Uji Performansi Turbin Angin Sebagai Penggerak Aerator Di Tambak Udang
Uji Performansi Turbin Angin Sebagai Penggerak Aerator Di Tambak Udang
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Rijal Bintang Sitorus NIM. 090401062
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 09 0401 062
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke680 Tanggal 22 Februari 2014
Disetujui Oleh:
Pembimbing Tulus Burhanuddin Sitorus, ST MT
NIP. 197209232000121003
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 09 0401 062
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke680 Tanggal 22 Februari 2014
Dosen Pembanding I
Disetujui Oleh: Dosen Pembanding II
Ir. Mulfi Hazwi, MSc NIP. 194910121981031002
Ir. A. Halim Nasution, MSc NIP. 195403201981021001
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 090401062
Diketahui / Disahkan Ketua Departemen Teknik Mesin
Disetujui Dosen Pembimbing,
DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1972 0923 2000 121003
Universitas Sumatera Utara
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN
AGENDA
: 2118/TS/2013
DITERIMA TGL : 24-07-2013
PARAF
:
TUGAS SARJANA
NAMA NIM MATA PELAJARAN SPESIFIKASI
: RIJAL BINTANG SITORUS : 090401062 : ENERGI ANGIN : Uji performansi turbin angin sebagai
penggerak aerator di tambak udang.Lakukan survei lapangan dan survei literatur sebagai pendukung data-data lain yang dibutuhkan dapat diperoleh dari literatur dan internet.
DIBERIKAN TANGGAL: 24-07-2013 SELESAI TANGGAL :
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN,
Medan, 1 Februari2014 DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1972 0923 2000 121003
Universitas Sumatera Utara
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapakan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan damai sejahtera - Nya yang selalu menyertai penulis hingga akhirnya dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG”.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata - 1 (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU).
Dalam menyelesaikan skripsi ini ada banyak hambatan dan tantangan yang penulis alami, namun berkat bantuan, motivasi, semangat, dan doa dari berbagai pihak akhirnya penulis dapat mengatasi dan melewati setiap hambatan dan tantangan itu. Untuk semua itu, pada kesempatan ini penulis dengan hati tulus mengucapkan terimakasih kepada :
1. Kedua orang tua penulis, Bapak M. Sitorus dan Ibu R. Butarbutar atas segala doa, kasih sayang, bantuan, nasehat dan motivasi yang diberikan.
2. Bapak Tulus B. Sitorus, ST,MT selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan ilmu, bimbingan dan motivasi kepada penulis
3. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha yang telah membantu membimbing penulis dalam segala keperluan dalam perkuliahan
6. Seluruh kawan – kawan stambuk 2009 dan secara khusus kepada kawan – kawan Tim Angin yaitu Indro Pramono, Rohim dan Wahyu Hamdani atas setiap kerjasama, dukungan dan motivasinya selama menyelesaikan skripsi ini
7. Seluruh adik –adik stambuk Teknik Mesin USU, secara khusus kepada Tim Magang Asistant Lab Proses Produksi yang membantu dalam pengerjaan skripsi ini
8. Kepada seluruh teman – teman Anggota Biasa dan Pengurus IMPERATIF yang selalu memberikan dukungan, semangat dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini
9. Kepada semua pihak yang tidak bisa penulis ucapkan namanya satu per satu yang telah banyak memberikan bantuan dan semangat dalam menyelesaikan skripsi ini
Universitas Sumatera Utara
ii Penulis telah berusaha memberikan usaha yang terbaik dalam skripsi ini, namun keterbatasan kemampuan masih ada kekurangan dan kesalahan dalam penulisannya. Oleh karena itu, penulis dengan setiap kerendahan hati menerima setiap kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan skripsi ini menjadi lebih baik. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Februari 2014 Rijal Bintang Sitorus
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
iii
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang telah memanfaatkan angin sebagai sumber energinya. Untuk itu perlu mengembangkan teknologi turbin angin sumbu vertikal yang tidak dipengaruhi perubahan arah datangnya angin.
Penelitian ini menggunakan model turbin angin sumbu vertikal Darrieus Tipe-H dengan profil sudu NACA 0018,panjang chord (C) 0,4 m, sudut pitch 60 dan jumlah sudu 3 buah. Dimensi turbin angin yaitu diameter (D) 2 m,tinggi (H) 1,5 m dan massa sudu 1,5 kg.Ada 2 buah aerator yang digunakan dalam penelitian ini dengan massa aerator 1,5 kg. Pengujian turbin angin dilakukan pada variasi kecepatan angin yang berasal dari sebuah kipas yaitu 2,2 m/s, 2,6 m/s 3 m/s ; 3,2 m/s, 4 m/s dengan dibebani aerator dan tidak dibebani aerator. Pengujian juga dilakukan di tambak udang dengan kecepatan angin rata-rata 3 m/s. Dari hasil pengujian diperoleh putaran turbin pada saat tidak dibebani aerator dengan variasi kecepatan angin yaitu 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm dan putaran turbin setelah dibebani aerator yaitu 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. Ketika turbin diuji di tambak udang menghasilkan putaran 80 rpm dengan dipasang aerator. Sehingga diperoleh daya turbin secara teori untuk memutar aerator di tambak udang sebesar 7,68 Watt dengan 1 buah aerator terpasang pada kedalaman aerator 2,5 cm dibawah permukaan air.
Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, NACA 0018, sudut pitch, variasi kecepatan angin
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
iv
The geographical location Indonesia as a tropical country causing wind characteristics in Indonesia is very different from the characteristics of the wind in the developed countries that have made use of wind as an energy source. It is necessary to develop a vertical axis wind turbine technology is not influenced by changes in the direction of the wind.
This research use a model of vertical axis wind turbine Darrieus-type H with a blade profile NACA 0018, chord length (C) 0.4 m, the pitch angle of the blade 60 and the amount of 3 pieces. The dimensions of the wind turbine is the diameter (D) 2 m, height (H) of 1.5 m and a mass of 1.5 kg blade. There are 2 pieces of aerators used in this research with a mass of 1.5 kg aerator. Tests carried out on variations of the wind turbine wind speed derived from a fan that is 2.2 m / s, 2.6 m / s 3 m / s, 3.2 m / s, 4 m / s with and not loaded aerator. Testing was also conducted in shrimp ponds with an average wind speed of 3 m / s. From the test results obtained during the turbine wheel aerators are not loaded with the variation of the wind speed is 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm and turbine rotation aerators are loaded after 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. When the turbine was tested in shrimp farms produce 80 rpm rotation with aerator installed. In order to obtain the power to rotate the turbine is theoretically aerator in the shrimp ponds at 7.68 Watt with 1 piece aerator aerator installed at a depth of 2.5 cm below the water surface.
Keywords: H-Darrieus wind turbine, NACA 0018, pitch angle, wind speed variation
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................. i ABSTRAK .................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................. iv DAFTAR ISI ................................................................................................ v DAFTAR TABEL ........................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR .................................................................................... viii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... x BAB I PENDAHULUAN .................................................................... 1
1.1 Latar Belakang .......................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah .................................................................. 2 1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................... 3 1.4 Batasan Masalah ........................................................................ 3 1.5 Sistematika Penulisan ................................................................ 3
BAB II 2.1
2.2
2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
TINJAUAN PUSTAKA .......................................................... Energi Angin ............................................................................. 2.1.1 Kondisi Angin ............................................................... Turbin Angin ............................................................................. 2.2.1 Jenis-jenis turbin angin ................................................... Teori momentum elementer Betz .............................................. Tip speed ratio ......................................................................... Airfoil ........................................................................................ Bilangan Reynolds .................................................................... Sudut serang (angle of attack ) dan sudut pitch .......................... Gaya aerodinamik pada turbin angin Darrieus - H....................... Fenomena Stall ………………………........................................
5 5 6 9 10 14 20 21 22 23 25 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .............................................. 28 3.1 Tempat Penelitian ...................................................................... 28 3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian .......................................... 28
3.3 3.4
3.5
3.6 BAB IV
4.1 4.2
3.2.1 Objek penelitian ............................................................. 3.2.2 Alat penelitian ................................................................ Skema pengujian ........................................................................ Prosedur penelitian..................................................................... 3.4.1 Metode pengumpulan data .............................................. 3.4.2 Pengamatan data pengujian ............................................. 3.4.3 Metode pengolahan data ................................................. Pelakasanaan penelitian ............................................................. 3.5.1 Tahap persiapan ............................................................. 3.5.2 Tahap pengujian dan pengmbilan data ............................ Diagram alir penelitian .............................................................. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................. Hasil Pengujian ......................................................................... Analisa Data .............................................................................. 4.2.1 Daya Angin ....................................................................
