatif lebih kecil yang mana hal ini lebih cocok untuk dimanfaatkan untuk aplikasi yang membutuhkan momen yang besar dibandingkan jika pemakaiannya digunakan untuk membangkitkan energi listrik.

1.2Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian analisis sudu dan pengaruh kecepatan angin terhadap daya dan putaran turbin angin vertikal axis savonius adalah :

1. Untuk mengetahui pengaruh profil sudu terhadap besarnya daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin dengan menggunakan sudu pengarah.

2. Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin dengan menggunakan sudu pengarah.

1.3Rumusan dan Batasan Masalah 1.3.1 Rumusan Masalah

Dalam penelitian turbin angin vertikal axis savonius yang terkonsentrasi pada pengaruh jumlah dan profil sudu serta dengan atau tanpa menggunakan sudu pengarah aliran angin terhadap daya dan putaran yang dapat dibangkitkan turbin ini yang kemudian dikonversikan dalam bentuk energi listrik.

Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin tentu bervariasi terhadap penggunaan jumlah, profil sudu yang digunakan dengan menggunakan sudu pengarah aliran angin serta kecepatan angin yang akan melalui turbin ini. Berdasarkan data klimatologi dari Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Sumatera Utara tanggal 22 Mei 2010 [1], untuk daerah Sumatera utara, maka penulis akan melakukan pengujian dengan variasi kecepatan angin 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0 m/s.

Adapun jumlah sudu yang digunakan yaitu 3, 4 dan 6. Tujuan penggunaan sudu 3, 4 dan 6 adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan jumlah sudu dan jumlah sudu yang optimal dalam mengekstrak energi angin serta memberi kemudahan bagi penulis dalam pemasangan sudu turbin terhadap sudut 360o. Sedangkan profil sudu turbin yang digunakan yaitu profil sudu lurus dan profil sudu lengkung (lampiran L4). Tujuan pengujian yang akan dilakukan terhadap kedua profil sudu ini yaitu untuk menentukan profil sudu manakah yang lebih efektif memanfaatkan potensi angin yang melalui turbin tersebut.

Penulis juga akan melakukan pengujian dengan atau tanpa menggunakan sudu pengarah aliran angin. Dimana tujuan pemakaian sudu pengarah ini, yaitu berapa besarkah persentase peningkatan daya dan putaran yang dihasilkan turbin atau sebaliknya yaitu dengan pemakain sudu pengarah akan menyebabkan penurunan daya dan putaran yang dihasilkan turbin. Pendekatan – pendekatan inilah yang akan penulis lakukan dalam pengujian terhadap turbin tersebut.

Sebelum penulis melakukan penelitian ini, terlebih dahulu penulis menumbuhkembangkan ide yang tertata dan terkonsep serta merumuskan permasalahan tersebut dalam bentuk pertanyaan berikut :

1. Bagaimanakah pengaruh kecepatan angin terhadap daya dan putaran yang dihasilkan oleh turbin angin dengan menggunakan sudu pengarah?

2. Bagaimanakah pengaruh profil, jumlah sudu turbin angin dengan menggunakan sudu pengarah aliran udara terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin?

1.3.2 Batasan Masalah

Banyak aspek yang melibatkan rancang bangun dan pengaruh jumlah, profil sudu dan pengaruh kecepatan angin terhadap daya dan putaran turbin, namun tidak semua aspek yang akan ditinjau dalam penelitian ini. Melihat ruang lingkup penelitian ini sangat luas, penulis membuat batasan masalah sehingga tujuan dan target penelitian dapat dicapai sesuai dengan perencanaan. Batasan masalah penelitian ini adalah :

1. Rancang bangun turbin angin sesuai dengan desain pada lampiran L3, L4, dan L5. 2. Spesifikasi turbin angin meliputi :

a. Diameter rotor : 1.000 mm b. Tinggi rotor : 900 mm c. Jumlah sudu : 3, 4 dan 6

d. Profil sudu : lurus dan lengkung.

3. Sudu pengarah memiliki 4 buah sudu dengan desain pada lampiran L5.

4. Variasi kecepatan angin untuk pengujian dengan variasi 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0. 5. Desain turbin angin termasuk sistem transmisi dan struktur penopangnya.

1.4 Manfaat Penelitian

Penelitian yang penulis lakukan ini kiranya dapat bermanfaat bagi para pembaca atau pihak – pihak yang berkepentingan. Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari :

1. Aspek keilmuan atau akademis

Penelitian ini erat hubungannya dengan mata kuliah Turbin, Computational Fluid Dynamics (CFD), Mesin Konversi Energi, Elemen Mesin, sehingga dengan

penelitian ini diharapkan dapat memberikan wawasan yang luas serta mengembangkan pola pikir tentang turbin angin vertikal axis savonius yang kemudian mampu memberikan gagasan dalam inovasi turbin angin khususnya turbin angin vertikal axis savonius.

2. Aspek praktik atau implementasi

Peneliti memfokuskan penelitian turbin angin jenis vertikal axis yang akan direncanakan pemakaiannya pada industri Rumah Tangga skala kecil, penggerak pompa air dalam skala kecil, gedung – gedung tinggi yang memiliki potensi angin, dan Based Transceiver Station (BTS).

1.5 Sistematika Penulisan

Penulis menyusun laporan hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

 Bab I. Pendahuluan

Pada bab pendahuluan terdiri dari sub-bab latar belakang, tujuan, rumusan dan batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Pada sub-bab latar belakang berisi hal – hal yang melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis sehingga akan dilakukannya suatu penelitian. Penelitian merupakan kegiatan ilmiah yang tentunya memiliki tujuan yang akan dicapai dibahas dalam sub-bab tujuan penelitian. Banyak aspek yang terlibat pada saat dilakukannya suatu penelitian, namun tidak semua aspek tersebut dilibatkan dalam penelitian sehingga dibuat suatu rumusan dan batasan masalah penelitian untuk menjaga penelitian tersebut pada target dan tujuan yang telah ditentukan, hal ini dibahas pada rumusan dan batasan masalah. Tingkat keberhasilan suatu penelitian tentu memberikan manfaat bagi pembaca dan penulis khususnya. Suatu penelitian yang telah

dilakukan disusun dalam bentuk laporan hasil penelitian yang memiliki sistematika penulisan yang ilmiah, hal ini dibahas pada sub-bab sistematika penulisan.

 Bab II. Tinjauan Pustaka

Pada bab tinjauan pustaka terdiri dari beberapa sub-bab yang keseluruhan sub-bab berisikan teori – teori pendukung untuk melakukan pendekatan – pendekatan teoritis dalam menganalisis data hasil pengujian.

 Bab III. Perancangan Turbin Angin Savonius

Dalam bab ini dibahas perancangan turbin angin savonius meliputi desain, bahan dan dimensi rancangan. Adapun elemen – elemen utama yang diperkirakan adalah sudu, rotor dan sudu pengarah dan sistem transmisi yang digunakan.

 Bab IV. Metodologi penelitian

Untuk menjaga keilmiahan suatu penelitian tentu memiliki kaidah dan aturan – aturan yang merupakan haluan proses pelaksanaan penelitian dan sepenuhnya dibahas dalam metodologi penelitian.

 Bab V. Hasil Pengujian dan Analisa Data

Dari data hasil pengujian yang dilakukan pada saat penelitian tidak sepenuhnya menjawab dan mencapai tujuan dilakukannya suatu penelitian. Untuk mengetahui tingkat kebehasilan suatu penelitian tentu memerlukan analisa dan pengolahan data yang mengacu pada teori pendukung. Dari data yang telah dianalisis tentu membutuhkan validasi apakah hasil yang diperoleh dapat dipercaya atau tidak. Semua hal ini dibahas pada hasil pengujian dan data.

 Bab VI. Kesimpulan dan Saran

Pada bab ini, dari awal hingga akhir penelitian yang dilakukan penulis tentu memberikan hasil penelitian dengan persentase tingkat keberhasilan, yang tentunya

memberikan suatu kesimpulan dan saran yang mendukung penelitian semakin mendekati nilai optimal.

1.6 Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data yang dilakukan penulis untuk mendukung keberhasilan penelitian ini adalah:

1. Studi literatur, penulis melakukan penelaahan terhadap buku dan literatur yang mendukung penulis mengembangkan ide dan daya nalar dalam melaksanakan penelitian, mulai dari perancangan hingga didapatkan tujuan penelitian.

