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

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

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

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

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

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

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

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

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. 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

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.

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

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

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

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

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

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

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

Gambar 4.22 Grafik TSR vs vrata-rata ... 87

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

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

�� Energi kinetik angin Joule

� massa udara kg

� Kecepatan angin m/s

�̇ Laju aliran massa udara kg/s

� Massa jenis udara kg/m3

� Daya turbin Watt

� 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

Re Bilangan Reynold -

α sudut serang o

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.

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

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pemanfaatan energi angin di Indonesia masih sangat kecil, baik yang dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik ataupun untuk menggerakkan peralatan mekanis seperti pompa ataupun mesin penggiling biji bijian. Ini dikarenakan kecepatan angin yang terdapat di Indonesia umumnya relatif kecil yaitu lebih kecil dari 10 m/s. Selain kecepatan angin yang rendah, angin yang tersedia di alam tidak selalu ada sepanjang waktu[13]. Nilai kecepatan angin yang kecil dan ketersediaannya yang tidak menentu ini tidak cukup mampu untuk menggerakkan turbin angin untuk mendapatkan daya dalam jumlah yang besar. Namun pemanfaatan energi angin dalam skala kecil untuk membangkitkan energi listrik untuk peralatan rumah tangga masih memiliki potensi yang cukup besar, apalagi Indonesia sedang mengalami krisis energi yang ditandai dengan pemadaman listrik yang sering terjadi. Selain itu, beberapa daerah tertentu seperti daerah pantai memiliki potensi yang cukup besar untuk memanfaatkan turbin angin sebagi pembangkit listrik dalam skala kecil mengingat Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki garis pantai yang cukup panjang. Selain untuk membangkitkan listrik, energi angin juga dapat dimanfaatkan sebagi penggerak aerator di tambak ikan. Aerator merupakan alat yang berfungsi untuk membuat oksigen terlarut ke dalam air.

Menurut fungsinya, terdapat perbedaan antara turbin angin dan kincir angin. Turbin angin merupakan peralatan pengkonversi energi angin yang terhubung ke generator dimana energi hasil keluarannya berupa energi listrik. Kincir angin merupakan peralatan pengkonversi energi angin yang terhubung ke mesin mekanis seperti pompa,mesin pemecah biji,atau juga aerator, dimana hasil keluaran dari turbin angin digunakan untuk menggerakkan mesin mesin tersebut.

Pengelompokkan turbin angin dibedakan atas dua macam yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertical. Untuk pemilihan turbin angin sebagai penggerak aerator, jenis turbin angin yang akan dipakai adalah

turbin angin sumbu vertikal. Alasan pemilihan jenis turbin angin ini adalah karena turbin angin jenis ini memiliki beberapa keunggulan diantaranya kemampuan turbin angin ini menangkap energi angin dari segala arah sehingga tidak perlu mekanisme untuk mengarahkan rotor ke arah datangnya angin, tidak memerlukan konstruksi menara yang terlalu tinggi sehingga lebih murah serta mampu mentransmisikan putaran dari rotor ke aerator secara langsung bila digunakan untuk menggerakkan aerator.

Salah satu faktor yang mempengaruhi unjuk kerja dari turbin angin adalah bentuk sudu dan tipe konstruksi turbin angin. Berdasarkan bentuk sudu dan konstruksi turbin angin yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dapat dibedakan lagi seperti tipe Savonius, tipe Darrieus, tipe Darrieus-H(disebut juga sebagai Giromill) dan lainnya. Salah satu perbedaan ini terletak pada bentuk sudu. Sudu merupakan komponen utama pada peralatan turbin angin karena komponen ini lah yang berfungsi untuk mengekstrak energi yang tersedia di angin. Untuk mendapatkan daya yang besar,kemampuan sudu dalam mengekstrak energi angin yang tersedia wajib diperhatikan. Beragam penelitian telah dilakukan dengan berbagai macam tipe turbin angin dan bentuk sudu yang bertujuan untuk mendapatkan kinerja turbin angin yang paling maksimal.

Hal yang menjadi pembahasan di penelitian ini adalah analisa pengaruh panjang chord sudu dan tip speed ratio turbin angin sumbu vertical tipe Darrieus-H terhadap kinerja turbin angin dengan bantuan software Computational Fluid Dynamic(disingkat CFD). Beberapa peneliti di seluruh dunia telah merancang berbagai tipe turbin angin lalu diuji dan dianalisa dengan bantuan terowongan angin. Pengujian ini membutuhkan seperangkat peralatan dan membutuhkan biaya yang cukup mahal. Dengan bantuan software CFD, para peneliti dapat menganalisa dan merancang turbin angin yang lebih baik dan lebih murah dari segi biaya perancangan dengan hasil yang hampir sama bila dibandingkan dengan menggunakan terowongan angin. Perancangan dengan menggunakan software CFD merupakan tolak ukur sebagai perkiraan dalam merancang dan membuat turbin angin yang sebenarnya.

Atas pertimbangan inilah, akan dilakukan analisa turbin angin sumbu vertical tipe Darrieus-H dengan variasi panjang chord dan tip speed ratio dalam

mengekstrak energi angin agar turbin angin yang dibuat dapat berfungsi seoptimal mungkin.

1.2 Perumusan Masalah

Didalam perancangan turbin angin untuk mampu mendapatkan daya yang maksimal, ada beberapa masalah yang timbul untuk selanjutnya dianalisa melalui simulasi turbin angin dengan bantuan software CFD. Beberapa masalah yang timbul diantaranya:

1. Penentuan sudut serang yang paling optimal dari airfoil dalam mengekstrak energi angin berupa perbandingan nilai koefisien lift dan koefisien drag yang paling optimal. Penentuan nilai ini penting untuk mengetahui karakteristik airfoil yang akan digunakan sebagai rotor pada turbin angin.

2. Penentuan panjang chord dari airfoil yang mampu mengekstrak energi yang tersedia di angin secara optimal.

3. Menganalisa pola aliran udara yang terjadi pada susunan turbin angin apakah menghambat pergerakan rotor turbin angin.

4. Penentuan daya turbin angin yang mampu didapatkan turbin angin melalui simulasi dengan software CFD. Penentuan ini sangat penting sebagai tolak ukur dalam membangun turbin angin yang sebenarnya.

1.3 Tujuan Penelitian

1.3.1 Tujuan Umum

Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan turbin angin sumbu vertikal tipe Darrieus-H dengan bantuan software CFD untuk mengetahui performansi paling optimal. Hasil simulasi ini berupa plot kontur kecepatan angin, perbandingan nilai koefisien lift dan koefisien drag yang maksimal dan panjang chord yang paling optimal.

1.3.2 Tujuan Khusus

Secara terperinci, penelitian ini memiliki tujuan khusus yang terdiri atas beberapa poin yaitu;

1. mendapatkan nilai koefisien lift, koefisien drag, serta perbandingan koefisien lift dengan koefisien drag(glide ratio) yang paling maksimal pada variasi sudut serang untuk airfoil NACA 4415.

2. mengetahui pengaruh variasi panjang chord dan tip speed ratio terhadap performansi turbin angin.

3. Memberikan data berupa daya yang dihasilkan oleh turbin angin dari nilai kecepatan angin yang didapat dari simulasi.

1.4 Batasan Masalah

Dengan melihat begitu banyaknya faktor yang terdapat dalam simulasi turbin angin ini, penulis membuat batasan masalah agar tujuan dan target penelitian dapat dicapai sesuai dengan perencanaan yang telah ditetapkan. Batasan masalah penelitian ini adalah:

1. Airfoil yang akan dianalisa adalah tipe NACA 4415 untuk mendapatkan koefisien lift, koefisien drag dimana analisa dilakukan secara 2D.

2. Pemodelan dan simulasi secara 2D turbin angin untuk mengetahui pengaruh panjang chord dan variasi tip speed ratio terhadap kinerja turbin angin.