28 31 33 34 34 34 34 34 34 35 36 37 37 38 38
Universitas Sumatera Utara
vi 4.2.2 Tip speed ratio ............................................................... 40 4.2.3 Perhitungan sudut serang turbin ( α )............................... 42 4.2.4 Perhitungan gaya- gaya yang terjadi pada sudu turbin .... 43 4.2.5 Perhitungan Torsi dan Daya Turbin ................................ 45 4.3 Hasil Pengujian di Tambak Udang ............................................ 53 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................. 5.1 Kesimpulan ................................................................................ 58 5.2 Saran .......................................................................................... 59 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………….. xi LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kondisi Angin ............................................................................ 7 Tabel 2.2 Tipe Turbin Angin dan Kegunaanya ............................................ 9 Tabel 3.1 Spesifikasi Prototipe Turbin Angin ............................................. 29 Tabel 3.2 Spesifikasi Sudu .......................................................................... 30 Tabel 3.3 Spesifikasi Aerator ...................................................................... 31 Tabel 4.1 Hasil Pengujian Turbin Angin Tanpa Aerator .............................. 37 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Turbin Angin Dengan Aerator ............................ 37 Tabel 4.3 Daya Angin dengan Variasi Kecepatan Angin ............................. 39 Tabel 4.4 Data Gabungan Kecepatan Angin, Putaran poros turbin dan
Tip speed ratio…………………………………………………… 41 Tabel 4.5 Tip speed ratio dan Sudut serang ………………………………. 42 Tabel 4.6 Gaya Lift, Gaya Angkat, Gaya Tangensial pada Variasi Kecepatan
Angin …………………………………………………………….. 45 Tabel 4.7 Data Gabungan Putaran Poros Turbin (N),Tip speed ratio (λ),
Sudut serang (α), Koefisien daya (CP), Koefisien lift (CL), Koefisien drag (CD),Torsi (T) dan Daya turbin (PT) Dalam Keadaan Tanpa Aerator ………………………………….. 46 Tabel 4. 8 Data Gabungan Putaran Poros Turbin (N),Tip speed ratio (λ), Sudut serang (α), Koefisien daya (CP), Koefisien lift (CL), Koefisien drag (CD),Torsi (T) dan Daya turbin (PT) Dalam Keadaan Dibebani Aerator………….……………………………. 46
Universitas Sumatera Utara
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Paddlewheel Aerator ............................................................... 2 Gambar 2.1 Prakiraan Angin di Indonesia ................................................. 8 Gambar 2.2 Komponem Turbin Angin ....................................................... 11 Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Horizontal ............................................. 12 Gambar 2.4 Variasi jumlah blade pada HAWT ........................................... 13 Gambar 2.5 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……………………………... .. 14 Gambar 2.6 Pemodelan Aliran dari Teori Momentum Betz …………….. 16 Gambar 2.7 Koefisien Daya terhadap Rasio kecepatan aliran sebelum dan
setelah dikonversi .................................................................... 18 Gambar 2.8 Profil Tekanan dan Kecepatan Angin yang Melalui wind Turbin
jenis propeller sumbu horizontal .............................................. 19 Gambar 2.9 Koefisien Cp dengan Tip speed ratio pada berbagai Jenis Turbin
Angin....................................................................................... 20 Gambar 2.10 Bentuk Airfoil ......................................................................... 21 Gambar 2.11 Nomenklatur Airfoil ............................................................... 22 Gambar 2.12 Tipe Airfoil yang Digunakan Pada Pengujian Perfrmansi Turbin
Angin Darrieus - H ................................................................. 22 Gambar 2.13 Sudu Turbin Pada Kondisi Sudut Serang Rendah, Medium dan
Tinggi ...................................................................................... 23 Gambar 2.14 Arah sudut pitch ..................................................................... 24 Gambar 2.15 Gaya – gaya pada sudu turbin angin Darrieus H ...................... 26 Gambar 2.16 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu
menyebabkan separasi aliran udara .......................................... 27 Gambar 3.1 Assembling turbin angin Darrieus – H ..................................... 28 Gambar 3.2 Prototipe Turbin Angin Darrieus – H ....................................... 29 Gambar 3.3 Profil Sudu NACA 0018 ........................................................ 30 Gambar 3.4 Aerator ................................................................................... 31 Gambar 3.5 Thermo – Anemometer ......................................................... 31 Gambar 3.6 Digital Tachometer ................................................................. 32 Gambar 3.7 Motor Listrik ........................................................................... 36 Gambar 3.8 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 33 Gambar 3.9 Prosedur Penelitian ................................................................. 36 Gambar 4.1 Grafik Kecepatan angin dengan putaran poros turbin ............... 38 Gambar 4.2 Grafik Kecepatan angin vs Daya angin .................................... 40 Gambar 4.3 Grafik putaran turbin terhadap tip speed ratio .......................... 41 Gambar 4.4 Grafik tip speed ratio dan sudut serang .................................... 43 Gambar 4.5 Grafik kecepatan angin terhadap sudut serang turbin .............. 47 Gambar 4.6 Grafik putaran poros turbin terhadap sudut serang turbin ......... 47 Gambar 4.7 Grafik tip speed ratio terhadap sudut serang ............................ 48 Gambar 4.8 Grafik sudut serang terhadap perbandingan koefisien lift dan
koefisien drag ………………………………………………... 48 Gambar 4.9 Grafik sudut serang terhadap torsi ........................................... 49 Gambar 4.10 Grafik putaran poros turbin terhadap torsi ............................... 49 Gambar 4.11 Grafik putaran poros turbin terhadap daya turbin ..................... 50 Gambar 4.12 Sudut serang terhadap daya turbin ........................................... 50
Universitas Sumatera Utara
ix
Gambar 4.13 Grafik tip speed ratio terhadap daya turbin .............................. Gambar 4.14 Grafik sudut serang terhadap koefisien daya ........................... Gambar 4.15 Grafik sudut serang terhadap koefisien lift dan koefisien drag.. Gambar 4.16 Grafik tip speed ratio terhadap koefisien daya ........................
51 51 52 53
Universitas Sumatera Utara
x
Simbol M ̇ 1 2 N
C W B
T
H
R
P
DAFTAR SIMBOL
Arti Energi kinetic Massa udara Kecepatan angin Luas penampang melintang aliran Massa jenis udara Laju aliran massa Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor Koefisien daya Tip speed ratio Jari – jari rotor Bilangan Reynold Putaran poros turbin Panjang chord Kecepatan absolut elemen sudu Viskositas dinamik Perpindahan sudut gerak melingkar Sudut serang (angle of attack) Sudut pitch Koefisien lift Koefisien drag Gaya lift Gaya drag Luas sapuan rotor Torsi Daya turbin Daya angin Jumlah sudu (blade) Temperatur Tinggi turbin Konstanta gas untuk udara Tekanan udara
Satuan Joule / 2 /3 / /s /
/ /2
0
0
0
-
-
N N 2 Nm Watt Watt K M J/(kg.K) Pa
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
iii
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang telah memanfaatkan angin sebagai sumber energinya. Untuk itu perlu mengembangkan teknologi turbin angin sumbu vertikal yang tidak dipengaruhi perubahan arah datangnya angin.
Penelitian ini menggunakan model turbin angin sumbu vertikal Darrieus Tipe-H dengan profil sudu NACA 0018,panjang chord (C) 0,4 m, sudut pitch 60 dan jumlah sudu 3 buah. Dimensi turbin angin yaitu diameter (D) 2 m,tinggi (H) 1,5 m dan massa sudu 1,5 kg.Ada 2 buah aerator yang digunakan dalam penelitian ini dengan massa aerator 1,5 kg. Pengujian turbin angin dilakukan pada variasi kecepatan angin yang berasal dari sebuah kipas yaitu 2,2 m/s, 2,6 m/s 3 m/s ; 3,2 m/s, 4 m/s dengan dibebani aerator dan tidak dibebani aerator. Pengujian juga dilakukan di tambak udang dengan kecepatan angin rata-rata 3 m/s. Dari hasil pengujian diperoleh putaran turbin pada saat tidak dibebani aerator dengan variasi kecepatan angin yaitu 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm dan putaran turbin setelah dibebani aerator yaitu 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. Ketika turbin diuji di tambak udang menghasilkan putaran 80 rpm dengan dipasang aerator. Sehingga diperoleh daya turbin secara teori untuk memutar aerator di tambak udang sebesar 7,68 Watt dengan 1 buah aerator terpasang pada kedalaman aerator 2,5 cm dibawah permukaan air.
Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, NACA 0018, sudut pitch, variasi kecepatan angin
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
iv
The geographical location Indonesia as a tropical country causing wind characteristics in Indonesia is very different from the characteristics of the wind in the developed countries that have made use of wind as an energy source. It is necessary to develop a vertical axis wind turbine technology is not influenced by changes in the direction of the wind.
This research use a model of vertical axis wind turbine Darrieus-type H with a blade profile NACA 0018, chord length (C) 0.4 m, the pitch angle of the blade 60 and the amount of 3 pieces. The dimensions of the wind turbine is the diameter (D) 2 m, height (H) of 1.5 m and a mass of 1.5 kg blade. There are 2 pieces of aerators used in this research with a mass of 1.5 kg aerator. Tests carried out on variations of the wind turbine wind speed derived from a fan that is 2.2 m / s, 2.6 m / s 3 m / s, 3.2 m / s, 4 m / s with and not loaded aerator. Testing was also conducted in shrimp ponds with an average wind speed of 3 m / s. From the test results obtained during the turbine wheel aerators are not loaded with the variation of the wind speed is 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm and turbine rotation aerators are loaded after 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. When the turbine was tested in shrimp farms produce 80 rpm rotation with aerator installed. In order to obtain the power to rotate the turbine is theoretically aerator in the shrimp ponds at 7.68 Watt with 1 piece aerator aerator installed at a depth of 2.5 cm below the water surface.
Keywords: H-Darrieus wind turbine, NACA 0018, pitch angle, wind speed variation
Universitas Sumatera Utara
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Pemanfaatan sumber energi angin di Indonesia masih langka, hal tersebut
dimungkinkan karena pengaruh teknologi atau pengetahuan yang belum populer, arah angin yang tidak tetap dan dipandang kurang ekonomis. Angin dipandang sebagai proses alam yang kurang memberikan nilai ekonomis bagi kegiatan masyarakat, namun jika hal ini dimanfaatkan secara optimal dapat memberikan pengaruh yang besar untuk mengurangi krisis energi yang sedang terjadi sekarang ini. Daerah- daerah pesisir di Indonesia memiliki kapasitas angin yang cukup besar dan memungkinkan untuk dikembangkan pembangkit listrik tenaga angin yang sifatnya terbarukan, berkelanjutan dan ramah lingkungan. Dalam sebuah informasi yang di dapat dari berita okezone.com tanggal 17 Oktober 2013 bahwa kebutuhan energi listrik di Sumatera Utara mencapai 1650 MW setiap hari, sedangkan PT PLN (Persero) hanya mampu menyuplai 1500 MW setiap hari, sehingga Sumatera Utara defisit energi listrik MW setiap hari ditambah lagi kebutuhan listrik di Sumatera Utara bertambah 7% - 10% setiap tahun. Dengan daya yang tidak sesuai dengan kebutuhan listrik, maka sering terjadi pemadaman listrik yang dapat menghambat setiap kegiatan produktivitas masyrakat. Untuk memenuhi kebutuhan listrik perlu diupayakan dengan membuat sumber-sumber energi listrik terbarukan dengan perencanaan yang matang.
Angin tidak hanya digunakan untuk membangkitkan energi listrik, tetapi juga bisa digunakan untuk fungsi yang lain seperti menggerakkan pompa untuk mengisi kolam- kolam penghasil garam dan menggerakkan aerator pada tambak udang. Aerator pada tambak udang adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan oksigen di dalam air.
Aerasi adalah proses untuk meningkatkan kandungan oksigen pada suatu lingkungan air, sehingga membuat organism yang hidup di dalamnya untuk tumbuh lebih sehat dan mengalami pertumbuhan yang cepat. Ikan dan udang yang berada pada air dengan kandungan oksigen akan lebih sehat, segar, cepat besar sehingga akan meningkatkan hasil panen dengan menekan angka kematian yang
Universitas Sumatera Utara
2
mungkin terjadi. Sistem aerasi dengan menggunakan turbin (paddlewheel aerator) dan propeller aspirator pumps merupakan sistem yang paling banyak digunakan di dunia sekarang ini (Boyd,1997).
Gambar 1.1 Paddlewheel aerator (Sumber : commons.wikipedia.org) Aerator digerakkan dengan turbin angin tanpa menggunakan energi
listrik ataupun dengan bahan bakar minyak. Turbin angin yang digunakan adalah jenis turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin vertikal mempunyai beberapa keunggulan yaitu kecepatan sudu dan daya keluaran bisa diatur, bentuk sudu dapat dioptimalkan secara aerodinamis dan efisiensinya dapat ditingkatkan ketika gaya aerodinamisnya maksimal (Erich Hau, 2006). Hal ini yang membuat penulis melakukan analisa uji performansi pada turbin angin yang digunakan menggerakkan aerator secara maksimal pada tambak udang. 1.2 Perumusan Masalah
Sebagai salah satu sumber energi terbarukan, angin memiliki prospek perkembangan yang bagus karena pasokan energinya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, dalam hal ini penulis energi angin digunakan untuk menggerakkan aerator untuk menghemat energi listrik dan bahan bakar minyak dimana pada saat ini sering terjadi pemadaman listrik dan mahalnya bahan bakar minyak.