2. Studi lapangan, penulis melakukan proses produksi tubin angin savonius sampai diperoleh hasil rancangan dan mekanisme yang optimal sehingga tahap pengujian objek penelitian dapat dilakukan.

3. Diskusi, penulis berdiskusi dengan dosen pembimbing dan dosen – dosen bidang konversi terutama dengan problem yang sering terjadi pada saat perancangan. 4. Survey study, penulis melakukan survey data kondisi cuaca dan kecepatan angin

khususnya daerah Sumatera Utara ke kantor BMKG Sumatera Utara – Medan. Obsevasi kondisi angin di lingkungan kampus USU yang dilakukan di Gedung Pasca Sarjana Teknik Mesin USU.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Pemanfaatan Energi Angin

Usaha manusia untuk memanfaatkan angin sebagai sumber energi telah dilakukan sejak zaman purbakala, ketika angin digunakan untuk mendorong kapal dan perahu. Kemudian, energy angin dimanfaatkan manusia sebagai sumber tenaga untuk menggiling butir gandum (padi) dan memompa air. Selama perubahan dayaguna dari peralatan berat dan sederhana ini hingga mesin canggih dan berdayaguna sekarang, teknologi menjalani variasi tahap perkembangan.

Namun ada tidak setuju dalam konsep awal bahwa pemanfaatan angin sebagai sumber energi mekanis. Beberapa yakin bahwa konsep asli berawal pada Babylonia kuno. Kaisar Babylonia Hammurabi, merencanakan pemakaian energi angin untuk pembangunan irigasi selama abad ke-17 sebelum masehi (SM). Argumen lain bahwa asal mula windmills adalah India. Di Arthasastra, sebuah kerja klasik di Sanskrit ditulis oleh Kaumatiliya selama abad ke-4 sebelum masehi, pada referensi dituliskan mengangkat air dengan alat yang digerakkan angin. Meskipun demikian, tidak ada data record yang menjamin bahwa konsep awal ini diwujudnyatakan menjadi suatu alat yang rill.

Yang terakhir mendokumenstasikan desain windmill sejak dari 200 sebelum masehi. Penduduk Persia menggunakan windmill untuk menggiling butir gandum (padi) selama periode ini. Saat itu mesin sumbu vertikal memiliki layar/sudu dengan buntelan dari sejenis bulu atau kayu. Penggiling batu disambungkan ke poros vertikal. Layar/sudu dilekatkan ke poros pusat menggunakan penopang horizontal. Ukuran layar menggunakan material yang difabrikasi, biasanya panjang 5 m dan tinggi 9 m.

Pada abad ke-13, grinding mills biji gandum (padi) telah dikenal disebagian besar wilayah Eropa. Francis mengangkat teknologi ini pada 1105 A.D dan Inggris pada 1191 A.D. Sangat berbeda dengan desain sumbu vertikal Persia, mills (penggiling) Eropa memiliki sumbu horizontal.

Gambar 2.1 Windmills kuno terletak di pulau Inggris

(Sumber: Mathew Sathyajith [4], hal 3)

Post mills ini dibangun dengan struktur baik. Menara berbentuk bulat atau plygonal dan dibangun dari kayu atau batu. Rotor secara manual dihadapkan ke arah angin dengan bantuan ekor. Mills dijaga saat menghadang angin kencang dengan memindahkan canvas pelindung rotor.

Desainer Belanda, Jan Adrienzoon, perintis dalam pembuatan mills ini. Mereka membuat banyak perbaikan desain dan menemukan beberapa bentuk mills. Contohnya adalah Tjasker dan Smock mills. Rotor dibuat dari profil airfoil sederhana untuk memperbaiki efisiensi. Windmills ini mencapai Amerika pada pertengahan tahun 1700 melalui penghuni tetap Belanda. Kemudian disusul perkembangan wind mill pemompa air, yang diputuskan sebagai salah satu penerapan energi angin yang paling sukses. Sehingga disebut turbin angin Amerika bersudu banyak yang muncul pada sejarah turbin angin pada pertengahan 1800.

Gambar 2.2 Thatched Dutch Windmill

(Sumber: Vaughn Nelson [6], hal 2)

Rotor relatif kecil, Diameter berkisar satu hingga beberapa meter, yang digunakan pada aplikasi ini. Tujuan utama yaitu memompa air dari beberapa meter di bawah permukaan lahan pertanian. Pemompa air ini, dengan sudu yang terbuat dari bahan logam dan desain teknik yang lebih baik sehingga meningkatkan produktifitas pertanian.

Era pembangkit energi listrik diawali pada akhir tahun 1900-an. Turbin angin modern pertama kali, khusus didesain untuk pembangkit energi listrik, yang dibangun di Denmark tahun 1890. Turbin menyuplai energi listrik ke daerah pedesaan. Selama pada peride yang sama, turbin angin yang besar pembangkit energi listrik memiliki rotor 17 m yang dibangun di Cleveland, Ohio. Pada pertama kalinya, gearbox menaikkan putaran digunakan pada desain tersebut. Sistem ini beroperasi selama 20 tahun, menghasilkan energi listrik dengan daya 12 kW.

2.2 Sirkulasi Global

Ada dua faktor utama sirkulasi global yaitu radiasi matahari dan rotasi bumi dengan atmosfir. Variasi musiman adalah disebabkan kemiringan sumbu bumi pada bidang pergerakan bumi mengelilingi matahari. Radiasi surya lebih besar per satuan luas ketika matahari menyinari langsung tepat di atas, disana terjadi perpindahan panas dari daerah

dekat khatulistiwa menuju kutub. Karena bumi berotasi pada sumbunya dan disana konservasi momentum sudut, angin akan bergeser sebagaimana pergerakan sepanjang arah longitudinal.

Gambar 2.3 Sirkulasi atmosfer secara umum, dan pada belahan bumi bagian utara

(Sumber: Vaughn Nelson. [6], hal 34)

Angin lokal disebabkan perbedaan tekanan lokal dan juga dipengaruhi topograpy, gesekan permukaan disebabkan gunung, lembah dan lain – lain. Variasi harian disebabkan perbedaan temperatur antara siang dan malam. Perbedaan temperatur daratan dan lautan juga mengakibatkan angin sepoi – sepoi, bagaimanapun angin tidak mengalir sangat jauh di daratan.

Gambar 2.4 Angin laut (siang) dan angin darat (malam)

(Sumber: Vaughn Nelson [6], hal 34)

2.3 Potensi Angin

Perpindahan molekul udara memiliki energi kinetik, sehingga secara lokal jumlah molekul udara berpindah melalui luasan selama selang waktu tertentu menentukan besarnya daya. Luasan ini adalah tidak luas permukaan bumi, tetapi luasan yang tegak

lurus terhadap aliran udara, yang merupakan penentu untuk memperkirakan seberapa besar daya dan energi yang dapat diekstrak. Massa m, dalam volum silinder yang akan melalui luasan A, dalam waktu t, dapat ditentukan dari kerapatan udara , dan volume silinder Vo. Daya merupakan energi kinetik ( ) angin dibagi waktu:

= = ( 2.1) = .

= . = . .

Substitusi nilai massa m ke persamaan 2.1. Kecepatan angin, = ⁄ , melalui luasan A selama waktu t, sehingga persamaan daya diperoleh:

= = . . . = 1

2 . . = 1

2 . . ( 2.2) Daya per luas, sebagai potensi daya angin atau kerapatan daya angin (wind power density), yaitu:

= 1

2 ( 2.3)

Gambar 2.5 Aliran angin melalui silinder dengan luas A

(Sumber: Vaughn Nelson [6], hal 35)

Dari persamaan 2.2, daya angin per satuan luas dapat diperkirakan untuk kecepatan angin yang berbeda, seperti pada tabel 2.1. Bagaimanapun, tidak semua daya angin dapat diekstrak, efisiensi maksimum secara teoritis untuk turbin angin adalah 59,25%.

Tabel 2.1 Perkiraan daya angin persatuan luas

(Sumber :Vaughn Nelson [6]. hal. 36 )

2.4 Wind Shear

Wind shear adalah perubahan arah atau kecepatan angin saat melalui jarak tertentu. Wind shear dapat juga terjadi secara vertikal. Perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian, horizontal wind shear merupakan faktor utama dalam memperkirakan produksi energi melalui turbin angin. Telah dilakukan pengukuran perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian yang disebabkan perbedaan kondisi atmosfer.