3. Simulasi dilakukan secara numerik dengan bantuan software

Computational Fluid Dynamic dimana pembentukan geometri dilakukan dengan bantuan preprocessor Gambit dan Solidwork dan analisa fluidanya dengan menggunakan Fluent dan Ansys Workbench.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab. Adapun rincian dari penulisan ini disajikan sebagai berikut:

- Bab I Pendahuluan

Bab ini memberikan gambaran keseluruhan mengenai tugas akhir yang meliputi pembahasan tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan.

- Bab II Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan.

- Bab III Metode penelitian

Bab ini berisikan metode dari pengerjaan meliputi langkah langkah pengolahan dan analisa data serta mensimulasikannya dengan bantuan software CFD.

- Bab IV Hasil dan Pembahasan

Bab ini berisikan hasil simulasi berupa koefisien lift, koefisien drag,koefisien

lift/koefisien drag dari airfoil yang dianalisis dan koefisien daya yang dihasilkan oleh variasi panjang chord dan tip speed ratio.

- Bab V Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisikan kesimpulan dari penelitian ini. Ringkasan lengkap tentang isi penelitian ini terdapat di bagian ini. Beberapa saran juga dituliskan kepada para pembaca agar terdapat perbaikan di masa yang akan datang.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1Ketersediaan energi angin di Indonesia

Energi yang tersedia di alam dibedakan atas dua jenis yaitu energi yang tidak dapat diperbaharui dan energi yang dapat diperbaharui. Energi yang tidak dapat diperbaharui adalah energi yang bila digunakan terus menerus akan habis dalam jangka waktu tertentu[9]. Contoh energi yang tidak dapat diperbaharui adalah minyak bumi, gas alam dan batu bara. Energi yang dapat diperbaharui adalah energi yang bila digunakan terus menerus tidak akan pernah habis. Contoh energi yang dapat diperbaharui yaitu energi surya, energi air, energi angin, energi panas bumi, dan energi pasang surut air laut.

Minyak bumi, gas alam, dan batubara memiliki keunggulan bila dilihat kelimpahan dan jumlahnya yang tersedia di alam dalam waktu yang relatif singkat. Kesemua bentuk energi tersebut dapat langsung digunakan dan menghasilkan energi yang menjadi penopang hampir separuh kebutuhan energi di dunia. Kegiatan manusia di zaman sekarang ini mengharuskan penggunaan berbagai jenis energi untuk menghasilkan listrik dan sebagai bahan bakar kendaraan. Meskipun begitu, terdapat beberapa kelemahan pada penggunaan minyak bumi, gas alam dan batu bara. Penggunaannya terus menerus akan membuat sumber energi ini akan segera habis bila tidak ditemukan sumber lain mengingat waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi ini membutuhkan waktu yang sangat lama. Selain itu, proses penggunaan ini menghasilkan dampak lain yang tidak diinginkan yaitu polusi berupa gas beracun seperti karbon dioksida(CO2), karbon monoksida(CO) dan gas beracun lainnya. Salah satu isu tentang pemanasan global menjadi indikator atas kelemahan penggunaan jenis energi ini. Kelemahan lain dari jenis energi ini adalah ketersediaanya yang terbatas di alam. Hal ini mengharuskan manusia melakukan efisiensi dalam pemanfaatannya.

Bentuk lain dari energi yang tersedia di alam yaitu energi surya, energi air, energi angin, energi panas bumi, dan energi pasang surut air laut. Keuntungan dari

jenis energi ini adalah jenis energi ini merupakan energi yang berkelanjutan (dapat digunakan terus menerus), mudah ditemukan hampir di seluruh dunia dan tidak menghasilkan polusi. Pemanfaatan jenis energi ini secara maksimal akan menjadi alternatif apabila di kemudian hari sumber energi seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara habis. Meskipun begitu, jenis energi ini memiliki kelemahan yaitu ketersediaannya yang bervariasi(jumlahnya tidak tetap sepanjang waktu).

Gambaran tentang penggunaan energi di seluruh dunia ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.1 Penggunaan energi di dunia dari total 143.851 pettawatthour (Sumber :

Adapun pemakaian energi di Indonesia ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.2 Penggunaan energi di Indonesia dari total 1080 SBM (Sumber : Indonesia outlook 2010, Pusdatin ESDM)

Energi angin merupakan salah satu bentuk energi yang dapat diperbaharui. Angin terbentuk karena adanya perpindahan panas secara konveksi yang terjadi antara zat yang lebih dingin dengan zat yang lebih panas. Zat yang lebih panas adalah sinar matahari. Lautan dan dataran rendah merupakan tempat yang lebih panas dibandingkan dengan pegunungan di siang hari. Perairan ataupun daratan yang disinari oleh cahaya matahari terus menerus, suhunya akan meningkat pada permukaannya. Udara yang terdapat di sekitar permukaan zat ini akan meningkat suhunya menjadi lebih panas dibandingkan dengan udara yang terdapat di bagian atasnya. Udara yang lebih panas, massa jenisnya akan menjadi lebih kecil dan udara tersebut akan naik. Posisi udara yang ditinggal oleh udara yang lebih panas ini akan digantikan oleh udara yang lebih dingin yang massa jenisnya lebih besar. Udara yang lebih dingin ini akan dipanaskan secara konveksi oleh permukaan laut ataupun dataran yang lebih panas. Siklus ini terus terjadi selama adanya panas dari matahari. Pergerakan antar molekul udara yang lebih panas dan lebih dingin ini lah yang menyebabkan terjadinya angin.

Perisitiwa terjadinya angin di seluruh bagian bumi adalah ketika bagian khatulistiwa yang terus disinari oleh cahaya matahari akan meningkatkan suhu udara pada bagian ini. Pada bagian lain di bumi, yaitu kutub memiliki suhu yang lebih dingin dibandingkan dengan bagian khatulistiwa. Perbedaan suhu udara antara kedua bagian ini menyebabkan pergerakan udara antar bagian khatulistiwa dengan bagian kutub.

Penggunaan energi angin di Indonesia belum maksimal. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Salah satu faktornya adalah kecepatan angin rata rata yang ada di Indonesia tergolong rendah yaitu lebih kecil dari 10 m/s[20]. Penggunaan energi di masa yang akan datang akan terus bertambah sesuai dengan meningkatnya jumlah penduduk dan meningkatnya kegiatan ekonomi di Indonesia. Untuk itulah dibutuhkan penelitian lebih lanjut agar energi angin ini dapat dimanfaatkan dengan maksimal. Sebagai perbandingan, berikut ini ditunjukkan negara negara yang telah memanfaatkan energi angin untuk membangkitkan listrik .

Gambar 2.3 Negara yang telah memanfaatkan turbinangin sebagai pembangkit listrik

(Sumber : Global wind statistic,2012)

Pemanfaatan energi angin sebagai pembangkit listrik di dunia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini karena angin merupakan sumber energi yang masih sangat besar dan belum dimanfaatkan secara maksimal. Grafik berikut menunjukkan peningkatan jumlah kapasitas listrik yang dibangkitkan oleh turbin angin.

Gambar 2.4 Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia ( Sumber :

4525 6200 7196 8144 8445

19051 22796 31332 60007 75564 39852 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Kapasitas total (MW)

24322 31181 32965

47693 59024 74122 93927 120903 159765 196653 239000 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Total Kapasitas Turbin angin yang

terpasang di Dunia(MW)

Menurut data yang diambil dari laporan tahunan PLN pada tahun 2012, PLN masih sangat tergantung kepada pemakaian BBM sebagai sumber bahan bakar untuk penghasil listriknya. Dari total kapasitas 32.901,48 MW terpasang yang dimiliki PLN, hanya 0,34 MW saja yang dapat dihasilkan dari energi angin(Energi Bayu) . Berikut ini ditampilkan pembangkit listrik yang dimiliki oleh PLN:

Gambar 2.5 Kapasitas terpasang dari pembangkit listrik PLN(dalam MW) (Sumber : Statistik PLN 2012)

Dari gambar terlihat bahwa angin(bayu) hanya menyumbangkan sebesar 0,34 MW untuk memenuhi kebutuhan listrik Indonesia. Padahal Indonesia memiliki potensi pembangkit energi angin yang belum dimaksimalkan. Gambar berikut menunjukkan aliran angin yang ada di Indonesia. Untuk beberapa daerah di Indonesia, angin yang berhembus cukup untuk dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik.