Universitas Sumatera Utara
3
Berdasarkan keadaan yang terjadi sekarang ini, penulis tertarik untuk membuat suatu alat yang nantinya dapat menghemat dan mengurangi ketergantungan petani tambak udang terhadap pemakaian energi listrik dan bahan bakar minyak yang persediaannya semakin terbatas.
1.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk menguji performansi turbin angin untuk
menggerakkan aerator di tambak udang.
1.4 Batasan Masalah
Banyak aspek yang terdapat dalam menguji performansi turbin angin,
sehingga penulis membuat batasan masalah sehingga tujuan dan target penelitian
dapat dicapai sesuai dengan perencanaan. Batasan masalah penelitian ini adalah :
1. Turbin angin yang diterapkan untuk aerator terdiri atas perancangan jenis
turbin dan sudunya dan sistem transmisi
2. Turbin angin yang dipakai adalah turbin angin sumbu vertikal tiga sudu
(three blade) dengan kecepatan angin antara 2 - 4 m/s.
3. Sistem transmisi yang dipakai untuk memindahkan daya dari poros turbin
ke poros aerator menggunakan transmisi roda gigi.
4. Data spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus - H adalah:
a. Diameter rotor : 2 m
b. Tinggi menara : 2,5 m
c. Tinggi rotor : 1,5 m
d. Sistem aerasi : tipe paddle wheel
e. Massa turbin : 75 kg
f. Profil sudu g. Sudut pitch
: NACA 0018 : 60
h. Chord
: 0,4 m
1.5 Sistematika Penulisan Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan
sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
4
• BAB I. PENDAHULUAN Bab ini memberikan gambaran menyeluruh 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. METODOLOGI PENELITIAN Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian. • BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA Bab ini menjelaskan tentang hasil pengujian performansi turbin angin tentang daya dan putaran yang dihasilkan dari hasil perhitungan dengan rumus dan teori yang ada pada Bab II. • BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil pengujian dan analisa data yang menjadi tujuan dari penulisan.
Universitas Sumatera Utara
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
5
2.1 Energi angin Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi
ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfer yang tidak merata oleh sinar matahari, karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau di transfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan turbin angin. Oleh karena itu turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) (Kadir, 1987).
Sepanjang sejarah manusia kemajuan-kemajuan besar dalam kebudayaan selalu diikuti oleh meningkatnya konsumsi energi. Peningkatan ini berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan penduduk serta kemajuan industrialisasi. Sejak revolusi industri, penggunaan bahan bakar meningkat secara tajam, oleh sebab itu diperlukan sumber energi yang dapat memenuhi semua kebutuhan. Salah satu sumber energi yang banyak digunakan adalah energi fosil. Sayangnya energi ini termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui dan jika energi fosil ini habis maka diperlukan sumber-sumber energi baru (Daryanto, 2007).
Energi angin merupakan sumber daya alam yang dapat diperoleh secara cuma-cuma yang jumlahnya melimpah dan tersedia terus-menerus sepanjang tahun. Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki sekitar 17.500 pulau dengan panjang garis pantai lebih dari 81.290 km. Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu sekitar 9,3 GW dan total kapasitas yang baru terpasang saat ini sekitar 0,5 MW (Daryanto, 2007). Perkembangan energi angin di Indonesia masih sangat rendah. Hal ini disebabkan karena kecepatan angin ratarata di wilayah Indonesia masih tergolong kecepatan angin rendah, dengan kecepatan angin rata- rata 3 m/s - 5 m/s. Pada kecepatan angin yang rendah akan sulit untuk menghasilkan energi listrik dalam skala besar, tetapi walaupun demikian sanagt memungkinkan untuk dikembangkan sistem pembangkit listrik skala kecil. Perlu diketahui bahwa kecepatan angin bersifat fluktuatif, sehingga
Universitas Sumatera Utara
6
pada daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata 3 m/s, akan terdapat pada saat-saat dimana kecepatan anginnya lebih besar dari 3 m/s. Pada saat inilah turbin angin dengan cut-in win speed 3 m/s akan bekerja. Selain untuk pembangkitan listrik, turbin angin sangat cocok untuk mendukung kegiatan pertanian dan perikanan, seperti untuk keperluan irigasi, aerasi tambak ikan, dan sebagainya.
2.1.1 Kondisi Angin Akibat perbedaan suhu dan tekanan antara suatu tempat dan tempat lain,
terjadilah gerakan udara yang disebut angin. Selanjutnya bila tidak ada penjelasan lainnya, istilah angin digunakan untuk menyatakan gerak udara dalam arah mendatar. Angin dicirikan dengan arah datangnya dan kecepatannya. Arah angin dinyatakan dengan derajat. Angin dari utara arahnya dinyatakan 360 derajat, dari timur 90 derajat, dari selatan 180 derajat, dan dari barat 270 derajat. Kecepatan angin dinyatakan dalam km/jam, m/detik, atau dalam knot ( 1 knot = 1 mil/jam = 1,8 km/jam ). Di daerah-daerah tertentu orang memberi nama angin karena sifat sifat khususnya, misalnya angin wambraw di Manokwari, angin brubu di Sulawesi Selatan, angin gending di Banyuwangi, angin kumbang di Cirebon, dan angin bohorok di Sumatra Utara. Angin tersebut bertiup kencang dan berlangsung terusmenerus sampai berhari-hari, serta bersifat panas dan kering, dan biasanya terjadi pada musim kemarau yang sangat kering. Angin semacam itu juga banyak terdapat di daerah lain, misalnya angin taku yakni angin timur laut kuat yang terdapat di Juneau Alaska yang biasanya bertiup dalam waktu antara bulan Oktober dan Maret. Di kalangan pelaut dikenal nama angin yang diberikan menurut kesan pada pelayaran, misalnya angin buritan, angin haluan atau angin sakal, dan angin lambung. Angin buritan adalah nama angin yang bertiup dari arah belakang kapal, angin haluan atau angin sakal bertiup dari depan arah kapal, dan angin lambung bertiup dari arah samping kapal. (http://atlasnasional.bakosurtanal.go.id/)
Universitas Sumatera Utara
7
Tabel 2.1 Kondisi Angin
Persamaan kecepatan angin
Bilangan Uraian
Beaufort
pada ketinggian standar 10 meter diatas tanah datar yang terbuka
Knots m/s
Km/jam
Teduh 0 < 1 0 -0,2 < 1
(calm)
1 Light air 1 -3 0,3 -1,5 1 -5
Light 2 4 -6 1,6 -3,3 6 -11
breez Gentle 3 7 -10 3,4 -5,4 12 -19 breezs Moderate 4 11 -16 5,5 -7,9 20 -28 breez
Fresh 5 17 -21 8,0 -10,7 29 -38
breez
Strong
10,8 -
6
22 -27
39 -49
breez
13,8
13,9 -
7 Near gale 28-33
50 -61
17,1
Spesifikasi untuk menaksir kecepatan angin diatas daratan
Calm, asap naik vertikal
Arah angin dapat dilihat dari condongnya asap, tapi belum dapat ditentukan dengan wind vane Angin terasa pada muka, daun bergoyang, biasanya vane mulai bergerak Daun dan ranting kecil bergerak tetap, bendera berkibar ringan Debu dan kertas beterbangan, cabang kecil bergerak Pohon kecil berdaun berayun, terjadi puncak gelombang kecil pada permukaan air Cabang besar bergerak, terdengar desiran kawat telpon atau lainnya, sukar memakai 7aying Seluruh pohon bergerak, terasa susah berjalan
Universitas Sumatera Utara
8
melawan arah angin
Cabang patah dan lepas
17,2 -
8 Gale 34 -40
62 -74; dari pohon, biasanya
20,7
menghalangi gerak maju
Kerusakan ringan pada
Strong
20,8 -
9
41 -47
75 -88
bagian atas bangunan, atap
gale 24,4
beterbangan
Storm
24,5 -
Pohon-pohon terbongkar,
10
48 -55
89 -102
(badai)
28,4
terjadi kerusakan bangunan
Violent
28,5 -
11
55 -63
103 -117 Kerusakan meluas
storm
32,6
12
Hurricane > 63 > 32,6 > 117
Kerusakan hebat
Sumber : http://atlasnasional.bakosurtanal.go.id/
Gambar 2.1 Prakiraan Angin di Indonesia (Sumber : bmkg.go.id)
Universitas Sumatera Utara
9
2.2 Turbin Angin Turbin angin atau dalam bahasa sederhana kincir angin merupakan turbin
yang digerakkan oleh angin, yaitu udara yang bergerak di atas permukaan bumi. Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi kehidupan manusia, salah satunya adalah para nelayan. Selain itu, turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin secara efektif, terutama pada daerah - daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang tahun. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negaranegara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Sebagai pembangkit listrik, turbin angin telah digunakan di Denmark sejak tahun 1890. Dalam beberapa dekade terakhir ini, kekhawatiran akan habisnya energi fosil telah mendorong pengembangan dan penggunaan turbin angin secara meluas dalam mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan prinsip konversi energi.
Tabel 2.2 Tipe Turbin Angin dan kegunaanya
Solidity
Type Speed Torque Cp
Use
(%)
Multi
Low
High
0,25 – 50 – 80 Mechanical
blade
0,40 Power
Horizontal
Three- High
Low
Up to Less
Electricity
axis
blade
0,45 than 5 Production
aerofoil
Panemone Low
Medium Less 50
Mechanical
Vertical axis
Darrieus
than 0,1 Moderate Very low 0,25 - 10 - 20
Power Electricity
0,35 Production
Sumber : Anwar,2008
Pada saat ini, angin merupakan salah satu sumber energi dengan
perkembangan relatif cepat dibanding sumber energi lainnya. Walaupun demikian
Universitas Sumatera Utara
10
sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (misal: PLTD atau PLTU).Pengkajian potensi angin harus dilakukan dengan baik guna memperoleh suatu sistem konversi angin yang tepat. Pengkajian potensi angin pada suatu daerah dilakukan dengan cara mengukur serta menganalisa kecepatan maupun arah angin. Dasar dari alat untuk merubah energi angin adalah turbin angin. Meskipun masih terdapat susunan dan perencanaan yang beragam, biasanya turbin angin digolongkan menjadi dua tipe (horizontal dan vertikal) dan yang paling banyak digunakan adalah kincir jenis horizontal. Kincir jenis ini mempunyai rotasi horisontal terhadap tanah (secara sederhana yaitu sejajar dengan arah tiupan angin).
Prinsip dasar turbin angin adalah mengkonversi tenaga mekanik dari putaran turbin menjadi energi listrik dengan induksi magnetik. Putaran turbin dapat terjadi dengan efektif dengan mengaplikasikan dasar teori aerodinamika pada desainbatang kincir (blade). Ketersediaan angin dengan kecepatan yang memadai menjadi factor utama dalam implementasi teknologi turbin angin.