Gambar 2.6 Kiri : wind shear disebabkan perbedaan kecepatan angin terhadap ketinggian. Kanan : wind shear disebabkan arah angin. (Sumber: Vaughn Nelson [6], hal 35)

Metode umum yang memperkirakan kecepatan angin untuk ketinggian yang lebih tinggi dengan mengetahui kecepatan angin pada ketinggian yang lebih rendah disebut power law. Power law untuk wind shear adalah:

= ( 2.4) Dimana = kecepatan angin yang telah diukur pada ketinggian tertentu, = ketinggian pada kecepatan angin , dan H = ketinggian.

Eksponen wind shear , berkisar 1/7 (0.14) untuk atmosfer dalam kondisi stabil. Bagaimanapun nilai berubah – ubah tergantung pada daerah dan kondisi atmosfer. Dari persamaan (2.3) perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian dapat diperkirakan seperti pada gambar 2.7, dengan catatan nilai = 0,14. 10 m merupakan standard ketinggian dunia untuk pengukuran kondisi cuaca, sehingga menggunakan data ketinggian 10 m dan eksponen wind shear 0,14 untuk memperkirakan potensi daya angin untuk sampai pada ketinggian 50 m untuk beberapa daerah lokasi yang diperkirakan daerah tersebut ladang angin (wind farm).

Gambar 2.7 Wind shear, perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian. Dihitung untuk kecepatan angin 10 m/s pada ketinggian 10 m, = 0,14. (Sumber: Vaughn Nelson [6]. hal 38)

2.5 Pengertian Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti pompa atau grinding stones, maka mesin (turbin) disebut windmill. Jika

energi mekanik dikonversikan menjadi energi listrik, maka mesin disebut turbin angin atau wind energy converter (WEC).

Ekstraksi potensi angin adalah sebuah upaya kuno dimulai dengan kapal-tenaga angin, pabrik gandum 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. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional, contohnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan sebagainya. Turbin angin masih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui, contohnya minyak bumi, batubara dan sebagainya sebagai bahan dasar untuk membangkitkan energi listrik.

2.6 Jenis – Jenis Turbin Angin

Turbin angin sebagai mesin konversi energi dapat digolongkan berdasarkan prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan rotornya. Berdasarkan prinsip aerodinamik, turbin angin dibagi menjadi dua bagian yaitu:

1. Jenis drag yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan selisih koefisien drag. 2. Jenis lift yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan gaya lift.

Pengelompokan turbin angin berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang dimaksud yaitu apakah rotor turbin angin mengekstrak energi angin memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui sudu rotor atau rotor angin mengekstrak energi angin dengan memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan aliran udara yang melalui profil aerodinamis sudu. Kedua prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan turbin angin memiliki

perbedaan putaran pada rotornya, dengan prinsip gaya drag memiliki putaran rotor relatif rendah dibandingkan turbin angin yang rotornya menggunakan prinsip gaya lift.

Jika dilihat dari arah sumbu rotasi rotor, turbin angin dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:

1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH) 2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)

2.6.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya paralel terhadap permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara dan diarahkan menuju dari arah datangnya angin untuk dapat memanfaatkan energi angin. Rotor turbin angin kecil diarahkan menuju dari arah datangnya angin dengan pengaturan baling – baling angin sederhana sedangkan turbin angin besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah rotor turbin mengarah pada angin. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin sumbu horizontal mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift, seperti terlihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara.

Gambar 2.9 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal

(Sumber: Sathyajith Mathew [4], hal 90)

Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi: 1. Turbin angin satu sudu (single blade)

2. Turbin angin dua sudu (double blade) 3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)

Gambar 2.10 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu

(Sumber: Sathyajith Mathew [4], hal 17)

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin sumbu horizontal dibedakan menjadi dua macam yaitu:

1. Upwind 2. Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi/menurut jurusan arah angin.

Upwind Downwind

Gambar 2.11 Turbin angin jenis upwind dan downwind

(Sumber: rapidshared.com)

Rotor pada turbin upwind terletak di depan turbin, posisinya mirip dengan pesawat terbang yang didorong baling – baling. Untuk menjaga turbin tetap menghadap arah angin, diperlukan mekanisme yaw seperti ekor turbin. Keuntungannya, naungan menara berkurang. Udara akan mulai menekuk di sekitar menara sebelum berlalu begitu sehingga ada kehilangan daya dari gangguan yang terjadi, hanya tidak setingkat dengan turbin downwind. Kekurangannya, membutuhkan nacelle yang panjang untuk menjaga rotor sejauh mungkin dari menara untuk menghindari terjadinya tabrakan sudu. Sudu dibuat kaku untuk menghindari sudu melentur ke arah menara.

Turbin angin downwind memiliki rotor di sisi bagian belakang turbin. Bentuk nacelle didesain untuk menyesuaikan dengan arah angin, sehingga tidak membutuhkan mekanisme yaw. Keunggulannya yaitu sudu rotor dapat lebih fleksibel karena tidak ada bahaya tabrakan dengan menara. Sudu fleksibel memiliki keuntungan, biaya pembuatan sudu lebih murah dan mengurangi tegangan pada tower selama keadaan angin dengan kecepatan tinggi karena melentur memberikan beban angin didistribusikan secara langsung ke sudu

daripada ke menara. Sudu yang fleksibel dapat juga sebagai kekurangan dimana kelenturannya menyebabkan keletihan sudu. Dibelakang menara merupakan masalah dengan mesin downwind karena menyebabkan turbulensi aliran dan meningkatkan kelelahan pada turbin.

2.6.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya tegak lurus terhadap permukaan tanah. Jika dilihat dari efisiensi turbin, turbin angin sumbu horizontal lebih efektif dalam mengekstrak energi angin dibanding dengan turbin angin sumbu vertikal.

Meskipun demikian, turbin angin vertikal memiliki keunggulan, yaitu:

 Turbin angin sumbu vertikal tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah, tidak seperti turbin angin horizontal yang memerlukan mekanisme tambahan untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah angin.

 Tidak membutuhkan struktur menara yang besar

 Konstruksi turbin sederhana

 Turbin angin sumbu vertikal dapat didirikan dekat dengan permukaan tanah, sehingga memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik yang mendukung beroperasinya turbin.

Jika dilihat dari prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dibagi menjadi dua bagian yaitu:

1. Turbin angin Darrieus

Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin eggbeater. Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus merupakan turbin angin yang menggunakan prinsip

aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin.

Turbin Darrieus memiliki torsi rotor yang rendah tetapi putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan energi awal untuk mulai berputar. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya memiliki variasi sudu yaitu dua atau tiga sudu. Modifikasi rotor turbin angin Darrieus disebut dengan turbin angin H.

Gambar 2.12 Turbin angin Darrieus

(Sumber: rapidshare.com)

Gambar 2.13 Turbin angin Darrieus tipe-H

2. Turbin angin Savonius

Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’, satu sisi setengah silinder berbentuk cembung dan sisi lain berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 2.14. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar daripada permukaan cembung. Oleh sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya.

Gambar 2.14 Prinsip rotor savonius

(Sumber: Sathyajith Mathew [4], hal 21)

Dengan memanfaatkan gaya hambat, turbin angin savonius memiliki putaran dan daya yang rendah dibandingkan dengan turbin angin Darrius. Meskipun demikian

turbin savonius tidak memerlukan energi awal memulai rotor untuk berputar yang merupakan keunggulan turbin ini dibanding turbin Darrieus.

Daya dan putaran yang dihasilkan turbin savonius relatif rendah, sehingga pada penerapannya digunakan untuk keperluan yang membutuhkan daya kecil dan sederhana seperti memompa air. Turbin ini tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan tip speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah.

2.7 Sudu Pengarah

Melihat sudu rotor savonius pada gambar 2.14, bila dilihat dengan seksama bahwa bentuk sudu di bagian kiri dan kanan yang langsung dihadapkan dengan arah angin memiliki gaya hambat (drag) yang berbeda. Bila dilihat dari arah angin, bagian kiri memiliki bentuk sudu cembung sedangkan bagian kanan berbentuk cekung. Untuk itu diperlukan sudu pengarah, dengan tujuan mengarahkan aliran angin sehingga energi angin setelah menggunakan sudu pengarah dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin seperti pada gambar 2.15.