Gambar 2.6 Aliran angin yang terjadi di Indonesia (Sumber :

2.2Turbin angin

Turbin angin merupakan mesin dengan rotor berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik atau energi listrik[2].

Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin angin dibedakan atas dua macam yaitu :

1. Turbin angin yang memanfaatkan gaya Lift

Turbin angin ini memanfaatkan gaya Lift yang terjadi pada penampang rotornya untuk berputar dan mengkonversikan energi yang diterimanya. Turbin angin jenis ini umumnya menggunakan airfoil sebagai penampang rotornya. Contohnya adalah turbin angin tipe Savonius.

2. Turbin angin yang memanfaatkan gaya Drag

Turbin angin ini memanfaatkan gaya drag yang terjadi pada penampang rotornya untuk berputar dan mengkonversikan energi yang diterimanya. Turbin angin jenis ini umumnya menggunakan penampang yang lebih besar dan lebih

luas dibandingkan dengan turbin angin yang memanfaatkan gaya Lift .Contohnya adalah turbin angin tipe Darrieus H rotor.

Perbedaan lain yang cukup mencolok adalah berdasarkan arah putaran pada rotornya. Turbin angin yang memanfaatkan gaya lift rotornya berputar melawan arah angin sedangkan pada turbin angin yang memanfaatkan gaya drag, rotornya berputar searah dengan arah angin.

Perbedaan turbin angin yang bekerja berdasarkan gaya lift dan gaya drag

ditunjukkan sebagai berikut:

Gambar 2.7 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Drag

(Sumber : Schubel, 2012)

Gambar 2.8 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Lift

(Sumber : Schubel, 2012)

Turbin angin berdasarkan letak sumbunya, terbagi atas dua, yaitu: 1. Turbin angin sumbu vertical

2. Turbin angin sumbu horizontal Arah angin

Putaran

Arah angin

2.2.1 Turbin angin sumbu vertical(TASV)

Turbin angin sumbu vertical merupakan turbin angin yang sumbu rotasinya tegak lurus terhadap permukaan bumi[10].

Gambar 2.9 Turbin angin sumbu vertical (Sumber : Schubel, 2012)

Ada beberapa tipe turbin yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir. Pengembangan terus dilakukan untuk mengurangi masalah atau bahkan mengatasi masalah yang sering timbul pada turbin angin. Jenis masalah ini diantaranya torsi awal yang rendah, gaya angkat sudu, efisiensi yang rendah, dan struktur yang tidak kuat. Beberapa tipe turbin angin sumbu vertical diuraikan sebagai berikut :

1. Turbin angin Darrieus

Turbin angin ini memiliki efisiensi maksimal sekitar 40% yang didapatkan melalui eksperimen[10]. Bentuk turbin angin ini sederhana yaitu seperti pengaduk. Penampang dari rotor yang digunakan merupakan penampang airfoil, umumnya yang dipakai adalah profil yang dihasilkan oleh NACA. Oleh karena itu turbin angin ini merupakan turbin angin tipe lift dengan gaya drag yang timbul lebih kecil. Turbin angin Darrieus ini merupakan turbin angin sumbu vertikal yang memiliki efisiensi paling tinggi dikelompoknya. Kelemahan turbin angin tipe Darrieus hampir sama dengan tipe turbin angin sumbu vertical lainnya, yaitu torsinya yang sangat kecil sewaktu baru berputar sehingga membutuhkan energi

Arah angin

Arah

Turbinangin sumbu vertical

awal untuk membuatnya berputar. Umumnya turbin ini dilengkapi dengan motor sebagai penggerak mula ataupun dilengkapi dengan turbin angin savonius di ruang yang kosong diantara sudunya. Kekurangan lain adalah sulitnya dalam hal pabrikasi turbin angin jenis ini mengingat bentuk sudunya yang melengkung.

Gambar 2.10 Turbin angin tipe Darrieus (Sumber :

2. Turbin angin Savonius

Turbin angin savonius merupakan turbin angin sumbu vertical yang paling sederhana karena menggunakan sudu berupa lembaran datar ataupun melengkung. Turbin angin jenis ini umumnya memiliki paling sedikit 2 sudu. Turbin angin jenis ini bekerja berdasarkan gaya drag yang disebabkan oleh dorongan angin yang melewati peralatan ini. Efisiensi dari turbin angin ini tergolong sangat rendah yaitu sekitar 16%.

Gambar 2.11 Turbin angin Savonius yang menggunakan sudu berupa lembaran kain

(Sumber : Eric Hau, 2006)

Gambar 2.12 Turbin angin savonius yang dapat dibuat dari drum bekas (Sumber :

3. Turbin angin Giromill

Turbin angin ini merupakan pengembangan dari turbin angin tipe Darrieus. Sudu yang digunakan dibentuk dari penampang airfoil. Penggunaan turbin angin jenis ini untuk memudahkan dalam hal pabrikasi. Ada beberapa bentuk sudu yang

telah dikembangkan untuk turbin angin jenis ini seperti sudu lurus, bentuk helix, atau curved bladed.

Gambar 2. 13 Turbin angin giromill tipe helix (Sumber :

4. Turbin angin tipe Darrieus-H

Turbin angin jenis ini merupakan pengembangan lanjutan dari turbin angin tipe Darrieus. Turbin angin jenis ini memiliki torsi awal yang rendah namun dari segi fabrikasinya lebih mudah bila dibandingkan dengan turbin angin Darrieus.

Gambar 2.14 Turbin angin Darrieus -H (Sumber : Eric Hau, 2006)

Beberapa keunggulan dari turbin angin sumbu vertical adalah sebagai berikut:

1. Desainnya kecil sehingga memiliki guncangan kecil pada menaranya 2. Tidak memerlukan mekanisme penyesuaian sudu terhadap datangnya arah

angin

3. Letak generator dan sudu yang tidak terlalu tinggi di tanah sehingga mudah dalam perawatan

4. Tidak memerlukan konstruksi menara yang tinggi jika dibandingkan dengan turbin angin horizontal.

5. Tingkat kebisingan yang rendah

Diantara keunggulan dari turbin angin sumbu vertical ini, terdapat beberapa kelemahan diantaranya:

1. Efisiensi turbin ini lebih rendah jika dibandingkan dengan turbin angin sumbu horisontal

2. Turbin angin jenis ini tidak mampu berputar dengan sendirinya(otomatis) . Daya awal diperlukan untuk menyalakannya.

3. Turbin angin jenis ini hanya cocok bila digunakan untuk memproduksi daya yang kecil dan ukuran rotornya kecil.

2.2.2 Turbin angin sumbu Horisontal(TASH)

Turbin angin sumbu horisontal merupakan turbin angin yang bekerja pada sumbu yang sejajar dengan permukaan bumi. Turbin angin jenis ini merupakan turbin yang paling banyak dipakai di dunia sebagai pembangkit tenaga listrik.

Gambar 2.15 Turbin angin sumbu horizontal (Sumber : Schubel, 2012)

Turbin angin sumbu horisontal dibedakan atas jumlah sudunya ,terdiri atas:

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

Gambar 2.16 Turbin angin dengan 3 sudu (Sumber :

Arah angin Arah

Turbin angin sumbu horisontal

Gambar 2.17 Turbin angin sumbu horizontal di unit pembangkit listrik (Sumber :

Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah angin terhadap rotor turbin, yaitu:

1. Upwind, apabila turbin angin diletakkan menghadap arah angin. 2. Downwind, apabila turbin angin dihadapkan membelakangi arah angin.

Gambar 2. 18 Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin (Sumber : Eric Hau, 2006)

Beberapa keuntungan yang dimiliki oleh turbin angin sumbu horizontal adalah sebagai berikut:

1. Untuk turbin angin besar yang digunakan untuk membangkitkan listrik, kecepatan rotor dan daya yang dihasilkan dapat diatur sesuai tujuan

perancangan. Ini berguna untuk melindungi turbin angin ini jika terjadi angin melebihi batas perancangan.