Perencanaan turbin angin harus disesuaikan untuk keperluan apa turbin angin tersebut digunakan. Dari data pada Tabel 2.2 di, kita dapat menentukan berapa jumlah blade yang harus digunakan untuk berbagai penggunaan turbin angin. Sesuai dengan data pada Tabel 2.2, untuk membuat turbin angin yang akan digunakan untuk memproduksi tegangan listrik harus digunakan turbin angin dengan 3 blade. Turbin angin dengan menggunakan 3 blade akan menghasilkan kecepatan tinggi dengan torsi rendah dan mempunyai solidity yang rendah, dan khusus digunakan untuk menghasilkan tegangan listrik.
2.2.1 Jenis- jenis turbin angin Desain turbin angin yang ada saat ini secara umum terbagi menjadi dua,
yaitu turbin angin sumbu mendatar (HAWT) dan sumbu vertikal (VAWT). Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Universitas Sumatera Utara
11
Gambar 2.2 Komponen turbin angin (Sumber : Mittal, 2001) Keterangan gambar : 1. Arah angin pada HAWT tipe upwind 2. Diameter rotor 3. Hub height 4. Rotor blade 5. Gear box 6. Generator 7. Nacelle 8. Tower pada HAWT 9. Arah angin pada HAWT tipe downwind 10. Tinggi rotor 11. Tower pada VAWT 12. Equator height 13 Fixed- pitch rotor blade
Salah satu komponen utama dari turbin angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi mengkonversi gerak linier angin menjadi gerak putar sudu turbin. Rotor dapat diklasifikasikan berdasarkan fungsi gaya aerodinamisnya dan berdasarkan bentuk atau konstruksi rancangan rotor. Untuk pengklasifikasian berdasarkan
Universitas Sumatera Utara
12
fungsi gaya aerodinamisnya, merujuk pada gaya utama yang menyebabkan rotor berputar.
Berdasarkan fungsi gaya aerodinamis, rotor terbagi menjadi dua, yaitu rotor tipe drag dan rotor tipe lift. 1. Rotor tipe drag, memanfaatkan efek gaya hambat atau drag sebagai gaya penggerak rotor. 2. Rotor tipe lift, memanfaatkan efek gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profil rotor.
Berdasarkan bentuk rotor, turbin angin dibagi menjadi dua tipe, yaitu turbin angin sumbu mendatar (horizontal axis wind turbine) dan turbin angin sumbu vertical (vertical axis wind turbine) (Daryanto, 2007). 1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) merupakan turbin yang poros utamanya berputar menyesuaikan arah angin. Agar rotor dapat berputar dengan baik, arah angin harus sejajar dengan poros turbin dan tegak lurus terhadap arah putaran rotor. Biasanya turbin jenis ini memiliki blade berbentuk airfoil seperti bentuk sayap pada pesawat. Pada turbin ini, putaran rotor terjadi karena adanya gaya lift (gaya angkat) pada blade yang ditimbulkan oleh aliran angin. Turbin ini cocok digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi, dan banyak digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar.
Gambar 2.3 Turbin angin sumbu horizontal (Sumber : www.indoenergi.com )
Universitas Sumatera Utara
13
Jumlah blade pada HAWT bervariasi, mulai dari satu blade, dua blade, tiga blade, dan banyak blade (multi blade) yang penggunaannya disesuaikan dengan kebutuhan dan kondisi angin. Secara umum semakin banyak jumlah blade, semakin tinggi putaran turbin.
Gambar 2.4 Variasi jumlah blade pada HAWT (Daryanto, 2007) Setiap desain rotor mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan turbin jenis ini, yaitu memiliki efisiensi yang tinggi, dan cut-in wind speed rendah. Kekurangannya, yaitu turbin jenis ini memiliki desain yang lebih rumit karena rotor hanya dapat menangkap angin dari satu arah sehingga dibutuhkan pengarah angin selain itu penempatan dinamo atau generator berada di atas tower sehingga menambah beban tower. 2. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus, dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya lift. Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah turbin sehingga mempermudah
Universitas Sumatera Utara
14
perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak dipengaruhi arah angin. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT. VAWT awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil.
(a) H rotor
(b) Darrieus rotor
(c) Savonius rotor
Gambar 2.5 Turbin angin sumbu vertikal ( Sumber : id.wikipedia.org )
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. Penelitian lebih lanjut ekstraksi daya yang optimal didapatkan dengan rasio tertentu antara kecepatan aliran udara yang berada didepan mesin konversi energi dan kecepatan aliran di belakang mesin tersebut (turbin) (Eric Hau, 2006)
Besarnya energi kinetik dari massa udara m yang bergerak dengan kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut :
E
=
1 2
mv 2
(Joule)
………………………………………
(2.1)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
15
E = Energi (Joule) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/ s)
Banyaknya udara yang mengalir tiap satuan waktu pada luas penampang
A tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v , dituliskan sebagai
berikut :
.
V = vA
( m3 s ) ……………………………………….. (2.2)
Dimana :
.
V
=
kapasitas
aliran
udara
(m3/s)
A = Luas penampang melintang aliran (m2)
dan laju aliran massa dengan kerapatan ρ adalah :
.
m = ρvA
( kg s ) ………………………………………..
(2.3)
Dimana :
.
m = laju aliran massa (kg/s) ρ = massa jenis angin (kg/m3) Besar energi yang terkandung di dalam massa udara mengalir yang melewati luas penampang A per satuan waktu adalah :
P = 12 ρv3 A (W) ……………………………………….. (2.4) Hal yang perlu dikaji adalah besarnya energi mekanik yang dapat diekstraksi dari besarnya energi yang terkandung dalam udara oleh turbin. Pada energi mekanik hanya dapat diekstrasi dari besar energi kinetik yang terkandung dalam aliran angin,hal ini berarti bahwa laju aliran massa tidak berubah. Pada gambar kecepatan udara akan berkurang dan pada saat yang sama terjadi penambahan luas penampang,sehingga perlu dipertimbangkan kondisi di depan dan di belakang turbin. Pada gambar 2.6 v1 adalah kecepatan udara sebelum melewati turbin dan v2 adalah kecepatan udara setelah melewati turbin.
Universitas Sumatera Utara
16
Gambar 2.6 Pemodelan aliran dari Teori Momentum Betz ( Sumber : Erich Hau, 2006)
Energi mekanik yang diekstak dari angin akibat perbedaan kecepatan udara dapat dinyatakan dengan persamaan :
( )P
=
1 2
ρ .µ1 . A1
−
1 2
ρ.µ
2
3
.A2
=
1 2
ρ
µ13 .A1
− µ 2 3 .A2
(W) … (2.5)
Dimana :
P = daya yang diekstrak (W) ρ = massa jenis udara (kg/ m3)
A1 = Luas penampang aliran sebelum melalui rotor (m2) A2 = Luas penampang aliran setelah melalui rotor ( m2) v1 = Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor ( m/s) v2 = Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s) atau
.
P
=
12 m(v12
−
v
2 2
)
(W) …………………………………………
(2.6)
dari persamaan dapat disimpulkan bahwa daya maksimum yang diekstrak dari
angin jika v2 nol, yaitu pada saat angin berhenti setelah melewati turbin. Namun hal ini tidak mungkin terjadi,jika v2 adalah nol maka nilai v1 harus sama dengan nol dan akhirnya tidak ada udara yang mengalir melewati turbin. Hal ini bisa
Universitas Sumatera Utara
17
diharapkan supaya energi angin yang diubah semakin besar jika v2 semakin kecil atau rasio v1 / v2 semakin besar.
Hal ini memerlukan persamaan yang lain untuk daya mekanik dari turbin, dengan
menggunakan Hukum Kekekalan Momentum, besar energi angin yang diberikan
pada turbin adalah :
.
F = m(v1 − v2 )
(N ) ………………………………… (2.7)
Sesuai dengan hukum kedua Newton bahwa gaya reaksi sama dengan gaya reaksi,
bahwa gaya yang diberikan oleh udara akan sama dengan gaya hambat yang
diberikan oleh rotor. Daya yang diperlukan rotor untuk menghambat aliran udara
adalah
.
P = Fv, = m(v1 − v2 )v, dimana :
(W) ………………………… (2.8)
v, = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s) dengan demikian, daya mekanik yang diekstrak dari kecepatan udara akibat perbedaan kecepatan udara sebelum dan sesudah melewati rotor dengan menyamakan persamaan di atas adalah :
1
2
.
.
m
.(v1
2
− v22 )
=
.
m .(v1
− v2
).v ,
(W) ………………... (2.9)
maka kecepatan udara yang melewati rotor adalah :
v , = v1 + v2 2
(m/s) ………………………………… (2.10)
Maka besar daya keluaran mekanik yang dihasilkan adalah :
P = 14 .ρ.A(v12 − v2 2 )(v1 + v2 )
(W) ……………… (2.11)
daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang terdapat pada udara adalah :
Po = 12 ρ.v13 .A
(W) …………………………………… (2.12)
Dalam hal ini,dapat diketahu besar perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya yang terkandung di dalam udara. Rasio perbandingan antara
Universitas Sumatera Utara
18
daya yang dihasilkan turbin atau daya keluaran mekanik dengan daya yang terdapat pada udara disebut dengan power coefficient (Cp) dengan persamaan :
Cp
=
P Po
=
14 ρA(v12 − v22 )(v1
1 2
ρAv13
+ v2 )
………………………
(2.13)
koefisien daya (Cp) dapat ditentukan secara langsung dari perbandingan v2 / v1
adalah :
Cp
=
P P0
=
1 2
1− (v2 )2 v1
1+
v2 v1
…………………………(2.14)
Koefisien daya tergantung pada perbandingan antara kecepatan udara sebelum dan sesudah melalui turbin. Hubungan keterkaitan itu dapat dilihat pada grafik, solusi analitis dapat ditemukan dengan mudah bahwa koefisien daya mencapai titik maksimum pada rasio kecepatan tertentu.
Gambar 2.7 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran sebelum dan setelah dikonversi ( Sumber : Erich Hau, 2006)
dengan v2 / v1 = 1/3 yaitu koefisien daya maksimum, Cp menjadi
Universitas Sumatera Utara
19
Cp
=
16 27
= 0,593
Setelah mengetahui koefisien daya maksimum yang ideal adalah v2 / v1 = 1/3, maka kecepatan angin yang melalui rotor menjadi :
v, = 23 v1 ………………………………………………...... (2.15) Dan kecepatan setelah melewati turbin menjadi :
v2
=
1 3
v1
……………………………………………........(2.16)
Gambar 2.8 Profil Tekanan dan kecepatan angin yang melalui wind turbin jenis propeller sumbu horizontal ( Sumber : Erich Hau, 2006)
Dengan memperhatikan gambar 2.8 dan mengasumsikan bahwa roda turbin mempunyai ketebalan a- b, tekanan masuk dan kecepatan masuk adalah P1 dan v1 dan pada bagian keluar adalah lebih kecil karena energi kinetiknya telah diambil turbin. Turbin angin dapat mengkonversikan tidak lebih dari 60 % daya angin menjadi daya yang berguna.
Universitas Sumatera Utara
20
2.4 Tip speed ratio
Tip speed ratio adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan
angin bebas. Untuk kecepatan nominal angin tertentu, tip speed ratio akan
berpengaruh terhadap kecepatan rotor. Turbin angin tipe lift akan memiliki tip
speed ratio yang relatif besar dibandingkan dengan turbin angin drag.