Gambar 2.15 Sudu Pengarah dengan Rotor Turbin Angin Savonius

(Sumber: google.com)

Sudu Pengarah

Sudu Rotor

2.8 Prinsip Konversi Energi Angin

Energi angin dilihat dari energi kecepatan aliran angin, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan energi kinetik ( ) :

= ( 2.5) dimana : = massa angin yang mengalir (kg)

= kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik angin inilah yang diekstrak sudu turbin angin untuk diubah menjadi energi mekanis.

Dilihat dari pemodelan Betz’ pada gambar 2.16, kecepatan angin , dan kerapatan dengan luas sapuan rotor turbin , daya angin yang dapat diekstrak turbin angin adalah:

= ( 2.6) Dimana adalah faktor efisiensi disebut juga koefisien daya. Catatan bahwa daya adalah sebanding dengan luas penampang dan kecepatan angin pangkat tiga. Dengan demikian, dengan menggandakan luas penampang menghasilkan daya dua kali, dan menggandakan kecepatan angin menghasilkan potensial daya delapan kali. Koefisien daya juga berubah dengan perubahan kecepatan angin. Saat distribusi kecepatan angin tidak merata, pada suatu waktu tertentu kemungkinan lebih besar kecepatan angin lebih rendah daripada kecepatan angin rata – rata dibanding kecepatan angin lebih besar dari kecepatan angin rata – rata. Oleh karena itu, desain rotor dan generator yang optimal tergantung pada daya yang dibutuhkan dan memaksimalkan energi yang dibangkitkan per tahun.

Untuk menganalisis seberapa besar energi yang dapat dimanfaatkan turbin angin, digunakan teori memontum elementer Betz’.

2.8.1 Teori Momentum Betz’

Teori momentum Betz’ sederhana berdasarkan pemodelan aliran dua dimensi angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin pada turbin

angin terlihat seperti pada gambar 2.16. Berkurangnya kecepatan aliran udara disebabkan karena sebagian energi kinetik angin diekstrak oleh rotor turbin angin.

Gambar 2.16 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin

(Sumber: John Twidell dan Tony Weir [7], hal 274)

Penampang adalah luas sapuan rotor turbin, luas dan luas penampang aliran masuk dan keluar dengan massa angin konstan mengalir melalui . diposisikan pada dari arah datangnya angin tanpa dipengaruhi oleh rotor turbin, dan diposisikan pada kecepatan angin rendah.

Tahap 1 : Untuk menentukan . Gaya yang terjadi pada turbin adalah seiring berkurangnya momentum per-satuan unit waktu dari aliran massa angin ̇

= ̇ − ̇ ( 2.7) Gaya yang terjadi dengan asumsi kecepatan aliran angin seragam . Daya yang diekstrak turbin adalah:

= . = ̇( − ) ( 2.8) Kehilangan energi aliran persatuan waktu adalah energi yang diekstrak dari angin:

= ̇( − ) ( 2.9) Dengan menyamakan persamaan (2.8) dan (2.9):

( − ) = ( − ) = ( − ) ( + ) ( 2.10) Sehingga:

Dengan demikian, sesuai teori momentum linier ini, kecepatan angin melalui activator disc tidak bisa lebih rendah setengah dari kecepatan angin masuk.

Tahap 2: Mengetahui , menghitung daya yang diekstrak dari angin. Massa aliran yang melalui disc per-satuan waktu yaitu:

̇ = ( 2.12) Substitusi ke persamaan (2.8),

= ( − ) ( 2.13) Kemudian substitusi dari persaamaan (2.11)

= [ −( 2 − ) ] = 2 ( − ) ( 2.14) Interference factor a adalah faktor penurunan kecepatan angin pada turbin, sehingga:

= ( ) = ( 1− ) ( 2.15) Melalui persamaan (2.11),

= ( ) ( 2.16) Dari persamaan (2.15), substitusi ke persamaan (2.14),

= 2 ( 1− ) [ −( 1− ) ]

= [ 4 ( 1− ) ] ( 2.17) Dengan membandingkan persamaan (2.14) dengan persamaan (2.2),

= ( 2.18) dimana adalah daya angin yang tersedia, adalah koefisien daya:

= 4 ( 1− ) ( 2.19) Maksimum nilai yang terjadi pada model saat nilai = 1 3⁄ , seperti pada gambar 2.17 :

= 16 27⁄ = 0,5925

Dari perkiraan model, saat = 1 3⁄ , diperoleh = 3 ⁄4 dan = ⁄2; saat = 0,5, = ⁄2 dan = 0.

Gambar 2.17 Koefisien daya sebagai fungsi faktor

(Sumber: John Twidell dan Tony Weir [7], hal 277)

2.8.2 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin terhadap kecepatan angin yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai nominal yang berubah – ubah terhadap perubahan kecepatan angin. Turbin angin tipe lift memiliki tip speed ratio yang lebih besar dibanding dengan turbin angin tipe drag.

Tip speed ratio dihitung dengan persamaan:

=

= = . = ( 2.20) dimana:

= putaran rotor (1/s) = radius rotor (m)

= kecepatan angin (m/s)

Grafik berikut menunjukkan variasi tip speed ratio dan koefisien daya pada berbagai jenis turbin angin seperti pada gambar 2.18.

Gambar 2.18 Variasi tip speed ratio dan koefisien daya pada berbagai jenis turbin angin (Sumber: Jean Luc Menet dan Nachida Bourabaa [5], hal 2)

2.9 Landasan Teori Untuk Turbin Tipe Drag

Mesin drag ideal terdiri dari alat dengan permukaan penghalang digerakkan angin atau flaps bergerak paralel terhadap aliran angin merata dengan kecepatan . Perbedaan tekanan jarak lintas stasioner flap dijaga tegak lurus terhadap kecepatan angin. Untuk flap dengan luas sapuan bergerak dengan kecepatan , gaya drag penggerak maksimum adalah:

= ( − ) ⁄2 ( 2.21) Koefisien hambat (drag) tak berdimensi adalah digunakan untuk menggambarkan alat dilihat dari yang ideal, sehingga gaya hambat menjadi:

= ( − ) ⁄2 ( 2.22) Daya yang ditangkap flap adalah:

= = ( − ) ( 2.23) Daya maksimum pada nilai saat = ⁄3, sehingga

Koefisien daya didefenisikan dari persamaan (2.18) didapat

= ⁄2 ( 2.25) Sehingga

= ( 2.26)

Gambar 2.19 Mesin drag sederhana dengan hinged flap pada sabuk berputar

(Sumber: John Twidell dan Tony Weir [7], hal 282)

Nilai dari mendekati nol sampai titik maksimum, maksimum kira – kira 1,5 untuk bentuk cekung yang digunakan pada anemometer standard. Dengan demikian, koefisien daya maksimum untuk drag machine adalah:

≈ ( 1,5) = = 22% ( 2.27) Hal ini dibandingkan dengan kriteria Betz’ untuk turbin ‘ideal’ dengan = = 59 %. Ditunjukkan bahwa turbin tipe lift memiliki koefisien daya 40% dan lebih, dan hal yang mungkin dicapai berdasarkan pendekatan kriteria Betz’. Daya ekstraksi dari drag machine dapat ditingkatkan dengan penggabungan flap atau dengan memperbaiki konsentrasi aliran angin. Cara memperbaiki drag machine memiliki hal yang sama dengan rotor turbin Savonius.

2.10 Sistem Transmisi

Sistem transmisi daya dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok berdasarkan rasio putaran masukan dan keluarannya yaitu:

2. speed reducing 3. speed increasing

Direct drive yang dimaksud adalah transmisi daya langsung dengan menggunakan poros dan pasangan kopling. Pada sistem transmisi ini tidak ada penurunan dan peningkatan putaran. Sistem transmisi speed reducing adalah sistem transmisi dengan penurunan putaran, dimana putaran masuk lebih rendah dari putaran kelurannya. Tujuan penggunaan sistem transmisi ini adalah untuk meningkatkan momen gaya pada transmisi keluarannya. Sedangkan sistem transmisi speed increasing yaitu putaran keluarannya lebih besar dari putaran masukan, namun momen gaya pada transmisi keluarannya lebih rendah.