2. Bentuk rotor dapat dioptimalisasi secara aerodinamis dan ini terbukti dapat menaikkan efisiensi dari turbin angin ini.

3. Teknologi pengembangan rancangan propeler sudah mapan dan telah berkembang.

4. Menara turbin yang tinggi sehingga mampu mendapatkan kecepatan angin yang lebih tinggi.

5. Mekanisme pada turbin angin ini lebih kompleks dan lebih lengkap sehingga hasil yang didapatkan lebih maksimal.

Meskipun demikian ,turbin angin jenis ini juga memiliki kelemahan. Beberapa kelemahan yang dimiliki oleh turbin angin sumbu horizontal adalah sebagai berikut:

1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

2. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.

3. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.

4. Menaranya yang tinggi dapat mengganggu radar bandara.

5. Biaya pabrikasi dan pemasangannya sangat mahal bila dibandingkan dengan turbin angin sumbu vertical

2.3 Teori Momentum Elementer Betz

Teori ini diperkenalkan pertama kali oleh Albert Betz. Teori ini menjelaskan bahwa dengan menerapkan hukum fisika dasar, energi mekanik yang dapat diekstrak dari aliran udara yang melewati suatu penampang,dibatasi oleh energi yang terkandung pada aliran udara tersebut. Penelitian lebih lanjut ekstraksi daya yang optimal didapatkan dengan rasio tertentu antara kecepatan aliran udara

yang berada didepan turbin angin dan kecepatan aliran di belakang turbin angin[8].

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

( Sumber : Eric Hau , 2006)

Besarnya energi kinetik dari massa udara m yang bergerak dengan kecepatan

v dapat dituliskan sebagai berikut:

�� = 1₂ ��2 (Joule) (2.1)

Banyaknya udara yang mengalir tiap satuan(Debit) waktu pada luas penampang tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v, dituliskan sebagai berikut:

�̇ =�� (�3/�) (2.2)

Dengan menghubungkan persamaan � = �

� dan �̇ = �

� , persamaan (2.2)

diatas dapat dituliskan sebagai berikut:

�̇ = �.�.� (kg/s) (2.3)

Jika persamaan (2.3) disubstitusikan ke persamaan (2.1), ini akan menjadi persamaan daya yang diberikan angin tiap satu luasan tertentu dan � = �

� maka

persamaan baru menjadi,

� = 1

2 �.�

3_{.� (�) (2.4)}

Besarnya energi mekanik yang dapat diambil oleh turbin angin dari aliran udara sama dengan besarnya perbedaan daya dari aliran udara sebelum melewati turbin angin dan setelah turbin angin. Persamaan ini dituliskan sebagai berikut:

� = 1

2 �.�1 3_.�

1−

1 2 �.�2

3_.�

2 =

1 2 �( �1

3_.�

dimana v1 merupakan kecepatan udara sebelum memasuki turbin angin dan v2 kecepatan udara setelah melewati turbin angin. Dengan menggunakan hukum kontinuitas, didapatkan persamaan berikut ini:

�̇1 = �̇2

�.�₁.�₁ = �.�₂.�₂ (2.6)

Dengan menggantikan persamaan(2.5) oleh persamaan(2.6), maka didapatkan persamaan (2.7) sebagai berikut:

�= 1

2 �.�1.�1. ( �1

2_{− �}

22) (W) (2.7)

�= 1

2.�̇.(�1

2_{− �}

22) (�) (2.8)

Dari persamaan (2.8) terlihat bahwa daya yang akan diterima oleh suatu turbin angin akan maksimum ketika nilai v2 = 0. Hal ini mustahil terjadi karena jika memang udara di belakang turbin angin bernilai nol, maka kecepatan angin sebelum memasuki turbin angin juga harus bernilai nol juga. Jika ini terjadi, tentu saja tidak akan ada energi yang bisa diambil oleh turbin angin tersebut. Untuk itulah dibutuhkan persamaan lain untuk mewakili pengkoversian energi di turbin angin ini.

Selain dengan menggunakan hukum kelestarian energi, ada persamaan lain untuk mewakili daya yang mampu diekstrak oleh turbin angin. Persamaan itu adalah hukum konservasi momentum. Andaikan udara bergerak dan mengenai turbin ,dapat dikatakan udara ini memberikan gaya pada turbin angin. Gaya yang mengenai sudu turbin dapat dituliskan dengan persamaan berikut:

� = �̇ (�₁− �₂) (N) (2.9)

Besarnya daya yang dibutuhkan untuk mendorong massa udara dengan kecepatan v’ dengan menggunakan hukum aksi-reaksi, adalah ,

�= �.�′ = �̇. (�1− �2).�′ (W) (2.10)

Dengan menggunakan hukum kelestarian energi, persamaan (2.8) dan (2.10),

1

2.�̇.(�1

2_{− �}

22) = �̇.(�1− �2).�′ (W) (2.11)

Maka kecepatan udara yang melewati converter adalah sebagai berikut :

�′ = �1+ �2

Massa udara yang mengalir menjadi:

�̇= �.�′.� = 1

2 �.�. (�1+ �2) (kg/s) (2.13)

Daya mekanikal yang dihasilkan oleh turbin angin dapar dituliskan sebagai berikut:

�= 1

4 .�.�(�1

2 _{− �}

22)(�1+ �2) (W) (2.14)

Untuk membandingkan efisiensi daya yang dimiliki oleh turbin angin, daya keluaran yang dihasilkan oleh turbin angin ini dibandingkan dengan daya yang dimiliki angin sebelum memasuki peralatan turbin angin. Daya angin yang tersedia sebelum memasuki turbin angin ditulisan sebagai berikut:

�� =

1 2 .�.�1

3_.�

Nilai perbandingan antara daya mekanikal yang dapat diekstrak turbin angin dibandingkan daya yang tersedia oleh angin bebas disebut sebagai koefisien daya,

�� yang dituliskan sebagai berikut ini:

�

�

=

_��_�

=

1

4 .�.�(�1 2_−�

22)(�1+ �2) 1

2 .�.�1

3_.�

(2.14)

�� = _��_� = 1₂.�1− ��_�2₁�

2

� �1 +�2

�1� (2.15)

Bila dihitung berdasarkan persamaan diatas, nilai cp dapat ditentukan dari rasio antara kecepatan angin setelah melewati turbin dengan kecepatan angin sebelum melewati turbin dan dapat diplot sebagai berikut:

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

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Cp V2/V1

Nilai ini yang disebut sebagai “factor Betz”. Nilai ini menunjukkan bahwa efisiensi paling maksimal yang dapat di ekstrak oleh turbin angin adalah ketika nilai

v

2

=

1 3

v

1.

2.4Tip speed ratio

Tip speed ratio merupakan bilangan tanpa dimensi yang menunjukkan perbandingan antara kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas[8]. Tip speed ratio dapat dikatakan pembeda antara turbin angin diameter kecil dengan turbin angin dengan diameter besar. Untuk kecepatan sudut yang sama dan kecepatan angin yang sama akan sulit membedakan turbin angin kecil dengan turbin angin besar. Walaupun kecepatan sudutnya sama namun nilai tip speed ratio bisa berbeda. Besarnya tip speed ratio dapat ditentukan dengan rumus berikut ini:

λ = � .�

�

λ = � .� .� 60.�

dimana :

λ =_{�������������}(m/s)

� = �������������� ( ���/�) D = diameter turbin (m)

v = kecepatan angin (m/s) n = putaran turbin (rpm)

2.5Solidity

Solidity diartikan sebagai perbandingan total luas area sudu pada bagian depan terhadap luas sapuan turbin angin[8]. Luas area sudu tergantung terhadap panjang chord sudu dan jumlah sudu. Luas sapuan turbin tergantung kepada diameter ataupun radius turbin angin. Besarnya nilai solidity dapat dihitung dari persamaan berikut ini:

σ

=

����� ����� �������� ����

����� ����� ����

=

�.�.� 2.�.�.�

=

� .� 2 .� .�

dimana :

σ

= solidity turbin angin N = jumlah sudu

c = panjang sudu (m)

R = jari jari turbin angin (m)

Semakin kecil nilai solidity dari suatu turbin angin, maka putaran dari turbin angin tersebut akan semakin tinggi namun torsi yang dimilikinya rendah. Hal sebaliknya berlaku semakin besar nilai solidity maka putaran turbin akan semakin rendah namun memiliki torsi yang besar.