Tip speed ratio (tsr) dihitung dengan persamaan :
λ = ωr = 2πnr Va 60Va
………………………………………… ( 2.17)
Dimana :
r = jari- jari rotor ( m )
n = pu
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Rijal Bintang Sitorus NIM. 090401062
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 09 0401 062
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke680 Tanggal 22 Februari 2014
Disetujui Oleh:
Pembimbing Tulus Burhanuddin Sitorus, ST MT
NIP. 197209232000121003
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 09 0401 062
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke680 Tanggal 22 Februari 2014
Dosen Pembanding I
Disetujui Oleh: Dosen Pembanding II
Ir. Mulfi Hazwi, MSc NIP. 194910121981031002
Ir. A. Halim Nasution, MSc NIP. 195403201981021001
Universitas Sumatera Utara
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
RIJAL BINTANG SITORUS NIM. 090401062
Diketahui / Disahkan Ketua Departemen Teknik Mesin
Disetujui Dosen Pembimbing,
DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1972 0923 2000 121003
Universitas Sumatera Utara
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN
AGENDA
: 2118/TS/2013
DITERIMA TGL : 24-07-2013
PARAF
:
TUGAS SARJANA
NAMA NIM MATA PELAJARAN SPESIFIKASI
: RIJAL BINTANG SITORUS : 090401062 : ENERGI ANGIN : Uji performansi turbin angin sebagai
penggerak aerator di tambak udang.Lakukan survei lapangan dan survei literatur sebagai pendukung data-data lain yang dibutuhkan dapat diperoleh dari literatur dan internet.
DIBERIKAN TANGGAL: 24-07-2013 SELESAI TANGGAL :
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN,
Medan, 1 Februari2014 DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP. 1972 0923 2000 121003
Universitas Sumatera Utara
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapakan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan damai sejahtera - Nya yang selalu menyertai penulis hingga akhirnya dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG”.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata - 1 (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU).
Dalam menyelesaikan skripsi ini ada banyak hambatan dan tantangan yang penulis alami, namun berkat bantuan, motivasi, semangat, dan doa dari berbagai pihak akhirnya penulis dapat mengatasi dan melewati setiap hambatan dan tantangan itu. Untuk semua itu, pada kesempatan ini penulis dengan hati tulus mengucapkan terimakasih kepada :
1. Kedua orang tua penulis, Bapak M. Sitorus dan Ibu R. Butarbutar atas segala doa, kasih sayang, bantuan, nasehat dan motivasi yang diberikan.
2. Bapak Tulus B. Sitorus, ST,MT selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan ilmu, bimbingan dan motivasi kepada penulis
3. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha yang telah membantu membimbing penulis dalam segala keperluan dalam perkuliahan
6. Seluruh kawan – kawan stambuk 2009 dan secara khusus kepada kawan – kawan Tim Angin yaitu Indro Pramono, Rohim dan Wahyu Hamdani atas setiap kerjasama, dukungan dan motivasinya selama menyelesaikan skripsi ini
7. Seluruh adik –adik stambuk Teknik Mesin USU, secara khusus kepada Tim Magang Asistant Lab Proses Produksi yang membantu dalam pengerjaan skripsi ini
8. Kepada seluruh teman – teman Anggota Biasa dan Pengurus IMPERATIF yang selalu memberikan dukungan, semangat dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini
9. Kepada semua pihak yang tidak bisa penulis ucapkan namanya satu per satu yang telah banyak memberikan bantuan dan semangat dalam menyelesaikan skripsi ini
Universitas Sumatera Utara
ii Penulis telah berusaha memberikan usaha yang terbaik dalam skripsi ini, namun keterbatasan kemampuan masih ada kekurangan dan kesalahan dalam penulisannya. Oleh karena itu, penulis dengan setiap kerendahan hati menerima setiap kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan skripsi ini menjadi lebih baik. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Februari 2014 Rijal Bintang Sitorus
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
iii
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang telah memanfaatkan angin sebagai sumber energinya. Untuk itu perlu mengembangkan teknologi turbin angin sumbu vertikal yang tidak dipengaruhi perubahan arah datangnya angin.
Penelitian ini menggunakan model turbin angin sumbu vertikal Darrieus Tipe-H dengan profil sudu NACA 0018,panjang chord (C) 0,4 m, sudut pitch 60 dan jumlah sudu 3 buah. Dimensi turbin angin yaitu diameter (D) 2 m,tinggi (H) 1,5 m dan massa sudu 1,5 kg.Ada 2 buah aerator yang digunakan dalam penelitian ini dengan massa aerator 1,5 kg. Pengujian turbin angin dilakukan pada variasi kecepatan angin yang berasal dari sebuah kipas yaitu 2,2 m/s, 2,6 m/s 3 m/s ; 3,2 m/s, 4 m/s dengan dibebani aerator dan tidak dibebani aerator. Pengujian juga dilakukan di tambak udang dengan kecepatan angin rata-rata 3 m/s. Dari hasil pengujian diperoleh putaran turbin pada saat tidak dibebani aerator dengan variasi kecepatan angin yaitu 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm dan putaran turbin setelah dibebani aerator yaitu 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. Ketika turbin diuji di tambak udang menghasilkan putaran 80 rpm dengan dipasang aerator. Sehingga diperoleh daya turbin secara teori untuk memutar aerator di tambak udang sebesar 7,68 Watt dengan 1 buah aerator terpasang pada kedalaman aerator 2,5 cm dibawah permukaan air.
Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, NACA 0018, sudut pitch, variasi kecepatan angin
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
iv
The geographical location Indonesia as a tropical country causing wind characteristics in Indonesia is very different from the characteristics of the wind in the developed countries that have made use of wind as an energy source. It is necessary to develop a vertical axis wind turbine technology is not influenced by changes in the direction of the wind.
This research use a model of vertical axis wind turbine Darrieus-type H with a blade profile NACA 0018, chord length (C) 0.4 m, the pitch angle of the blade 60 and the amount of 3 pieces. The dimensions of the wind turbine is the diameter (D) 2 m, height (H) of 1.5 m and a mass of 1.5 kg blade. There are 2 pieces of aerators used in this research with a mass of 1.5 kg aerator. Tests carried out on variations of the wind turbine wind speed derived from a fan that is 2.2 m / s, 2.6 m / s 3 m / s, 3.2 m / s, 4 m / s with and not loaded aerator. Testing was also conducted in shrimp ponds with an average wind speed of 3 m / s. From the test results obtained during the turbine wheel aerators are not loaded with the variation of the wind speed is 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm and turbine rotation aerators are loaded after 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. When the turbine was tested in shrimp farms produce 80 rpm rotation with aerator installed. In order to obtain the power to rotate the turbine is theoretically aerator in the shrimp ponds at 7.68 Watt with 1 piece aerator aerator installed at a depth of 2.5 cm below the water surface.
Keywords: H-Darrieus wind turbine, NACA 0018, pitch angle, wind speed variation
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................. i ABSTRAK .................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................. iv DAFTAR ISI ................................................................................................ v DAFTAR TABEL ........................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR .................................................................................... viii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... x BAB I PENDAHULUAN .................................................................... 1
1.1 Latar Belakang .......................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah .................................................................. 2 1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................... 3 1.4 Batasan Masalah ........................................................................ 3 1.5 Sistematika Penulisan ................................................................ 3
BAB II 2.1
2.2
2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
TINJAUAN PUSTAKA .......................................................... Energi Angin ............................................................................. 2.1.1 Kondisi Angin ............................................................... Turbin Angin ............................................................................. 2.2.1 Jenis-jenis turbin angin ................................................... Teori momentum elementer Betz .............................................. Tip speed ratio ......................................................................... Airfoil ........................................................................................ Bilangan Reynolds .................................................................... Sudut serang (angle of attack ) dan sudut pitch .......................... Gaya aerodinamik pada turbin angin Darrieus - H....................... Fenomena Stall ………………………........................................
5 5 6 9 10 14 20 21 22 23 25 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .............................................. 28 3.1 Tempat Penelitian ...................................................................... 28 3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian .......................................... 28
3.3 3.4
3.5
3.6 BAB IV
4.1 4.2
3.2.1 Objek penelitian ............................................................. 3.2.2 Alat penelitian ................................................................ Skema pengujian ........................................................................ Prosedur penelitian..................................................................... 3.4.1 Metode pengumpulan data .............................................. 3.4.2 Pengamatan data pengujian ............................................. 3.4.3 Metode pengolahan data ................................................. Pelakasanaan penelitian ............................................................. 3.5.1 Tahap persiapan ............................................................. 3.5.2 Tahap pengujian dan pengmbilan data ............................ Diagram alir penelitian .............................................................. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................. Hasil Pengujian ......................................................................... Analisa Data .............................................................................. 4.2.1 Daya Angin ....................................................................