Pada penerapannya, sistem transmisi direct drive hanya menggunakan poros dan kopling jika diperlukan. Konstruksi direct drive lebih sederhana dibandingkan dengan sistem transmisi lain, tidak membutuhkan ruang yang besar untuk sistem transmisi. Sistem transmisi speed reducing dan speed increasing memerlukan mekanisme pengubah putaran seperti pasangan sabuk-puli dan pasangan roda gigi dengan rasio putaran tertentu.

Turbin angin yang putaran rotornya berada dalam selang putaran kerja generator, maka transmisi daya yang digunakan adalah direct drive, rotor menggerakkan generator secara langsung, namun hal ini sangat jarang aplikasinya dijumpai dilapangan. Sistem transmisi yang digunakan pada turbin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik adalah speed increasing, karena generator pada umumnya membutuhkan putaran yang tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sistem transmisi speed reducing biasanya digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan putaran rendah dan momen gaya yang besar, seperti turbin angin untuk memompa air.

2.11 Generator Listrik

Turbin angin yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik tentu memerlukan generator yang berguna mengubah energi mekanik gerak rotasi rotor menjadi energi listrik. Terdapat beberapa jenis generator yang digunakan. Berdasarkan arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1. Generator arus searah (Direct Current - DC)

2. Generator arus bolak – balik (Alternating Current - AC)

Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan jika dihubungkan dengan beban akan menghasilkan arus searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan energi listrik pada putaran tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan sistem transmisi untuk menaikkan putaran (speed increasing).

Generator arus bolak – balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak – balik dan jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak – balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantun pada spesidikasi generator itu sendiri.

Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam generator, semakin banyak jumlah kumparannya maka semakin kecil putaran minimal dan putaran kerjanya. Jumlah kumparan merupakan kelipatan dari jumlah kutub yang dimiliki generator.

Untuk putaran turbin yang memiliki putaran yang relatif rendah, digunakan jenis generator magnet permanen dengan variasi jumlah kutub, semakin banyak jumlah kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk membangkitkan listrik dan

sebaliknya. Untuk generator yang menggunakan magnet permanen sebagai penginduksi kumparannya disebut generator magnet permanen.

2.12 Sistem Kelistrikan

Pada turbin angin pembangkit energi listrik tentu memiliki sistem kelistrikan yang merupakan bagian dari rantai konversi energi angin menjadi energi listrik. Ian Woovenden memberikan penyederhanaan dalam memahami sistem kelistrikan turbin angin. sistem kelistrikan ini dibedakan menjadi:

1. Sistem jaringan lepas dari jaringan (off-grid wind-electric system)

2. Sistem kelistrikan terhubung dengan baterai (grid tied wind-electric system with battery backup)

3. Sistem kelistrikan terhubung tanpa baterai (batteryless grid tied wind-electric system)

4. Sistem kelistrikan langsung tanpa baterai (direct-drive batteryless wind-electric system)

2.12.1 Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan

Sistem listrik turbin angin lepas jaringan berbasis pada penggunaan baterai. Sistem ini dipilih jika penggunaan energi terhubung dengan jaringan atau akan lebih mahal jika terhubung dengan jaringan karena membutuhkan perangkat tambahan. Sistem lepas jaringan terbatas dalam kapasitas oleh ukuran sumber pembangkit listrik, sumber energi angin, dan kapasitas baterai.

Gambar 2.20 Sistem kelistrikan lepas jaringan

2.12.2 Sistem Kelistrikan Terhubung Dengan Baterai

Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan dan baterai adalah sistem terbaik untuk penggunaan rumah tangga. Kapasitas listrik tidak terbatas dan kelebihan energi listrik dapat dijual masuk ke dalam jaringan. Ketika jaringan listrik padam, kapasitas baterai (meskipun terbatas) dan turbin tetap dapat menyuplai energi listrik untuk beban rumah tangga. Kekurangannya adalah sistem ini mahal untuk diterapkan dalam rumah tangga.

Gambar 2.21 Sistem kelistrikan terhubung dengan baterai

2.12.3 Sistem Kelistrikan Terhubung Tanpa Baterai

Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan tanpa menggunakan baterai merupakan pilihan yang efektif untuk aspek biaya dan lingkungan. Sistem ini mengeliminasi baterai yang mahal harganya maupun

pemeliharaannya, juga secara signifikan mengurangi efisiensi sistem. Kekurangan sistem ini adalah jika jaringan listrik padam, tidak ada sumber energi cadangan untuk mengatasi kekurangan listrik.

Sistem tanpa baterai dapat meningkatkan efisiensi secara signfikan jika dibandingkan dengan sistem yang menggunakan baterai. Hal ini karena inverter dapat menyesuaikan beban angin lebih baik, menjalankan turbin angin pada kecepatan maksimal dan mengekstrak energi angin lebih besar.

Gambar 2.22 Sistem kelistrikan terhubung tanpa baterai

2.12.4 Sistem Kelistrikan Langsung Tanpa Baterai

Jenis ini adalah sistem kelistrikan turbin angin yang paling umum, biasanya digunakan untuk memompa air. Turbin angin dihubungkan dengan pompa air melalui kontroler atau langsung. Ketika angin bertiup, pompa air akan menaikkan air ke tangki penyimpanan. Penggunaannya dapat untuk irigasi maupun untuk keperluan lainnya.

2.13 Daya Listrik

Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik. Satuan SI daya listrik adalah watt yang menyatakan banyaknya tenaga listrik yang mengalir persatuan waktu. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian dengan hambatan listrik menimbulkan kerja. Peranti mengkonversi kerja ini ke dalam berbagai bentuk yang berguna, seperti panas (seperti pada pemanas listrik), cahaya (seperti pada bola lampu), energi kinetik (motor listrik), dan suara (loudspeaker). Listrik dapat diperoleh dari pembangkit listrik atau penyimpan energi seperti baterai.

Listrik Arus bolak-balik (listrik AC - alternating current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan listrik arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah – ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien.

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. Muatan listrik bisa mengalir melalui kabel atau penghantar listrik lainnya.

= . ( 2.28) dimana:

P = daya (W) I = arus (A)

V = perbedaan potensial (V)

Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan Hukum Joule, sesuai nama fisikawan Britania James Joule, yang pertama kali menunjukkan bahwa energi listrik dapat berubah menjadi energi mekanik, dan sebaliknya.

BAB III

PERANCANGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS

3.1 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin

Berdasarkan studi literatur dan teori yang mendukung pada tinjauan pustaka, maka pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan penelitian yang mengacu pada teori pendukung yang telah dibahas pada bab sebelumnya.

3.1.1 Menentukan Kecepatan Angin untuk Pengujian

Sebelum perancangan dimensi turbin angin savonius, terlebih dahulu penulis mempertimbangkan kondisi angin yang merupakan sebagai sumber energi yang akan dimanfaatkan. Berdasarkan data klimatologi dari Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Sumatera Utara tanggal 22 Mei 2010, maka penulis akan melakukan pengujian dengan variasi kecepatan angin 3,2; 4,0; 4,8; 5,4 dan 6,0 m/s. Alasan penulis memilih kecepatan angin tersebut karena turbin savonius lebih ideal bekerja pada kecepatan angin rendah dibandingkan kecepatan angin yang relatif tinggi.

3.1.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor

Menurut aturan Betz’ turbin angin sumbu horizontal mampu mengekstrak daya angin sebesar 59,25 % dari daya total angin yang melalui area sapuan rotor turbin. Berikut adalah daya maksimum teoritis yang dapat diekstrak rotor turbin angin dengan asumsi tidak ada loses yang terjadi dan tidak ada turbulensi.

Untuk turbin angin sumbu vertikal dengan diameter rotor 1 m, daya maksimum yang dapat diekstrak dari daya angin dengan temperatur udara 25 oC pada variasi kecepatan angin seperti pada tabel berikut:

Tabel 3.1 Daya rotor maksimum dengan diameter 1 m dengan variasi kecepatan angin Kecepatan angin (m/s) @ _{Daya rotor (watt)}

1 2 3 4 5 6 7 1,1868 1,1868 1,1868 1,1868 1,1868 1,1868 1,1868 0,276 2,209 7,455 17,672 34,517 59,645 94,715

Namun untuk turbin angin jenis savonius secara teoritis hanya mampu mengekstrak daya angin sebesar 22% dari daya total angin yang melalui area sapuan rotor turbin.