2.6Airfoil

2.6.1 Pengertian Airfoil

Airfoil merupakan penampang sayap pesawat terbang. Airfoil digunakan untuk mendapatkan gaya lift yang besar sehingga pesawat mampu untuk terbang[4]. Airfoil sangat penting dalam keberhasilan Wright bersaudara dalam menerbangkan pesawat mereka yang pertama dan menjadi keberhasilan pertama kali di dunia dalam hal pesawat terbang. Ada beberapa lembaga di dunia yang mempublikasikan airfoil yang mereka hasilkan dimana variasi dari airfoil ini mencapai ribuan jumlahnya. Namun, sebuah lembaga yang melakukan penelitian tentang airfoil secara lebih baik dan lebih sitematis adalah NACA. NACA

merupakan singkatan National Advisory Committee for Aeronautics yang dibentuk sekitar tahun 1930 an. NACA merupakan cikal bakal dari lembaga NASA milik Amerika Serikat yang ada sekarang ini.

NACA telah mengeluarkan beberapa variasi dari airfoil yang dikelompokkan berdasarkan NACA 4 digit, NACA 5 digit, NACA 6 seri, NACA 7 seri, NACA 8 seri dan NACA 16 seri. Airfoil yang dihasilkan oleh NACA ini telah dikembangkan dan digunakan di seluruh dunia.

2.6.2 Geometri airfoil

Geometri dari airfoil ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.21 Geometri airfoil

(Sumber : Eric Hau, 2006)

2.6.3 Airfoil NACA 4 digit

Airfoil jenis ini merupakan keluaran pertama dari seri seri lain yang telah dihasilkan oleh NACA. Angka yang terdapat pada seri ini mewakili dari komponen dari pembentuk airfoil itu sendiri. Penulis menggunakan airfoil NACA 4415 dan penjelasan dari angka ini ditampilkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.22 Penjelasan NACA 4 digit

Secara teoritis, penentuan koordinat airfoil dapat dilakukan dengan melakukan langkah langkah berikut ini:

1. menentukan panjang chord(c), ketebalan maksimum(camber = m), posisi camber maksimum dari sisi bagian depan ( p) dan ketebalan maksimum (t)

4 4 15

Camber maksimum dari airfoil

tersebut (dalam persen) dari panjang chord = 4% x panjang chord

Posisi camber dari ‘kepala’

airfoil tersebut (dalam persepuluh) dari panjang chord

= 4

10 x panjang chord

Ketebalan maksimum airfoil

dari panjang chord (dalam persen)

= 15% x panjang chord Sisi depan

Sisi belakang Garis chord

Ketebalan Garis bagi sisi atas

dan sisi bawah

2. mentukan nilai dari x = 0 sampai x = c.

3. menentukan koordinat garis bagi antara sisi atas dan sisi bawah dengan menggunakan persamaan berikut ini:

�_� = �

�2 ( 2.�.� − �

2 _{) (2.16)} �������= 0 �������= �

�� = _(1−��₎2 [( 1−2� ) + 2.�.� − �

2 _{] (2.17)}

�������=��������= �

4. menghitung distribusi ketebalan diatas garis bagi antara sisi atas dan sisi bawah dengan memasukkan kooerdinat sepanjang sumbu x dengan rumus berikut ini:

±�_� = �

0.2 ( 0.2969√� − 0.126 � −0.3516 �

2_{+ 0.2843 �}3_{−0.1015 �}4 _(2.18)

5. langkah terakhir adalah menentukan koordinat airfoil dengan sisi atas(xa,ya) dan sisi bawah (xb,yb) ddengan rumus berikut:

�� = � − ��. sin� (2.19)

�� = �� + ��. cos� (2.20)

�� =�+ ��. cos� (2.21)

�� = ��− ��. cos� (2.22)

dimana �= arctan����

�� � (2.23)

Selain cara diatas , untuk mendapatkan koordinat airfoil yang lebih praktis dapat langsung diunduh di situs pendidikan milik Universitas Illinois yang menyediakan berbagai macam koordinat airfoil .

Gambar 2.23 Tampilan situs pendidikan milik Universitas Illinois (Sumber :

2.6.4 Gaya aerodinamis yang terjadi pada turbin angin

Turbin angin merupakan mesin yang mengekstrak energi dengan memanfaatkan prinsip aerodinamis dari gaya lift dan gaya drag. Gaya lift dan gaya drag ini lah yang menggerakkan sudu turbin yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi rotasi. Energi rotasi ini lah yang akan digunakan turbin angin untuk membuat rotor berputar.

Gaya lift dan gaya drag diukur secara eksperimental di wind tunnel untuk setiap airfoil sebagai fungsi sudut serang (angle of attack ), α. Su d ut serang

merupakan sudut antara garis chord airfoil dengan arah kecepatan angin relatif. Tujuan dari perancangan sudu turbin angin adalah untuk memaksimalkan gaya

lift pada sudu dan mengurangi gaya drag pada sudu. Penjelasan tentang sudut serang, gaya lift dan gaya drag ditunjukkan oleh gambar berikut.

Gambar 2.24 Gaya aerodinamis yang terjadi pada sudu turbin (Sumber : Anderson, 2001)

Besarnya gaya angkat dan gaya drag sama dengan persamaan berikut ini

�� = ��.1₂.� .�2. ( �.�) .� (2.24) �� = ��.1₂.� .�2. ( �.�) .� (2.25)

dimana CL adalah koefisien lift , CD adalah koefisien gaya drag , ρ adalah massa jenis udara , w adalah kecepatan angin relative , R adalah panjang sudu(jari jari kincir) c adalah panjang chord sudu dan B adalah jumlah sudu.

2.7 Computational Fluid Dynamics

2.7.1 Pengertian CFD

CFD merupakan singkatan dari Computational fluid dynamics(CFD) yang berarti perhitungan dinamika fluida. CFD merupakan salah satu cabang dari

mekanika fluida. CFD merupakan seperangkat cara untuk menganalisa dinamika fluida yang terjadi pada suatu benda termasuk aliran udara, perpindahan panas, dan fenomena lain yang terkait seperti reaksi kimia berdasarkan simulasi komputer.

Penggunaan CFD dalam penelitian ini adalah untuk menguji beberapa tipe

airfoil secara 2D untuk diketahui besarnya koefisien lift dan koefisien drag yang dimiliki oleh suatu airfoil untuk selanjutnya melakukan simulasi turbin angin dengan memilih sudut pitch yang lebih mampu mengekstrak energi angin.

CFD memungkinkan para peneliti untuk menganalisa berbagai jenis bentuk, khususnya airfoil untuk mendapatkan perbandingan koefisien lift dan koefisien drag yang maksimal dengan cara yang optimal dengan bantuan komputer. Pemakaian terowongan angin yang besar dan mahal bisa digantikan hanya dengan menggunakan seperangkat komputer.

2.7.2 CFD dan Airfoil

Airfoil merupakan suatu bentuk geometri yang umum digunakan dalam bidang penerbangan. Airfoil bekerja berdasarkan prinsip Bernoulli yang berkaitan antara kecepatan dan tekanan. Sejarah mencatat proses penemuan pesawat terbang oleh Wright bersaudara tidak terlepas oleh penelitian tentang airfoil. Penggunaan mesin pesawat sebagai penggerak utamanya belum mampu untuk membuat pesawat untuk bisa terbang. Beragam bentuk airfoil telah diuji oleh mereka sampai akhirnya didapatkan bentuk airfoil yang maksimal[4].

Pengujian yang dilakukan oleh mereka dilakukan dengan bantuan terowongan angin hasil buatan mereka sendiri dengan mesin penggerak yang berbahan bakar bensin. Berikut ini ditampilkan foto terowongan angin yang dibuat oleh kedua orang tersebut yang memiliki dimensi panjang 6 kaki dengan luas penampang 16 inchi2.