28 31 33 34 34 34 34 34 34 35 36 37 37 38 38
Universitas Sumatera Utara
vi 4.2.2 Tip speed ratio ............................................................... 40 4.2.3 Perhitungan sudut serang turbin ( α )............................... 42 4.2.4 Perhitungan gaya- gaya yang terjadi pada sudu turbin .... 43 4.2.5 Perhitungan Torsi dan Daya Turbin ................................ 45 4.3 Hasil Pengujian di Tambak Udang ............................................ 53 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................. 5.1 Kesimpulan ................................................................................ 58 5.2 Saran .......................................................................................... 59 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………….. xi LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kondisi Angin ............................................................................ 7 Tabel 2.2 Tipe Turbin Angin dan Kegunaanya ............................................ 9 Tabel 3.1 Spesifikasi Prototipe Turbin Angin ............................................. 29 Tabel 3.2 Spesifikasi Sudu .......................................................................... 30 Tabel 3.3 Spesifikasi Aerator ...................................................................... 31 Tabel 4.1 Hasil Pengujian Turbin Angin Tanpa Aerator .............................. 37 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Turbin Angin Dengan Aerator ............................ 37 Tabel 4.3 Daya Angin dengan Variasi Kecepatan Angin ............................. 39 Tabel 4.4 Data Gabungan Kecepatan Angin, Putaran poros turbin dan
Tip speed ratio…………………………………………………… 41 Tabel 4.5 Tip speed ratio dan Sudut serang ………………………………. 42 Tabel 4.6 Gaya Lift, Gaya Angkat, Gaya Tangensial pada Variasi Kecepatan
Angin …………………………………………………………….. 45 Tabel 4.7 Data Gabungan Putaran Poros Turbin (N),Tip speed ratio (λ),
Sudut serang (α), Koefisien daya (CP), Koefisien lift (CL), Koefisien drag (CD),Torsi (T) dan Daya turbin (PT) Dalam Keadaan Tanpa Aerator ………………………………….. 46 Tabel 4. 8 Data Gabungan Putaran Poros Turbin (N),Tip speed ratio (λ), Sudut serang (α), Koefisien daya (CP), Koefisien lift (CL), Koefisien drag (CD),Torsi (T) dan Daya turbin (PT) Dalam Keadaan Dibebani Aerator………….……………………………. 46
Universitas Sumatera Utara
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Paddlewheel Aerator ............................................................... 2 Gambar 2.1 Prakiraan Angin di Indonesia ................................................. 8 Gambar 2.2 Komponem Turbin Angin ....................................................... 11 Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Horizontal ............................................. 12 Gambar 2.4 Variasi jumlah blade pada HAWT ........................................... 13 Gambar 2.5 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……………………………... .. 14 Gambar 2.6 Pemodelan Aliran dari Teori Momentum Betz …………….. 16 Gambar 2.7 Koefisien Daya terhadap Rasio kecepatan aliran sebelum dan
setelah dikonversi .................................................................... 18 Gambar 2.8 Profil Tekanan dan Kecepatan Angin yang Melalui wind Turbin
jenis propeller sumbu horizontal .............................................. 19 Gambar 2.9 Koefisien Cp dengan Tip speed ratio pada berbagai Jenis Turbin
Angin....................................................................................... 20 Gambar 2.10 Bentuk Airfoil ......................................................................... 21 Gambar 2.11 Nomenklatur Airfoil ............................................................... 22 Gambar 2.12 Tipe Airfoil yang Digunakan Pada Pengujian Perfrmansi Turbin
Angin Darrieus - H ................................................................. 22 Gambar 2.13 Sudu Turbin Pada Kondisi Sudut Serang Rendah, Medium dan
Tinggi ...................................................................................... 23 Gambar 2.14 Arah sudut pitch ..................................................................... 24 Gambar 2.15 Gaya – gaya pada sudu turbin angin Darrieus H ...................... 26 Gambar 2.16 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu
menyebabkan separasi aliran udara .......................................... 27 Gambar 3.1 Assembling turbin angin Darrieus – H ..................................... 28 Gambar 3.2 Prototipe Turbin Angin Darrieus – H ....................................... 29 Gambar 3.3 Profil Sudu NACA 0018 ........................................................ 30 Gambar 3.4 Aerator ................................................................................... 31 Gambar 3.5 Thermo – Anemometer ......................................................... 31 Gambar 3.6 Digital Tachometer ................................................................. 32 Gambar 3.7 Motor Listrik ........................................................................... 36 Gambar 3.8 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 33 Gambar 3.9 Prosedur Penelitian ................................................................. 36 Gambar 4.1 Grafik Kecepatan angin dengan putaran poros turbin ............... 38 Gambar 4.2 Grafik Kecepatan angin vs Daya angin .................................... 40 Gambar 4.3 Grafik putaran turbin terhadap tip speed ratio .......................... 41 Gambar 4.4 Grafik tip speed ratio dan sudut serang .................................... 43 Gambar 4.5 Grafik kecepatan angin terhadap sudut serang turbin .............. 47 Gambar 4.6 Grafik putaran poros turbin terhadap sudut serang turbin ......... 47 Gambar 4.7 Grafik tip speed ratio terhadap sudut serang ............................ 48 Gambar 4.8 Grafik sudut serang terhadap perbandingan koefisien lift dan
koefisien drag ………………………………………………... 48 Gambar 4.9 Grafik sudut serang terhadap torsi ........................................... 49 Gambar 4.10 Grafik putaran poros turbin terhadap torsi ............................... 49 Gambar 4.11 Grafik putaran poros turbin terhadap daya turbin ..................... 50 Gambar 4.12 Sudut serang terhadap daya turbin ........................................... 50
Universitas Sumatera Utara
ix
Gambar 4.13 Grafik tip speed ratio terhadap daya turbin .............................. Gambar 4.14 Grafik sudut serang terhadap koefisien daya ........................... Gambar 4.15 Grafik sudut serang terhadap koefisien lift dan koefisien drag.. Gambar 4.16 Grafik tip speed ratio terhadap koefisien daya ........................
51 51 52 53
Universitas Sumatera Utara
x
Simbol M ̇ 1 2 N
C W B
T
H
R
P
DAFTAR SIMBOL
Arti Energi kinetic Massa udara Kecepatan angin Luas penampang melintang aliran Massa jenis udara Laju aliran massa Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor Koefisien daya Tip speed ratio Jari – jari rotor Bilangan Reynold Putaran poros turbin Panjang chord Kecepatan absolut elemen sudu Viskositas dinamik Perpindahan sudut gerak melingkar Sudut serang (angle of attack) Sudut pitch Koefisien lift Koefisien drag Gaya lift Gaya drag Luas sapuan rotor Torsi Daya turbin Daya angin Jumlah sudu (blade) Temperatur Tinggi turbin Konstanta gas untuk udara Tekanan udara
Satuan Joule / 2 /3 / /s /
/ /2
0
0
0
-
-
N N 2 Nm Watt Watt K M J/(kg.K) Pa
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
iii
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang telah memanfaatkan angin sebagai sumber energinya. Untuk itu perlu mengembangkan teknologi turbin angin sumbu vertikal yang tidak dipengaruhi perubahan arah datangnya angin.
Penelitian ini menggunakan model turbin angin sumbu vertikal Darrieus Tipe-H dengan profil sudu NACA 0018,panjang chord (C) 0,4 m, sudut pitch 60 dan jumlah sudu 3 buah. Dimensi turbin angin yaitu diameter (D) 2 m,tinggi (H) 1,5 m dan massa sudu 1,5 kg.Ada 2 buah aerator yang digunakan dalam penelitian ini dengan massa aerator 1,5 kg. Pengujian turbin angin dilakukan pada variasi kecepatan angin yang berasal dari sebuah kipas yaitu 2,2 m/s, 2,6 m/s 3 m/s ; 3,2 m/s, 4 m/s dengan dibebani aerator dan tidak dibebani aerator. Pengujian juga dilakukan di tambak udang dengan kecepatan angin rata-rata 3 m/s. Dari hasil pengujian diperoleh putaran turbin pada saat tidak dibebani aerator dengan variasi kecepatan angin yaitu 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm dan putaran turbin setelah dibebani aerator yaitu 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. Ketika turbin diuji di tambak udang menghasilkan putaran 80 rpm dengan dipasang aerator. Sehingga diperoleh daya turbin secara teori untuk memutar aerator di tambak udang sebesar 7,68 Watt dengan 1 buah aerator terpasang pada kedalaman aerator 2,5 cm dibawah permukaan air.
Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, NACA 0018, sudut pitch, variasi kecepatan angin
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
iv
The geographical location Indonesia as a tropical country causing wind characteristics in Indonesia is very different from the characteristics of the wind in the developed countries that have made use of wind as an energy source. It is necessary to develop a vertical axis wind turbine technology is not influenced by changes in the direction of the wind.
This research use a model of vertical axis wind turbine Darrieus-type H with a blade profile NACA 0018, chord length (C) 0.4 m, the pitch angle of the blade 60 and the amount of 3 pieces. The dimensions of the wind turbine is the diameter (D) 2 m, height (H) of 1.5 m and a mass of 1.5 kg blade. There are 2 pieces of aerators used in this research with a mass of 1.5 kg aerator. Tests carried out on variations of the wind turbine wind speed derived from a fan that is 2.2 m / s, 2.6 m / s 3 m / s, 3.2 m / s, 4 m / s with and not loaded aerator. Testing was also conducted in shrimp ponds with an average wind speed of 3 m / s. From the test results obtained during the turbine wheel aerators are not loaded with the variation of the wind speed is 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm and turbine rotation aerators are loaded after 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm, 23 rpm, 56 rpm. When the turbine was tested in shrimp farms produce 80 rpm rotation with aerator installed. In order to obtain the power to rotate the turbine is theoretically aerator in the shrimp ponds at 7.68 Watt with 1 piece aerator aerator installed at a depth of 2.5 cm below the water surface.
Keywords: H-Darrieus wind turbine, NACA 0018, pitch angle, wind speed variation
Universitas Sumatera Utara
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Pemanfaatan sumber energi angin di Indonesia masih langka, hal tersebut
dimungkinkan karena pengaruh teknologi atau pengetahuan yang belum populer, arah angin yang tidak tetap dan dipandang kurang ekonomis. Angin dipandang sebagai proses alam yang kurang memberikan nilai ekonomis bagi kegiatan masyarakat, namun jika hal ini dimanfaatkan secara optimal dapat memberikan pengaruh yang besar untuk mengurangi krisis energi yang sedang terjadi sekarang ini. Daerah- daerah pesisir di Indonesia memiliki kapasitas angin yang cukup besar dan memungkinkan untuk dikembangkan pembangkit listrik tenaga angin yang sifatnya terbarukan, berkelanjutan dan ramah lingkungan. Dalam sebuah informasi yang di dapat dari berita okezone.com tanggal 17 Oktober 2013 bahwa kebutuhan energi listrik di Sumatera Utara mencapai 1650 MW setiap hari, sedangkan PT PLN (Persero) hanya mampu menyuplai 1500 MW setiap hari, sehingga Sumatera Utara defisit energi listrik MW setiap hari ditambah lagi kebutuhan listrik di Sumatera Utara bertambah 7% - 10% setiap tahun. Dengan daya yang tidak sesuai dengan kebutuhan listrik, maka sering terjadi pemadaman listrik yang dapat menghambat setiap kegiatan produktivitas masyrakat. Untuk memenuhi kebutuhan listrik perlu diupayakan dengan membuat sumber-sumber energi listrik terbarukan dengan perencanaan yang matang.
Angin tidak hanya digunakan untuk membangkitkan energi listrik, tetapi juga bisa digunakan untuk fungsi yang lain seperti menggerakkan pompa untuk mengisi kolam- kolam penghasil garam dan menggerakkan aerator pada tambak udang. Aerator pada tambak udang adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan oksigen di dalam air.
Aerasi adalah proses untuk meningkatkan kandungan oksigen pada suatu lingkungan air, sehingga membuat organism yang hidup di dalamnya untuk tumbuh lebih sehat dan mengalami pertumbuhan yang cepat. Ikan dan udang yang berada pada air dengan kandungan oksigen akan lebih sehat, segar, cepat besar sehingga akan meningkatkan hasil panen dengan menekan angka kematian yang
Universitas Sumatera Utara
2
mungkin terjadi. Sistem aerasi dengan menggunakan turbin (paddlewheel aerator) dan propeller aspirator pumps merupakan sistem yang paling banyak digunakan di dunia sekarang ini (Boyd,1997).
Gambar 1.1 Paddlewheel aerator (Sumber : commons.wikipedia.org) Aerator digerakkan dengan turbin angin tanpa menggunakan energi
listrik ataupun dengan bahan bakar minyak. Turbin angin yang digunakan adalah jenis turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin vertikal mempunyai beberapa keunggulan yaitu kecepatan sudu dan daya keluaran bisa diatur, bentuk sudu dapat dioptimalkan secara aerodinamis dan efisiensinya dapat ditingkatkan ketika gaya aerodinamisnya maksimal (Erich Hau, 2006). Hal ini yang membuat penulis melakukan analisa uji performansi pada turbin angin yang digunakan menggerakkan aerator secara maksimal pada tambak udang. 1.2 Perumusan Masalah
Sebagai salah satu sumber energi terbarukan, angin memiliki prospek perkembangan yang bagus karena pasokan energinya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, dalam hal ini penulis energi angin digunakan untuk menggerakkan aerator untuk menghemat energi listrik dan bahan bakar minyak dimana pada saat ini sering terjadi pemadaman listrik dan mahalnya bahan bakar minyak.