3.1.3 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin dengan kecepatan angin yang melalui sudu rotor tersebut. Turbin savonius memanfaatkan gaya hambat (drag force) untuk mengekstrak daya angin. Pada umumnya turbin tipe drag memiliki tip speed ratio relatif rendah dibanding turbin angin sumbu horizontal. Berdasarkan grafik koefisien daya vs tip speed ratio pada gambar 2.17, untuk turbin savonius memiliki nilai koefisien daya maksimum pada nilai tip speed ratio berada dibawah 1. Berdasarkan hal ini juga sebagai acuan penulis dalam membuat perancangan turbin angin.

3.2 Perancangan dan Pembuatan Elemen Turbin Angin Savonius 3.2.1 Rotor

Rotor merupakan elemen utama turbin angin karena pada rotor inilah sudu turbin di-asembly. Karena pada rotor ini terdapat sudu turbin maka rotor dibuat dengan konstruksi yang kuat sehingga pada saat angin kencang bagian rotor tidak mengalami kegagalan

terutama dalam hal memanfaatkan energi aliran yang melaluinya. Adapun rancangan rotor turbin dibuat dengan spesifikasi seperti dibawah dan gambar desain pada lampiran L3.

Tabel 3.2 Spesifikasi rotor

No Spesifikasi Keterangan

1 Jenis Sumbu vertikal

2 Diameter 1.000 mm

3 Tinggi 900 mm

4 Lengan Besi siku 20x20 mm

5 Diameter, tebal, bahan Hub 50 mm, 10 mm, St37 6 Diameter, panjang, bahan Poros 25 mm, 1300 mm, St37

3.2.2 Sudu

Sudu merupakan bagian dari rotor turbin yang mengekstrak sebahagian dari total energi angin yang melalui area sapuan rotor. Adapun rancangan desain rotor (lampiran L4) sebagai berikut:

Tabel 3.3 Spesifikasi sudu turbin angin

No Spesifikasi Keterangan

1 Tipe sudu Rata Lengkung

2 Lebar 485 mm 385 mm

3 Tinggi 900 mm 900 mm

4 Tebal 0,35 mm 0,35 mm

5 Bahan Plat seng Plat seng

6 Kelengkungan - R198 mm

3.2.3 Sudu Pengarah

Sudu pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengarahkan aliran angin agar angin yang melalui rotor turbin dapat dimanfaatkan sudu turbin semaksimal mungkin. Dengan adanya sudu pengarah ini, angin yang mengenai sudu tidak lagi mengenai kedua sisi sudu turbin. Yang dimaksud kedua sisi sudu adalah sisi cembung sudu pada bagian kiri rotor dan sisi cekung sudu pada bagian kanan rotor seperti pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Sudu Pengarah

Dengan adanya sudu pengarah ini, hal tersebut tidak terjadi lagi sesuai dengan analogi teoritis aliran angin sehingga aliran pada bagian kiri dan kanan rotor saling mendukung. Dengan demikian diperoleh daya yang lebih besar dibanding jika tidak menggunakan sudu pengarah aliran angin. Adapun gambar desain sudu pengarah ada pada lampiran L5 dan spesfikasi dapat dilihat seperti pada tabel berikut:

Sudu Pengarah

Sudu Rotor sisi Cembung

Sudu

Sisi Cekung Sudu

Tabel 3.4 Spesifikasi sudu pengarah

No Spesifikasi Keterangan

1 Nama Sudu pengarah

2 Diameter 2.000 mm

3 Tinggi 1.000 mm

4 Frame Besi beton Ø 10 mm

5 Jumlah sudu 4

6 Sudut kemiringan sudu 30o

3.2.4 Sistem Transmisi

Energi angin yang dimanfaatkan sudu turbin savonius dikonversikan rotor menjadi daya mekanis poros. Penulis memanfaatkan daya mekanis poros untuk membangkitkan energi listrik dengan menggunakan generator magnet permanen DC. Putaran pada poros rotor turbin relatif rendah sehingga didesain sistem transmisi speed increasing dengan tujuan mendapatkan putaran nominal yang dibutuhkan generator untuk menghasilkan energi listrik.

Sistem transmisi yang digunakan pada awalnya yaitu sistem transmisi speed increasing sabuk-puli. Namun setelah pengujian dilakukan sistem transmisi tersebut kurang optimal karena pada saat pengujian rotor turbin angin hampir tidak berputar untuk kecepatan angin 6m/s. Hal ini disebabkan kerugian gesekan yang terjadi pada sabuk-puli sangat besar.

Tabel 3.5 Spesifikasi transmisi sabuk-puli

No Spesifikasi Keterangan

1 Transmisi Speed increasing sabuk-puli

2 Diameter puli Ø50 mm (2 buah), Ø200 mm (1 buah), Ø150 mm (1 buah)

3 Jenis, diameter sabuk Sabuk-V,

4 Jumlah, diameter poros perantara 1 buah, 19 mm

Melihat hasil sistem transmisi sabuk-puli yang kurang optimal, penulis merencanakan kembali sistem transmisi yang digunakan yaitu sistem transmisi roda gigi. Pada sistem transmisi ini, penulis merencanakan dengan menaikkan putaran sebayak 3 kali, poros perantara sebanyak dua dengan rasio total kenaikan putaran 1 : 10. Gambar desain ada pada lampiran L7, spesifikasi sistem transmisi seperti pada tabel 3.6.

Tabel 3.6 Spesifikasi transmisi roda gigi

No Spesifikasi Keterangan

1 Transmisi Speed increasing roda gigi

2 Diameter roda gigi Ø100 mm (1 buah), Ø90 mm (1 buah), Ø60 mm (1 buah), Ø 42 mm (2 buah), Ø30 mm (1buah)

3 Bahan roda gigi St37

4 Jumlah, diameter poros perantara 2 buah, 19 mm

Setelah pemasangan dan uji coba dilakukan, sistem transmisi berjalan optimal, sehingga penulis memutuskan untuk melakukan pengujian.

BAB IV

METODE PENELITIAN

Untuk mendapatkan hasil penelitian yang presisi dan akurat, penelitian tentunya harus memenuhi metode penelitian dan metode pelaksanaan yang terarah dan terintegrasi serta pelaksanaannya dilakukan dari step awal ke step berikutnya yang saling mendukung dan relevan dengan maksud dan tujuan penelitian. Metode penelitan yang penulis lakukan yaitu Metode Penelitian Eksperimen. Sebelum melakukan penelitian, penulis terlebih dahulu melakukan perancangan kemudian membangun objek penelitian. Tahap – tahap yang dilakukan penulis dalam penelitian meliputi:

1. Studi literatur dan studi pustaka

Sebelum pemilihan jenis turbin yang akan dirancang, terlebih dahulu penulis melakukan studi literatur dan studi pustaka. Studi literatur yang penulis lakukan yaitu mencari referensi teori yang relevan dengan kasus atau permasalahan yang ditemukan. Referensi ini berisikan :

1. Turbin angin secara umum

2. Turbin angin jenis vertikal axis savonius

3. Kondisi cuaca dan kecepatan angin daerah Sumatera Utara

Referensi ini dapat dicari dari buku, jurnal, artikel dan situs – situs internet. Khusus untuk data kondisi cuaca dan kecepatan angin, diperoleh dari Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Medan Sumatera Utara. Output dari studi litaratur ini yaitu terkoleksinya referensi yang relevan terhadap kasus atau permasalahan yang ditemukan. Tujuan dilakukannya studi literatur ini yaitu diperoleh teori yang kuat dan relefan terhadap permasalahan serta memberikan gambaran pengujian yang akan dilakukan.

Dengan berpedoman pada beberapa literatur dan data kondisi cuaca dan kecepatan angin daerah Sumatera Utara maka penulis memilih tubin jenis vertikal axis savonius. Alasan penulis memilih jenis turbin ini yaitu turbin ini dapat memanfaatkan potensi kecepatan angin dari segala arah dan dapat menghasilkan momen daya yang besar. Hanya saja turbin ini tidak mampu menghasilkan putaran yang tinggi.

Namun, untuk mengatasi hal ini, penulis mencoba menggunakan sudu pengarah aliran angin. Dengan adanya sudu pengarah ini, penulis berharap dapat meningkatkan putaran dan daya yang dihasilkan turbin ini.