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

(Sumber :

CFD memungkinkan untuk digunakan oleh peneliti sebagai pengganti terowongan angin dengan cara memodelkan bentuk sesuai aslinya dan dilakukan analisa secara numerik. Penggunaan supercomputer dengan spesifikasi tinggi mampu mengerjakan pemodelan hampir sesuai dengan bentuk aslinya dengan ukuran yang relatif besar.

Analisis airfoil dapat dilakukan secara teoritis ,secara eksperimental maupun dengan bantuan CFD. Penggunaan salah satu metode tersebut bisa berdiri sendiri atau juga mengkombinasikan antar metode tersebut untuk menganalisa masalah tentang aerodinamis. Gambaran antar metode tersebut digambarkan sebagai berikut .

Gambar 2.26 Metode yang sering digunakan dalam menganalisa aerodinamis (Sumber : Anderson, 2001)

Eksperimen

teori

2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida

Persamaan pembentuk aliran fluida dikenal dengan istilah governing equations. Untuk dapat membangun persamaan aliran fluida ini, maka fluida harus dibagi atas sejumlah elemen elemen kecil yang pergerakkannya harus memenuhi hukum hukum fisika[3]

Hukum hukum fisika yang menjelaskan aliran fluida dan distribusi temperature ada 3 yaitu:

1. Hukum kelestarian massa 2. Hukum kelestarian momentum 3. Hukum kelestarian energi

Penjelasan dari masing masing hukum ini akan diuraikan sebaga berikut: 1. Hukum kelestarian massa

Pada prinsipnya fluida dan aliran fluida dapat dianggap tersusun atas elemen elemen kecil. Misalkan dari fluida,satu elemen yang ukurannya δx dan δy (pada kasus 2 dimensi δz = 1) diambil untuk dianalisis dan ditampilkan pada gambar 2.27. Jika massa jenis fluida adalah ρ(kg/m3) dan kecepatan fluida sejajar sumbu-x adalah u, maka massa fluida yang masuk pada permukaan elemen disebelah kiri dapat dituliskan: ρuδy. Sementara yang keluar dari permukaan kanan menjadi: (ρu + (�ρu/�x) δy . Hal yang sama juga dapat dibuat untuk permukaan sebelah bawah dan atas elemen. Selengkapnya ditunjukkan pada gambar 2.27

Gambar 2.27 Kelestarian massa pada elemen dua dimensi (Sumber : Himsar Ambarita, 2011)

�ρ�+ ���

�� .��� ��

�ρ�+ ���

�� .��� �� ρuδy

ρvδx

δy

ρδxδy

Hukum kelestarian massa dapat didefenisikan sebagai berikut : �����_{�����������}��������ℎ��_{������ �}����� = � �����_{�����������}���������_{������}�– � ���������������

������������������ Hukum ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

��

�� = ∑ ��� ̇ − ∑��� �̇ (2.26)

Jika masing masing dijabarkan menurut symbol yang ditampilkan pada gambar, maka akan didapat:

�

��(�����) = (����+ ����)

– ( �ρ�+ ���

�� .��� �� + �ρ�+ ���

�� .��� �� ) (2.27)

Penyederhanaan persamaan ini akan menjadi :

�� �� +

�(��)

�� + �(��)

�� = 0 (2.28)

Persamaan ini masih dapat disederhanakan lagi dengan menggunakan asumsi. Asumsi pertama adalah kondisi aliran yang dibahas apakah steadi atau transien. Jika aliran masih berubah terhadap perubahan waktu akan disebut sebagai aliran transien sementara jika sudah tidak berubah lagi akan disebut sebagai aliran steadi. Dengan kata lain parameter tidak berubah lagi terhadap waktu, ��

�� = 0 . Asumsi berikutnya yang biasa digunakan adalah fluida

inkompressibel yaitu massa jenisnya tidak berubah didalam fluida. Untuk kasus steadi dan incompressible, persamaan ini akan menjadi :

�� �� +

��

�� = 0 (2.29)

2. Hukum kelestarian momentum

Hukum ini sering juga disebut dengan hukum kedua newton dan untuk kasus 2 dimensi harus dijabarkan pada masing masing sumbu-x dan sumbu –y. Hukum kedua Newton pada arah sumbu-x dapat dituliskan dengan persamaan:

∑ �� =�.�� (2.30)

dimana �_� dan �_� masing masing adalah resultan gaya gaya dan percepatan yang sejajar sumbu x. Untuk kasus dua dimensi, gaya gaya yang terdapat pada eleemn fluida antara lain akibat tegangan normal, tegangan geser, tekanan dan gaya badan(body force), ditampilkan pada gambar 2. 28.

Gambar 2.28 Komponen gaya sejajar sumbu-x pada elemen 2 dimensi (Sumber : Himsar Ambarita, 2011)

Dengan mensubstitusi semua gaya pada gambar dan menggunakan defenisi percepatan �= ��

�� , persamaan (2.30) dapat dijabarkan menjadi: �� − ��+��

������ ��+ ���+ ���

�� �� − ��� �� +

���� + ��_���� �� − ���� + ������� = ���_�� (2.31)

Persamaan ini dapat disederhanakan lagi dan massa dapat diganti dengan persamaan ����� , dan hasilnya adalah:

���_�� = −��

�� + ���

�� + ����

�� + ��� (2.32)

Untuk fluida Newtonian , persamaan (11) dapat disederhanakan menjadi:

��� �� + ���� �� + ���� �� = − �� �� + �(

�2_�

��2+

�2_�

��2) (2.33)

Jika fluida yang dianalisis dalam kondisi steadi dan sifat fisik konstan, persamaan momentum ini dapat ditulis lebih sederhana lagi:

σxδy pδy

( τyx + �τ��

�� δ�)δx

(p + ��

�� ��)δy

(σx + ���

�� ��)δy

τyxδx δy δx fx x y

���_�� +��� �� = − 1 � �� �� + � �(

�2_�

��2+

�2_�

��2) (2.34)

Dan dengan cara yang sama untuk sumbu y, dapat diturunkan dan hasilnya adalah:

���_��+�_���� = −_�1 ��_�� + _��(�_��2�₂+ �_��2�₂) (2.35)

Pada persamaan ini , p adalah tekanan , µ adalah viskositas dinamik (Biasanya disebut hanya viskositas).

3. Hukum kelestarian energi

Defenisi hukum kelestarian energi dituliskan sebagai berikut: �����������ℎ��_{�����������}������_{������}������ = �����������ℎ����������

��������� �+ ������������������������������ Bentuk matematis dari hukum kelestarian energi ditunjukkan sebagai berikut :

�̇ = �̇+ �̇ (2.36)

Dimana �̇disebut laju perubahan energi , �̇adalah selisih laju perpindahan panas , dan �̇ adalah kerja . Komponen komponen kerja dan panas pada satu elemen fluida ditampilkan pada gambar berikut ini.

Gambar 2.29 Komponen kerja dan panas pada sebuah elemen (Sumber : Himsar Ambarita, 2011)

Pada gambar , hanya gaya gaya sejajar sumbu x yang digambarkan . Gaya gaya tersebut adalah : tekanan(p) , tegangan normal(σ) , tegangan geser (τ) dan

upδy x y ufx δx δy uσxxδy (�̇_�+ ��̇�

�� δ�)δx

(up+ ���

�� ��)δy

(uσxx + ���

�� ��)δy

uτyxδx _�̇

�δx

�̇�δy (�̇_� + ∂q̇x

∂x δx )��

(uτyx + �τ��

gaya badan/body force(fx). Dengan cara yang sama, gaya gaya yang sejajar sumbu y dapat digambarkan. Tetapi untuk menyederhanakan penampilan, gaya gaya ini tidak digambarkan. Sementara, semua aliran perpindahan panas yang sejajar sumbu x dan sumbu y digmbarkan secara lengkap pada gambar tersebut.