Universitas Sumatera Utara
3
Berdasarkan keadaan yang terjadi sekarang ini, penulis tertarik untuk membuat suatu alat yang nantinya dapat menghemat dan mengurangi ketergantungan petani tambak udang terhadap pemakaian energi listrik dan bahan bakar minyak yang persediaannya semakin terbatas.
1.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk menguji performansi turbin angin untuk
menggerakkan aerator di tambak udang.
1.4 Batasan Masalah
Banyak aspek yang terdapat dalam menguji performansi turbin angin,
sehingga penulis membuat batasan masalah sehingga tujuan dan target penelitian
dapat dicapai sesuai dengan perencanaan. Batasan masalah penelitian ini adalah :
1. Turbin angin yang diterapkan untuk aerator terdiri atas perancangan jenis
turbin dan sudunya dan sistem transmisi
2. Turbin angin yang dipakai adalah turbin angin sumbu vertikal tiga sudu
(three blade) dengan kecepatan angin antara 2 - 4 m/s.
3. Sistem transmisi yang dipakai untuk memindahkan daya dari poros turbin
ke poros aerator menggunakan transmisi roda gigi.
4. Data spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus - H adalah:
a. Diameter rotor : 2 m
b. Tinggi menara : 2,5 m
c. Tinggi rotor : 1,5 m
d. Sistem aerasi : tipe paddle wheel
e. Massa turbin : 75 kg
f. Profil sudu g. Sudut pitch
: NACA 0018 : 60
h. Chord
: 0,4 m
1.5 Sistematika Penulisan Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan
sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
4
• BAB I. PENDAHULUAN Bab ini memberikan gambaran menyeluruh 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. METODOLOGI PENELITIAN Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian. • BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA Bab ini menjelaskan tentang hasil pengujian performansi turbin angin tentang daya dan putaran yang dihasilkan dari hasil perhitungan dengan rumus dan teori yang ada pada Bab II. • BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil pengujian dan analisa data yang menjadi tujuan dari penulisan.
Universitas Sumatera Utara
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
5
2.1 Energi angin Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi
ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfer yang tidak merata oleh sinar matahari, karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau di transfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan turbin angin. Oleh karena itu turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) (Kadir, 1987).
Sepanjang sejarah manusia kemajuan-kemajuan besar dalam kebudayaan selalu diikuti oleh meningkatnya konsumsi energi. Peningkatan ini berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan penduduk serta kemajuan industrialisasi. Sejak revolusi industri, penggunaan bahan bakar meningkat secara tajam, oleh sebab itu diperlukan sumber energi yang dapat memenuhi semua kebutuhan. Salah satu sumber energi yang banyak digunakan adalah energi fosil. Sayangnya energi ini termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui dan jika energi fosil ini habis maka diperlukan sumber-sumber energi baru (Daryanto, 2007).
Energi angin merupakan sumber daya alam yang dapat diperoleh secara cuma-cuma yang jumlahnya melimpah dan tersedia terus-menerus sepanjang tahun. Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki sekitar 17.500 pulau dengan panjang garis pantai lebih dari 81.290 km. Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu sekitar 9,3 GW dan total kapasitas yang baru terpasang saat ini sekitar 0,5 MW (Daryanto, 2007). Perkembangan energi angin di Indonesia masih sangat rendah. Hal ini disebabkan karena kecepatan angin ratarata di wilayah Indonesia masih tergolong kecepatan angin rendah, dengan kecepatan angin rata- rata 3 m/s - 5 m/s. Pada kecepatan angin yang rendah akan sulit untuk menghasilkan energi listrik dalam skala besar, tetapi walaupun demikian sanagt memungkinkan untuk dikembangkan sistem pembangkit listrik skala kecil. Perlu diketahui bahwa kecepatan angin bersifat fluktuatif, sehingga
Universitas Sumatera Utara
6
pada daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata 3 m/s, akan terdapat pada saat-saat dimana kecepatan anginnya lebih besar dari 3 m/s. Pada saat inilah turbin angin dengan cut-in win speed 3 m/s akan bekerja. Selain untuk pembangkitan listrik, turbin angin sangat cocok untuk mendukung kegiatan pertanian dan perikanan, seperti untuk keperluan irigasi, aerasi tambak ikan, dan sebagainya.
2.1.1 Kondisi Angin Akibat perbedaan suhu dan tekanan antara suatu tempat dan tempat lain,
terjadilah gerakan udara yang disebut angin. Selanjutnya bila tidak ada penjelasan lainnya, istilah angin digunakan untuk menyatakan gerak udara dalam arah mendatar. Angin dicirikan dengan arah datangnya dan kecepatannya. Arah angin dinyatakan dengan derajat. Angin dari utara arahnya dinyatakan 360 derajat, dari timur 90 derajat, dari selatan 180 derajat, dan dari barat 270 derajat. Kecepatan angin dinyatakan dalam km/jam, m/detik, atau dalam knot ( 1 knot = 1 mil/jam = 1,8 km/jam ). Di daerah-daerah tertentu orang memberi nama angin karena sifat sifat khususnya, misalnya angin wambraw di Manokwari, angin brubu di Sulawesi Selatan, angin gending di Banyuwangi, angin kumbang di Cirebon, dan angin bohorok di Sumatra Utara. Angin tersebut bertiup kencang dan berlangsung terusmenerus sampai berhari-hari, serta bersifat panas dan kering, dan biasanya terjadi pada musim kemarau yang sangat kering. Angin semacam itu juga banyak terdapat di daerah lain, misalnya angin taku yakni angin timur laut kuat yang terdapat di Juneau Alaska yang biasanya bertiup dalam waktu antara bulan Oktober dan Maret. Di kalangan pelaut dikenal nama angin yang diberikan menurut kesan pada pelayaran, misalnya angin buritan, angin haluan atau angin sakal, dan angin lambung. Angin buritan adalah nama angin yang bertiup dari arah belakang kapal, angin haluan atau angin sakal bertiup dari depan arah kapal, dan angin lambung bertiup dari arah samping kapal. (http://atlasnasional.bakosurtanal.go.id/)
Universitas Sumatera Utara
7
Tabel 2.1 Kondisi Angin
Persamaan kecepatan angin
Bilangan Uraian
Beaufort
pada ketinggian standar 10 meter diatas tanah datar yang terbuka
Knots m/s
Km/jam
Teduh 0 < 1 0 -0,2 < 1
(calm)
1 Light air 1 -3 0,3 -1,5 1 -5
Light 2 4 -6 1,6 -3,3 6 -11
breez Gentle 3 7 -10 3,4 -5,4 12 -19 breezs Moderate 4 11 -16 5,5 -7,9 20 -28 breez
Fresh 5 17 -21 8,0 -10,7 29 -38
breez
Strong
10,8 -
6
22 -27
39 -49
breez
13,8
13,9 -
7 Near gale 28-33
50 -61
17,1
Spesifikasi untuk menaksir kecepatan angin diatas daratan
Calm, asap naik vertikal
Arah angin dapat dilihat dari condongnya asap, tapi belum dapat ditentukan dengan wind vane Angin terasa pada muka, daun bergoyang, biasanya vane mulai bergerak Daun dan ranting kecil bergerak tetap, bendera berkibar ringan Debu dan kertas beterbangan, cabang kecil bergerak Pohon kecil berdaun berayun, terjadi puncak gelombang kecil pada permukaan air Cabang besar bergerak, terdengar desiran kawat telpon atau lainnya, sukar memakai 7aying Seluruh pohon bergerak, terasa susah berjalan
Universitas Sumatera Utara
8
melawan arah angin
Cabang patah dan lepas
17,2 -
8 Gale 34 -40
62 -74; dari pohon, biasanya
20,7
menghalangi gerak maju
Kerusakan ringan pada
Strong
20,8 -
9
41 -47
75 -88
bagian atas bangunan, atap
gale 24,4
beterbangan
Storm
24,5 -
Pohon-pohon terbongkar,
10
48 -55
89 -102
(badai)
28,4
terjadi kerusakan bangunan
Violent
28,5 -
11
55 -63
103 -117 Kerusakan meluas
storm
32,6
12
Hurricane > 63 > 32,6 > 117
Kerusakan hebat
Sumber : http://atlasnasional.bakosurtanal.go.id/
Gambar 2.1 Prakiraan Angin di Indonesia (Sumber : bmkg.go.id)
Universitas Sumatera Utara
9
2.2 Turbin Angin Turbin angin atau dalam bahasa sederhana kincir angin merupakan turbin
yang digerakkan oleh angin, yaitu udara yang bergerak di atas permukaan bumi. Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi kehidupan manusia, salah satunya adalah para nelayan. Selain itu, turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin secara efektif, terutama pada daerah - daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang tahun. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negaranegara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Sebagai pembangkit listrik, turbin angin telah digunakan di Denmark sejak tahun 1890. Dalam beberapa dekade terakhir ini, kekhawatiran akan habisnya energi fosil telah mendorong pengembangan dan penggunaan turbin angin secara meluas dalam mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan prinsip konversi energi.
Tabel 2.2 Tipe Turbin Angin dan kegunaanya
Solidity
Type Speed Torque Cp
Use
(%)
Multi
Low
High
0,25 – 50 – 80 Mechanical
blade
0,40 Power
Horizontal
Three- High
Low
Up to Less
Electricity
axis
blade
0,45 than 5 Production
aerofoil
Panemone Low
Medium Less 50
Mechanical
Vertical axis
Darrieus
than 0,1 Moderate Very low 0,25 - 10 - 20
Power Electricity
0,35 Production
Sumber : Anwar,2008
Pada saat ini, angin merupakan salah satu sumber energi dengan
perkembangan relatif cepat dibanding sumber energi lainnya. Walaupun demikian
Universitas Sumatera Utara
10
sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (misal: PLTD atau PLTU).Pengkajian potensi angin harus dilakukan dengan baik guna memperoleh suatu sistem konversi angin yang tepat. Pengkajian potensi angin pada suatu daerah dilakukan dengan cara mengukur serta menganalisa kecepatan maupun arah angin. Dasar dari alat untuk merubah energi angin adalah turbin angin. Meskipun masih terdapat susunan dan perencanaan yang beragam, biasanya turbin angin digolongkan menjadi dua tipe (horizontal dan vertikal) dan yang paling banyak digunakan adalah kincir jenis horizontal. Kincir jenis ini mempunyai rotasi horisontal terhadap tanah (secara sederhana yaitu sejajar dengan arah tiupan angin).
Prinsip dasar turbin angin adalah mengkonversi tenaga mekanik dari putaran turbin menjadi energi listrik dengan induksi magnetik. Putaran turbin dapat terjadi dengan efektif dengan mengaplikasikan dasar teori aerodinamika pada desainbatang kincir (blade). Ketersediaan angin dengan kecepatan yang memadai menjadi factor utama dalam implementasi teknologi turbin angin.