2. Pengumpulan data

Sebelum penelitian dilakukan, terlebih dahulu penulis mencari dan mengumpulkan data yang mendukung pada penelitian ini. Data yang mendukung penelitian ini yaitu data kondisi cuaca dan kecepatan angin khusunya daerah Sumatera Utara yang diperoleh dari BMKG Medan-Sumatera Utara.

3. Perancangan dan Pembuatan objek

Setelah studi literatur dilakukan, penulis merencanakan perancangan turbin angin vertikal axis savonius. Dimana gambar rancangan turbin ini terlihat seperti pada lampiran.

4. Pengujian

Setelah pembutan turbin angin vertikal axis savonius ini sesuai dengan rancangan penulis, maka pengujian terhadap turbin ini dapat dilakukan.

5. Analisis data dan Hasil

Analisis data akan dilakukan dengan pendekatan – pendekatan terhadap teori yang mendukung sehingga dari hasil analisis ini diperoleh kesimpulan.

6. Kesimpulan

Setelah analisis data dilakukan kemudian diperoleh hasil. Dari hasil yang diperoleh sehingga diperoleh suatu kesimpulan.

4.1 Tempat Penelitian

Proses produksi elemen – elemen turbin savonius dilakukan dengan cara manual (handmade). Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai, pengujian turbin angin dapat dilakukan. Semua proses penelitian dilakukan di Laboratorium Mesin Proses Produksi Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian

Adapun objek penelitian yaitu turbin angin savonius seperti gambar 4.1 dengan desain rancangan ada pada lampiran L8.

Gambar 4.1 Prototipe turbin angin savonius

Sudu pengarah yang digunakan seperti gambar 4.2, dengan desain rancangan ada pada lampiran L9.

Alat – alat yang digunakan dalam penelitian adalah:

1. Digital Multimeter, digunakan untuk mengukur tegangan dan kuat arus yang mengalir pada rangkaian beban dengan data teknis sebgai berikut:

Pabrikan : Fluke

Type : F15B digital multimeter Power supply : 2 x AA 1.5V Battery Dimension : 180 x 89 x 51.1 mm Spesifikasi :

- AC Volts : 400 mV / 4 V / 40 V / 400 V / 1000 V, +/-3.0+3, 0.1 Mv to 1,000 V

- DC Volts : 400 mV / 4 V / 40 V / 400 V / 1000 V, +/-1.0+10, 0.1 Mv to 1,000 V

- AC Current : 400 uA / 4000 uA / 40 mA / 400 mA / 4 A / 10 A, +/-1.5%+3, 0.1 UA to 10 A

- DC Current : 400 uA / 4000 uA / 40 mA / 400 mA / 4 A / 10 A, +/-1.5%+3, 0.1 UA to 10 A

- Capacitance : 50 nF / 200 Nf / 2 Uf / 20 Uf / 200 Uf / 20 Mf, +/-%+5, 0.01 nF to 100 uF

- Resistance : 400 / 4 K / 40 K / 400 K / 4 M / 40 M ohm, +/-0.5%+3, 0.1 ohm to 40 Mohm

Gambar 4.3 Digital Multimeter

2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin savonius, dengan data teknis sebagai berikut:

Pabrikan : Krisbow

Dimension : 210 x 74 x 37 (mm)

Type : Display 5 digital 18 mm (0,7” LCD) Accuracy : ± (0,05 % + 1 digital)

Sampling time : 0,8 sec (over 60 rpm) Range select : Auto range

Time base : Quartz crystal

Detecting distance : 50mm---500mm (photo)

Power : 4 x 1,5 VAA size battery or 6V direct current stable voltage power

Power cunsumtion : approx 65 mA

Gambar 4.4 Digital Tachometer

3. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur kecepatan angin dan temperatur lingkungan, dengan data teknis sebagai berikut:

Pabrikan : Extech

Specification Range Resolution

m/s 0.2 – 20 m/s 0.1 m/s

km/h 0.7 – 72 km/h 0.1 km/h

ft/min 40 – 3940 ft/min 1 ft/min

MPH 0.5 – 44.1 MPH 0.1 MPH

Knots 0.4 – 31.1 knots 0.1 knots

Gambar 4.5 Thermo-Anemometer

4. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:

Pabrikan :

Daya : 1,5 kW / 2 Hp

Putaran :1720 rpm

Tegangan : 220/380

Φ : 0,81

Gambar 4.6 Motor listrik 5. Permanent Magnet Generator (PMG) DC

Type : Permanent magnet generator (PMG) DC

Pabrikan : Windstream Power Llc

Putaran maksimum : 2250 rpm

Voltage : 12 V DC

Gambar 4.7 Permanent Magnet Generator (PMG) DC

4.3 Pelaksanaan Penelitian 4.3.1 Tahap Persiapan

Pada tahap ini, penulis melakukan persiapan sebelum melakukan penelitian. Adapun persiapan yang dilakukan yaitu:

1. Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4 dan 6 sudu lurus dan kemudian sudu lengkung dengan sudu pengarah angin.

2. Melakukan inspeksi pada setiap objek penelitian dan alat pengujian, apakah alat dapat berfungsi sesuai dengan fungsinya.

3. Menjalankan fan untuk menentukan titik dimana kecepatan angin sesuai dengan data kecepatan angin untuk pengujian.

4. Menempatkan turbin angin pada titik dimana kecepatan angin sesuai dengan rencana dan diposisikan sejajar dengan fan.

5. Melihat kondisi lingkungan apakah kondisi pengujian dapat dilakukan untuk mendapatkan hasil yang optimal.

G

M

G

M

G

G

L 4.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data

Setelah keempat poin tahap persiapan di atas terpenuhi, pengujian dan pengambilan data dapat dilakukan. Tahap – tahap pengujian dan pengambilan data meliputi:

1. Turbin angin dengan tiga sudu lurus dan sudu pengarah yang siap uji yang ditempakan pada titik angin yang telah ditentukan sebelumnya.

2. Disiapkan fan ditempat dudukanya (base fan) dan dipastikan aman.

3. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu sesuai kecepatan angin pengujian.

4. Setelah putaran rotor turbin kelihatan stabil, pengambilan data dapat dilakukan yaitu membaca angka nominal yang tertera pada alat ukur. Pada pengujian pertama dilakukan tanpa menggunakan beban dengan lima variasi kecepatan angin yaitu 3,2; 4,0; 4,8; 5,4; dan 6,0 m/s. Adapun data yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros rotor turbin dan putaran poros generator. Setelah pengambilan data dilakukan semua alat di-off-kan untuk menghindari hal – hal tidak diinginkan, seperti motor listrik terbakar karena terlalu panas.

Adapun sistem rangkaian listrik yang akan diukur meliputi:

a. Rangkaian pengukuran tegangan listrik (V) tanpa beban lampu, (G = generator, M = multimeter).

b. Rangkaian pengukuran kuat arus listrik (I) dengan variasi kenaikan beban dengan bola lampu (L).

G

_M

M

G

_M

G

_M

G

M

L L

L

L L

L _{L L}

L L L

G

- Beban 10 W

- Beban 15 W

c. Rangkaian pengukuran tegangan listrik (V) dengan variasi kenaikan beban. - Beban 5 W

- Beban 10 W

- Beban 15 W

Untuk pengukuran arus dan tegangan listrik dengan beban lampu dilakukan dengan mencatat besar arus dan tegangan dengan beban lampu sebesar 5, 10, 15 dan 20 watt. Daya maksimum yang dihasilkan oleh generator terlihat pada pembebanan 20 watt, daya yang dihasilkan oleh generator tidak melebihi pembebanan yang diberikan.

5. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan beban. Variasi beban ditentukan pada saat pengujian.

6. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanyak 3 kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih maksimal dan diambil rata – rata karena fluktuasi yang terjadi pada saat pembacaan pengukuran. 7. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk selanjutnya

dengan variasi jumlah sudu, profil sudu, beban dan kecepatan angin.

Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan kesimpulan sementara pada saat keadaan bagaimanakah kecepatan angin, jumlah dan profil sudu yang lebih efektif dalam memanfaatkan potensi angin yang ada. Pengujian dilakukan dalam ruang untuk mencegah pengaruh udara luar sehingga hasil yang didapatkan lebih akurat.

Pada pengujian dengan menggunakan beban, dimana untuk mengukur kuat arus yang melalui beban, Amperemeter dibuat hubungan seri, sedangkan untuk mengukur beda potensial voltmeter dibuat hubungan paralel.