Dengan menggunakan defenisi bahwa laju kerja adalah gaya dikalikan dengan kecepatan , �̇_� = ∑ �_�� , maka akan didapat:

�̇� = ��� −(��+���_�� ��)� ��+ ����� + �� �_���� �� − ����� ��+

����� + �� �_���� �� − ����� ��+�������� (2.37)

Volume dari elemen tersebut dapat dirumuskan dengan �= ���� . Jika dioperasikan dan disederhanakan , akan didapat:

�̇� = �−�(_����)+ �(��_����)+�

(��_��)

�� +����� �� (2.38a)

Dengan cara yang sama , laju kerja oleh gaya gaya yang sejajar dengan sumbu y dapat dirumuskan dengan:

�̇� = �−�(_����)+ �(��_����)+���_���� +���� � �� (2.38b)

Langkah selanjutnya adalah mendefenisikan aliran panas pada masing masing permukaan elemen. Ada dua sumber panas yang mungkin pada elemen fluida, yaitu pertama, panas yang dibangkitkan di dalam elemen, misalnya jika ada pemanas listrik atau reaksi kimia di dalam elemen dan kedua perpindahan panas akibat konduksi dari masing masing permukaan. Jika dijabarkan, maka akan didapat:

�̇ =���̇ − (��̇�

�� + ��̇�

�� )� ���� (2.39)

Perpindahan panas konduksi di permukaan dapat dijabarkan dengan menggunakan persamaan Fourier. Untuk masing masing sumbu adalah: �̇_� =

−���/�� dan �̇_� = −���/��. Dengan menggunakan defenisi ini, persamaan (2.39) menjadi: �̇ =���̇ − (� ���� �� ���+ � ���� ��

Komponen terakhir dari persamaan (2.36) yang harus dijabarkan adalah perubahan energi didalam elemen atau �̇. Energi disini adalah penjumlahan energi dalam dan energi kinetik. Menurut Termodinamika, energi dalam elemen adalah penjumlahan energi kinetik translasi ditambah rotasi dan energi listrik dari molekul molekulnya. Pada tulisan ini, semua komponen energi dalam diwakili oleh i dan energi akibat kecepatan diwakili oleh V2/2 dimana V2 = u2 + v2 . Maka energi dalam dapat dirumuskan menjadi:

�̇ = � �

����+ �2

2� ���� (2.41)

Dengan menggabungkan semua komponen enrgi ini dan defenisi energi dalam fluida dapat dinyatakan dengan i = CT, maka persamaan energi atau persamaan(15) dapat disederhanakan menjadi

���� �� + ����� �� + ����� �� = � ��� �� �� + � �� � �� ��

+ ��̇ − �(∇.�) + �Φ (2.42)

Dimana C(J/kgK) adalah panas jenis fluida yang dibahas dan Φ adalah fungsi disipasi , yang dirumuskan dengan persamaan:

Φ = 2_��∂u

∂x� 2

+�∂_∂v

y� 2

�+ �∂_∂u

x+

∂v

∂y � 2

(2.43)

Persamaan (2.41) masih berlaku umum dan dapat disederhanakan dengan menggunakan beberapa asumsi. Misalnya asumsi yang umum digunakan adalah aliran yang terjadi steadi, tidak ada sumber panas, pengaruh disipasi dan kerja akibat tekanan diabaikan dan sifat fisik konstan, maka persamaan energi akan menjadi sangat sederhana:

�_����+ ���_�� = _��� �_���2�₂+�_��2�₂� (2.44)

Persamaan inilah yang sering dipakai untuk mendapatkan distribusi temperatur pada aliran fluida .Dari semua persamaan pembentuk ini, persamaan (2.29), persamaan (2.34), persamaan (2.35) dan persamaan (2.43) inilah yang disebut governing equations.

2.9 Model aliran turbulen yang terdapat di CFD

Aliran turbulen, biasa juga disebut aliran chaos,adalah aliran yang sudah diikuti oleh gerakan acak dari molekul fluida[3]. Pemodelan aliran turbulen merupakan cara yang dilakukan untuk menyelesaikan masalah beragam jenis aliran fluida secara numerik, biasanya dilakukan oleh software CFD. Untuk kebanyakan kasus engineering, penyelesaian fluktuasi dari aliran turbulen secara rinci tidak diperlukan melainkan hanya efek dari turbulensi yang akan diperhitungkan[15].

Secara garis besar, model turbulen dapat didekati dengan menggunakan dua pendekatan,yaitu:

a.Berdasarkan Reynold averaged-Navier stokes (RANS)

Cara ini merupakan model klasik

b.Berdasarkan Large Eddy simulation(LES)

Tabel 2.1 Model penyelesaian aliran turbulen

Model klasik Berdasarkan persamaan Reynold(time averaged) 1. Zero equatuion model – mixing length model 2. one equation model- spallart allmaras

3. two-equation model – k-ε 4. Reynold stress equation model 5. algebratic stress model

Large Eddy simulation Base on space-filtered equations

Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan yang berfluktuasi. Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi, konsentrasi partikel sehingga besaran tersebut juga ikut berfluktuasi. Fluktuasi tersebut dapat terjadi pada skala kecil dan mempunyai frekuensi yang tinggi sehingga terlalu rumit untuk dihitung secara langsung pada perhitungan rekayasa praktis (practical engineering). Oleh karena itu, persamaan yang berhubungan dapat dirata ratakan(time averaged,ensemble averaged) atau dimanipulasi untuk menghilangkan fluktuasi skala kecil.

Beberapa penjelasan[14] dari model turbulen dijelaskan sebagi berikut: - Model Spallart Allmaras merupakan model turbulensi dengan satu persamaan yang menyelesaikan model persamaan transport untuk viskositas kinematik turbulen. Model ini sengaja dibuat untuk aplikasi di bidang penerbangan.

- Model k-ε merupakan model dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan turbulen(turbulent velocity) dan skala panjang (length scale). Model ini merupakan model yang sering digunakan untuk simulasi aliran fluida dan perpindahan panas.

- Model Reynold stress merupakan model turbulensi yang paling teliti pada Fluent. Model ini mendekati persamaan Navier stokes(Reynold averaged) dengan menyelesaikan persamaan transport untuk tegangan Reynold bersama sama dengan persamaan laju disipasi .

- Model Large Eddy simulation merupakan model aliran turbulen yang dicirikan dengan adanya vortex/eddies dengan berbagai skala panjang dan waktu.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1Waktu dan Tempat

Pengujian secara CFD dilakukan di Laboratorium Teknik Pendingin, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara dari Juli 2013 sampai Januari 2014.

3.2Identifikasi Masalah

Penelitian ini memiliki fokus perhatian diantaranya:

- Metode simulasi airfoil yang dilakukan apakah sudah benar dengan membandingkan data yang telah dilakukan secara eksperimen.

- Membandingkan hasil simulasi turbin angin menggunakan beberapa variasi yaitu panjang chord dan tip speed ratio terhadap hasil eksperimen.

3.3Variabel Penelitian

Pada penelitian ini ditentukan dua buah variable penelitian,yakni variable terikat dan variable bebas.

3.3.1 Variabel Terikat

Untuk menyederhanakan permasalahan dalam aliran fluida , maka dalam penelitian ini di tetapkan variable terikat yakni:

1. Sudut serang airfoil

2. Panjang chord 3. Tip speed ratio

3.3.2 Variabel Bebas

Variable bebas pada penelitian ini merupakan pengaruh yang diakbiatkan oleh adanya variabel terikat dan ditetapkan dalam tiga hal yakni:

1. Koefisien gaya angkat. 2. Koefisien gaya hambat.

3.4Urutan Proses Analisa

Untuk melakukan perhitungan performansi turbin angin ini maka dibuat urutan proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik yang meliputi:

1. Pengumpulan Data Awal

Data data yang dikumpulkan merupakan gambaran umum berupa latar belakang dan ide yang berhubungan dengan turbin angin. Permasalahan dan pemecahan masalah yang telah dilakukan para peneliti yang berhasil dikumpulkan dipelajari untuk menentukan langkah langkah yang dapat dilakukan. Berdasarkan hal tersebut, penulis menetapkan latar belakang dan tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini.

2. Studi Literatur

Penulis melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan dari buku buku , jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis pengerjaan simulasi.