Sketsa pengujian dapat dilihat seperti pada gambar di bawah:

4.4 Diagram Alir Penelitian

Gambar 4.10 Diagram alir penelitian MULAI

Identifikasi Masalah

Pemilihan Jenis Turbin Angin yang sesuai dengan kondisi angin di Sumatera Utara dan dapat memanfaatkan potensi angin dari segala arah

KESIMPULAN

SELESAI

Perancangan dan Pabrikasi Turbin Angin, meliputi: 1. Perancangan Rotor

2. Perancangan Sudu (jumlah, profil) 3. Perancangan Sistem Transmisi 4. Pereancangan Sudu Pengarah

Parameter Output:

1. Tegangan output generator 2. Kuat arus output generator 3. Putaran poros turbin 4. Beban

1. Variasi Kecepatan angin

2. Temperatur ruangan pengujian

Analisis dan pengolahan data, menentukan : 1. Daya Rotor

2. Koefisien daya 3. Tip Speed Ratio 4. Efektivitas profil sudu Hasil Pembahasan:

Mendapatkan jumlah dan profil sudu yang optimal memanfaatkan potensi angin.

BAB V

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA

5.1 Hasil Pengujian

Penelitian dilakukan dengan metode penelitian eksperimen. Berdasarkan tahap – tahap pengujian yang dilakukan pada metode penelitian, diperoleh data hasil pengujian.

5.1.1 Pengujian Sudu Lurus Tanpa Beban Tabel 5.1 Data pengujian Tiga sudu

uo

(m/s)

V (volt) _V(avg)

n (rpm)

1 2 3

6.0 32.73 32.56 31.92 32.40333 59.12 5.4 28.15 27.42 26.90 27.49 48.53 4.8 20.78 21.08 20.93 20.93 36.97 4.0 10.24 10.35 9.95 10.18 18.08

3.2 5.13 4.75 4.43 4.77 6.84

Tabel 5.2 Data pengujian Empat sudu uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) n (rpm)

1 2 3

6.0 34.72 33.69 34.80 34.40333 61.23 5.4 29.65 29.78 30.23 29.88667 50.27 4.8 23.45 21.93 20.56 21.98 39.40 4.0 11.75 10.89 11.08 11.24 20.45

3.2 6.87 6.75 7.05 6.89 8.12

Tabel 5.3 Data pengujian Enam sudu uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) n (rpm)

1 2 3

6.0 40.18 38.40 39.68 39.42 71.82 5.4 33.87 31.26 34.67 33.26667 60.25 4.8 30.50 27.25 29.22 28.99 45.76 4.0 18.67 19.45 16.24 18.12 26.36

5.1.2 Pengujian Sudu Lurus Dengan Beban

Tabel 5.4 Data pengujian Tiga sudu dengan variasi beban 5W dan 10W. uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 14.05 14.10 13.79 13.98 0.58 8.1084 23.61 5.4 11.34 11.50 11.63 11.49 0.49 5.6301 19.58 4.8 10.92 11.12 11.05 11.03 0.35 3.8605 20.21 4.8 9.25 9.16 9.11 9.173333 0.41 3.761067 14.46

4.0 7.12 6.92 6.84 6.96 0.29 2.0184 12.36

4.0 5.69 5.72 5.74 5.716667 0.32 1.829333 5.27 3.2 2.24 2.53 2.51 2.426667 0.13 0.315467 3.15

Pengujian tiga sudu lurus dilakukan pada variasi beban sehingga data pada tabel di atas ada sampai dua kali pengujian untuk kecepatan angin yang sama. Adapun variasi beban tersebut dilakukan karena pada kecepatan angin tertentu dengan pembebanan yang diberi terkadang melebihi daya poros rotor sehigga menyebabkan turbin tidak lagi berputar. Demikian juga data pada pengujian berikutnya untuk variasi sudu dengan menggunakan beban.

Tabel 5.5 Data pengujian Empat sudu dengan variasi beban 5W, 10W, dan 15 W. uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 14.35 14.56 14.12 14.34333 0.77 11.04437 30.93

5.4 13.56 14.06 14.21 13.94333 0.54 7.5294 23.98

5.4 11.56 11.68 11.21 11.48333 0.62 7.119667 20.58

4.8 10.21 10.35 9.89 10.15 0.41 4.1615 13.46

4.8 9.21 8.67 9.89 9.256667 0.48 4.4432 9.46

4.0 8.46 8.48 7.76 8.233333 0.26 2.140667 19.28

4.0 8.32 8.21 7.56 8.03 0.29 2.3287 10.20

3.2 2.89 2.91 2.87 2.89 0.14 0.4046 6.57

Tabel 5.6 Data pengujian Enam sudu dengan variasi beban 5W, 10W, 15 W, dan 20 W uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 16.08 15.90 16.42 16.13333 1.06 17.10133 30.57 5.4 12.85 12.06 12.78 12.56333 0.97 12.18643 22.49 4.8 13.13 13.75 13.18 13.35333 0.68 9.080267 28.18 4.0 10.22 9.89 10.24 10.11667 0.53 5.361833 15.67 3.2 4.48 4.23 4.78 4.496667 0.32 1.438933 9.16

5.1.3 Pengujian Sudu Lengkung Tanpa Beban Tabel 5.7 Data pengujian Tiga sudu

uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) n (rpm)

1 2 3

6.0 17.23 17.13 17.09 17.15 31.90

5.4 13.00 12.59 12.82 12.80333 25.14

4.8 9.98 9.57 9.50 9.683333 18.48

4.0 7.71 6.95 7.38 7.346667 10.37

3.2 1.53 1.49 1.43 1.483333 2.21

Tabel 5.8 Data pengujian Empat sudu uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) n (rpm)

1 2 3

6.0 22.45 21.85 23.03 22.44333 38.90

5.4 16.89 15.96 16.71 16.52 30.18

4.8 12.48 11.79 12.59 12.28667 24.60

4.0 8.51 7.62 8.80 8.31 12.37

3.2 1.90 2.12 2.01 2.01 3.89

Tabel 5.9 Data pengujian Enam sudu uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) n (rpm)

1 2 3

6.0 27.95 28.32 28.95 28.40667 46.08

5.4 23.25 22.98 23.68 23.30333 40.17

4.8 15.43 14.67 16.07 15.39 29.56

4.0 9.95 9.28 8.98 9.403333 18.24

5.1.4 Pengujian Sudu Lengkung Dengan Beban

Tabel 5.10 Data pengujian Tiga sudu dengan beban 5W uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 8.85 8.70 8.83 8.793333 0.35 3.077667 28.41

5.4 7.18 7.00 7.31 7.163333 0.28 2.005733 19.72

4.8 3.88 3.91 3.78 3.856667 0.24 0.9256 11.68

4.0 3.53 3.68 3.32 3.51 0.089 0.31239 3.70

3.2 0.00 0.00 0.00 0 0 0 0.00

Tabel 5.11 Data pengujian Empat sudu dengan beban 5W uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 10.09 11.13 10.82 10.68 0.38 4.0584 31.78

5.4 8.86 8.56 9.63 9.016667 0.35 3.155833 27.52

4.8 7.15 6.74 6.83 6.906667 0.32 2.210133 22.83

4.0 3.45 3.65 3.41 3.503333 0.25 0.875833 11.57

3.2 2.32 2.47 2.58 2.456667 0.16 0.393067 4.89

Tabel 5.12 Data pengujian Enam sudu dengan beban 5W uo

(m/s)

V (volt)

V(avg) I (A) P (watt) n (rpm)

1 2 3

6.0 10.92 10.68 10.50 10.7 0.68 7.276 28.58

5.4 8.07 8.35 7.87 8.096667 0.55 4.453167 18.41

4.8 7.02 6.78 6.93 6.91 0.32 2.2112 22.67

4.0 3.38 3.79 3.78 3.65 0.26 0.949 10.35

3.2 2.51 2.87 2.51 2.63 0.18 0.4734 5.28

Penelitian dilakukan di dalam ruangan, dimana temperatur ruangan pada saat pengujian 30 oC.

Lampiran L7. Profil Aliran dan Potensi Kecepatan Angin Indonesia  23 November 2008

 26 Desember2010

 8 Januari2011

 24 Maret 2011

 30 Juni 2011

 14 Juli 2011