3. Simulasi dengan secara CFD

Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu menginput data ke komputer, melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing, dan akhirnya mensimulasikan. Software yang digunakan pada masing masing tahapan yaitu notepad, Ms. Excel, Gambit, Solidwork dan Fluent.

4. Pembahasan Hasil

Pembahasan hasil dilakukan dengan melihat hasil yang didapat setelah dilakukan simulasi berupa kontur kecepatan, tekanan, koefisien gaya lift dan koefisien gaya drag. Hasil yang didapat lalu ditampilkan berupa grafik dengan membandingkan dengan data experiment.

5. Penarikan kesimpulan

Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya.

3.5 Diagram Alir Penelitian

Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian. Ya

A Tidak

MULAI

Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian

STUDI

AWAL: Studi literatur

PENGUMPULAN DATA - Data airfoil - Data eksperimen

PENGOLAHAN DATA : Input data

Komputasi data

ANALISA DATA

KESIMPULAN

3.6Peralatan Pengujian

Peralatan pengujian merupakan seperangkat komputer yang telah terinstal

software yang berkaitan dengan spesifikasi komputer sebagai berikut:

- Processor : Intel Celeron

- RAM : 2 Gb

- Software : Gambit 2.4.6, Solidwork 2010 dan Fluent 6.3.26

- VGA : Intel HD 1 Gb plus shared

- Operating system : Win7 32 bit 3.7Langkah langkah Pengujian

3.7.1 Pengujian airfoil secara 2D

Airfoil yang dipilih merupakan airfoil NACA tipe 4415 yang diunduh dari situs milik Universitas Illinois. Penampang dari airfoil ini ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 3.2. Geometri airfoil NACA 4415

Alasan pemilihan airfoil NACA 4415 untuk disimulasi adalah sebagai berikut:

- seri 44xx merupakan tipe airfoil yang sering digunakan untuk turbin

angin dan disebut juga laminar airfoil.

- memiliki gaya drag yang kecil pada besar sudut serang tertentu. - Tidak terlalu terpengaruh oleh kekasaran pada permukaannya(surface

Langkah langkah dalam melakukan simulasi dibagi kedalam dua tahap yaitu pemodelan geometri di software Gambit dan Solidwork 2010 dan yang kedua melakukan simulasi CFD di Fluent.

3.7.1.1 Pemodelan geometri

1. Input koordinat geometri airfoil

Koordinat geometri yang telah diunduh dari situs resmi milik Universitas Illinois berupa file notepad yang tersusun atas 2 kolom. Kolom ini mewakili sumbu x dan sumbu y. Untuk dapat diinput ke software Gambit, diperlukan koordinat untuk sumbu z. Langkah yang dilakukan adalah meng copy file yang ada di notepad ke Ms. Excell. Proses pengubahan file ini ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 3.3 Koordinat asli NACA 4415 sebelum diubah

Pada gambar diatas terlihat file asli yang belum memiliki koordinat dalam arah sumbu z. Pada gambar yang bawah setelah dilakukan pengubahan dengan tambahan koordinat dalam arah sumbu z. Setelah penambahan sumbu z, langkah selanjutnya adalah menambahkan angka yang ditunjukkan oleh garis biru dan garis merah. Garis biru menunjukkan titik koordinat keseluruhan setelah dibagi dua. Angka 2 yang ditunjukkan oleh garis merah merupakan jumlah garis pada

airfoil yang terdiri atas garis atas dan garis bawah. Kedua garis ini diperlukan untuk membentuk dinding atas dan dinding bawah pada bagian atas dan bagian bawah airfoil.

Setelah selesai di Ms. Excel, langkah selanjutnya adalah meng copy nya kembali kedalam file notepad untuk selanjutnya disimpan dengan format .dat .

File ini lah yang akan dibuka di Gambit .

2. Pembentukan Geometri airfoil

Langkah kedua adalah membentuk geometri dengan software Gambit . Tahapan yang dilakukan adalah menginput koordinat airfoil . Proses simulasi

airfoil ini dilakukan seperti di terowongan angin . hanya saja terowongan angin digantikan oleh bentuk simulasi dalam bentuk CFD .

Langkah berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana airfoil itni diletakkan . Tahapan langkah-langkah ini ditampilkan sebagai berikut .

Gambar 3.5 Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit

Gambar 3.6 Geometri airfoil dan lingkungannya

c merupakan panjang chord airfoil yaitu jarak antara leading edge(depan) dan

trailing edge(belakang) . Airfoil

12.5 c

20 c R

Lampiran 2 Profil aliran dan potensi kecepatan angin di Indonesia

-

29 Desember 2013

Lampiran 3 Data kecepatan angin rata rata tahunan pada beberapa daerah di

indonesia diukur pada ketinggian 50 m

Lampiran 4 Koordinat airfoil NACA 4415

Sumber :

x

y

z

x

y

z

x

y

z

1 0 0 0.22221 0.10584 0 0.30866 -0.037 0

0.99893 0.00039 0 0.19562 0.1019 0 0.33928 -0.03547 0

0.99572 0.00156 0 0.17033 0.09726 0 0.37059 -0.0339 0

0.99039 0.00349 0 0.14645 0.09195 0 0.40245 -0.03229 0

0.98296 0.0061 0 0.12408 0.08607 0 0.43474 -0.03063 0

0.97347 0.00932 0 0.10332 0.0797 0 0.4673 -0.02891 0

0.96194 0.01303 0 0.08427 0.07283 0 0.5 -0.02713 0

0.94844 0.01716 0 0.06699 0.06541 0 0.5327 -0.02529 0

0.93301 0.02166 0 0.05156 0.05753 0 0.56526 -0.0234 0

0.91573 0.02652 0 0.03806 0.04937 0 0.59755 -0.02149 0

0.89668 0.03171 0 0.02653 0.04118 0 0.62941 -0.01958 0

0.87592 0.03717 0 0.01704 0.03303 0 0.66072 -0.01772 0

0.85355 0.04283 0 0.00961 0.02489 0 0.69134 -0.01596 0

0.82967 0.04863 0 0.00428 0.01654 0 0.72114 -0.0143 0

0.80438 0.05453 0 0.00107 0.00825 0 0.75 -0.01277 0

0.77779 0.06048 0 0 0.00075 0 0.77779 -0.01136 0

0.75 0.06642 0 0.00107 -0.00566 0 0.80438 -0.01006 0

0.72114 0.07227 0 0.00428 -0.01102 0 0.82967 -0.00886 0

0.69134 0.07795 0 0.00961 -0.0159 0 0.85355 -0.00775 0

0.66072 0.08341 0 0.01704 -0.02061 0 0.87592 -0.00674 0

0.62941 0.08858 0 0.02653 -0.02502 0 0.89668 -0.00583 0

0.59755 0.09341 0 0.03806 -0.02915 0 0.91573 -0.00502 0

0.56526 0.09785 0 0.05156 -0.03281 0 0.93301 -0.00431 0

0.5327 0.10185 0 0.06699 -0.03582 0 0.94844 -0.00364 0

0.5 0.10538 0 0.08427 -0.03817 0 0.96194 -0.00297 0

0.4673 0.10837 0 0.10332 -0.03991 0 0.97347 -0.00227 0

0.43474 0.11076 0 0.12408 -0.04106 0 0.98296 -0.00156 0

0.40245 0.11248 0 0.14645 -0.04166 0 0.99039 -0.00092 0

0.37059 0.11345 0 0.17033 -0.04177 0 0.99572 -0.00042 0

0.33928 0.11361 0 0.19562 -0.04147 0 0.99893 -0.00011 0

0.30866 0.11294 0 0.22221 -0.04078 0 1 0 0

0.27886 0.11141 0 0.25 -0.03974 0

Lampiran 5 Sifat- sifat udara pada tekanan atmosfer antara 250 hingga 1000 K

Lampiran 6 Kontur aliran udara turbin angin hasil simulasi

Kontur aliran udara turbin angin dengan panjang chord 30 cm dan TSR 0,5

Kontur aliran udara turbin angin dengan panjang chord 60 cm dan TSR 0,5