Perencanaan turbin angin harus disesuaikan untuk keperluan apa turbin angin tersebut digunakan. Dari data pada Tabel 2.2 di, kita dapat menentukan berapa jumlah blade yang harus digunakan untuk berbagai penggunaan turbin angin. Sesuai dengan data pada Tabel 2.2, untuk membuat turbin angin yang akan digunakan untuk memproduksi tegangan listrik harus digunakan turbin angin dengan 3 blade. Turbin angin dengan menggunakan 3 blade akan menghasilkan kecepatan tinggi dengan torsi rendah dan mempunyai solidity yang rendah, dan khusus digunakan untuk menghasilkan tegangan listrik.
2.2.1 Jenis- jenis turbin angin Desain turbin angin yang ada saat ini secara umum terbagi menjadi dua,
yaitu turbin angin sumbu mendatar (HAWT) dan sumbu vertikal (VAWT). Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Universitas Sumatera Utara
11
Gambar 2.2 Komponen turbin angin (Sumber : Mittal, 2001) Keterangan gambar : 1. Arah angin pada HAWT tipe upwind 2. Diameter rotor 3. Hub height 4. Rotor blade 5. Gear box 6. Generator 7. Nacelle 8. Tower pada HAWT 9. Arah angin pada HAWT tipe downwind 10. Tinggi rotor 11. Tower pada VAWT 12. Equator height 13 Fixed- pitch rotor blade
Salah satu komponen utama dari turbin angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi mengkonversi gerak linier angin menjadi gerak putar sudu turbin. Rotor dapat diklasifikasikan berdasarkan fungsi gaya aerodinamisnya dan berdasarkan bentuk atau konstruksi rancangan rotor. Untuk pengklasifikasian berdasarkan
Universitas Sumatera Utara
12
fungsi gaya aerodinamisnya, merujuk pada gaya utama yang menyebabkan rotor berputar.
Berdasarkan fungsi gaya aerodinamis, rotor terbagi menjadi dua, yaitu rotor tipe drag dan rotor tipe lift. 1. Rotor tipe drag, memanfaatkan efek gaya hambat atau drag sebagai gaya penggerak rotor. 2. Rotor tipe lift, memanfaatkan efek gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profil rotor.
Berdasarkan bentuk rotor, turbin angin dibagi menjadi dua tipe, yaitu turbin angin sumbu mendatar (horizontal axis wind turbine) dan turbin angin sumbu vertical (vertical axis wind turbine) (Daryanto, 2007). 1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) merupakan turbin yang poros utamanya berputar menyesuaikan arah angin. Agar rotor dapat berputar dengan baik, arah angin harus sejajar dengan poros turbin dan tegak lurus terhadap arah putaran rotor. Biasanya turbin jenis ini memiliki blade berbentuk airfoil seperti bentuk sayap pada pesawat. Pada turbin ini, putaran rotor terjadi karena adanya gaya lift (gaya angkat) pada blade yang ditimbulkan oleh aliran angin. Turbin ini cocok digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi, dan banyak digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar.
Gambar 2.3 Turbin angin sumbu horizontal (Sumber : www.indoenergi.com )
Universitas Sumatera Utara
13
Jumlah blade pada HAWT bervariasi, mulai dari satu blade, dua blade, tiga blade, dan banyak blade (multi blade) yang penggunaannya disesuaikan dengan kebutuhan dan kondisi angin. Secara umum semakin banyak jumlah blade, semakin tinggi putaran turbin.
Gambar 2.4 Variasi jumlah blade pada HAWT (Daryanto, 2007) Setiap desain rotor mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan turbin jenis ini, yaitu memiliki efisiensi yang tinggi, dan cut-in wind speed rendah. Kekurangannya, yaitu turbin jenis ini memiliki desain yang lebih rumit karena rotor hanya dapat menangkap angin dari satu arah sehingga dibutuhkan pengarah angin selain itu penempatan dinamo atau generator berada di atas tower sehingga menambah beban tower. 2. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus, dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya lift. Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah turbin sehingga mempermudah
Universitas Sumatera Utara
14
perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak dipengaruhi arah angin. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT. VAWT awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil.
(a) H rotor
(b) Darrieus rotor
(c) Savonius rotor
Gambar 2.5 Turbin angin sumbu vertikal ( Sumber : id.wikipedia.org )
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. Penelitian lebih lanjut ekstraksi daya yang optimal didapatkan dengan rasio tertentu antara kecepatan aliran udara yang berada didepan mesin konversi energi dan kecepatan aliran di belakang mesin tersebut (turbin) (Eric Hau, 2006)
Besarnya energi kinetik dari massa udara m yang bergerak dengan kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut :
E
=
1 2
mv 2
(Joule)
………………………………………
(2.1)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
15
E = Energi (Joule) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/ s)
Banyaknya udara yang mengalir tiap satuan waktu pada luas penampang
A tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v , dituliskan sebagai
berikut :
.
V = vA
( m3 s ) ……………………………………….. (2.2)
Dimana :
.
V
=
kapasitas
aliran
udara
(m3/s)
A = Luas penampang melintang aliran (m2)
dan laju aliran massa dengan kerapatan ρ adalah :
.
m = ρvA
( kg s ) ………………………………………..
(2.3)
Dimana :
.
m = laju aliran massa (kg/s) ρ = massa jenis angin (kg/m3) Besar energi yang terkandung di dalam massa udara mengalir yang melewati luas penampang A per satuan waktu adalah :
P = 12 ρv3 A (W) ……………………………………….. (2.4) Hal yang perlu dikaji adalah besarnya energi mekanik yang dapat diekstraksi dari besarnya energi yang terkandung dalam udara oleh turbin. Pada energi mekanik hanya dapat diekstrasi dari besar energi kinetik yang terkandung dalam aliran angin,hal ini berarti bahwa laju aliran massa tidak berubah. Pada gambar kecepatan udara akan berkurang dan pada saat yang sama terjadi penambahan luas penampang,sehingga perlu dipertimbangkan kondisi di depan dan di belakang turbin. Pada gambar 2.6 v1 adalah kecepatan udara sebelum melewati turbin dan v2 adalah kecepatan udara setelah melewati turbin.
Universitas Sumatera Utara
16
Gambar 2.6 Pemodelan aliran dari Teori Momentum Betz ( Sumber : Erich Hau, 2006)
Energi mekanik yang diekstak dari angin akibat perbedaan kecepatan udara dapat dinyatakan dengan persamaan :
( )P
=
1 2
ρ .µ1 . A1
−
1 2
ρ.µ
2
3
.A2
=
1 2
ρ
µ13 .A1
− µ 2 3 .A2
(W) … (2.5)
Dimana :
P = daya yang diekstrak (W) ρ = massa jenis udara (kg/ m3)
A1 = Luas penampang aliran sebelum melalui rotor (m2) A2 = Luas penampang aliran setelah melalui rotor ( m2) v1 = Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor ( m/s) v2 = Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s) atau
.
P
=
12 m(v12
−
v
2 2
)
(W) …………………………………………
(2.6)
dari persamaan dapat disimpulkan bahwa daya maksimum yang diekstrak dari
angin jika v2 nol, yaitu pada saat angin berhenti setelah melewati turbin. Namun hal ini tidak mungkin terjadi,jika v2 adalah nol maka nilai v1 harus sama dengan nol dan akhirnya tidak ada udara yang mengalir melewati turbin. Hal ini bisa
Universitas Sumatera Utara
17
diharapkan supaya energi angin yang diubah semakin besar jika v2 semakin kecil atau rasio v1 / v2 semakin besar.
Hal ini memerlukan persamaan yang lain untuk daya mekanik dari turbin, dengan
menggunakan Hukum Kekekalan Momentum, besar energi angin yang diberikan
pada turbin adalah :
.
F = m(v1 − v2 )
(N ) ………………………………… (2.7)
Sesuai dengan hukum kedua Newton bahwa gaya reaksi sama dengan gaya reaksi,
bahwa gaya yang diberikan oleh udara akan sama dengan gaya hambat yang
diberikan oleh rotor. Daya yang diperlukan rotor untuk menghambat aliran udara
adalah
.
P = Fv, = m(v1 − v2 )v, dimana :
(W) ………………………… (2.8)
v, = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s) dengan demikian, daya mekanik yang diekstrak dari kecepatan udara akibat perbedaan kecepatan udara sebelum dan sesudah melewati rotor dengan menyamakan persamaan di atas adalah :
1
2
.
.
m
.(v1
2
− v22 )
=
.
m .(v1
− v2
).v ,
(W) ………………... (2.9)
maka kecepatan udara yang melewati rotor adalah :
v , = v1 + v2 2
(m/s) ………………………………… (2.10)
Maka besar daya keluaran mekanik yang dihasilkan adalah :
P = 14 .ρ.A(v12 − v2 2 )(v1 + v2 )
(W) ……………… (2.11)
daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang terdapat pada udara adalah :
Po = 12 ρ.v13 .A
(W) …………………………………… (2.12)
Dalam hal ini,dapat diketahu besar perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya yang terkandung di dalam udara. Rasio perbandingan antara
Universitas Sumatera Utara
18
daya yang dihasilkan turbin atau daya keluaran mekanik dengan daya yang terdapat pada udara disebut dengan power coefficient (Cp) dengan persamaan :
Cp
=
P Po
=
14 ρA(v12 − v22 )(v1
1 2
ρAv13
+ v2 )
………………………
(2.13)
koefisien daya (Cp) dapat ditentukan secara langsung dari perbandingan v2 / v1
adalah :
Cp
=
P P0
=
1 2
1− (v2 )2 v1
1+
v2 v1
…………………………(2.14)
Koefisien daya tergantung pada perbandingan antara kecepatan udara sebelum dan sesudah melalui turbin. Hubungan keterkaitan itu dapat dilihat pada grafik, solusi analitis dapat ditemukan dengan mudah bahwa koefisien daya mencapai titik maksimum pada rasio kecepatan tertentu.
Gambar 2.7 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran sebelum dan setelah dikonversi ( Sumber : Erich Hau, 2006)
dengan v2 / v1 = 1/3 yaitu koefisien daya maksimum, Cp menjadi
Universitas Sumatera Utara
19
Cp
=
16 27
= 0,593
Setelah mengetahui koefisien daya maksimum yang ideal adalah v2 / v1 = 1/3, maka kecepatan angin yang melalui rotor menjadi :
v, = 23 v1 ………………………………………………...... (2.15) Dan kecepatan setelah melewati turbin menjadi :
v2
=
1 3
v1
……………………………………………........(2.16)
Gambar 2.8 Profil Tekanan dan kecepatan angin yang melalui wind turbin jenis propeller sumbu horizontal ( Sumber : Erich Hau, 2006)
Dengan memperhatikan gambar 2.8 dan mengasumsikan bahwa roda turbin mempunyai ketebalan a- b, tekanan masuk dan kecepatan masuk adalah P1 dan v1 dan pada bagian keluar adalah lebih kecil karena energi kinetiknya telah diambil turbin. Turbin angin dapat mengkonversikan tidak lebih dari 60 % daya angin menjadi daya yang berguna.
Universitas Sumatera Utara
20
2.4 Tip speed ratio
Tip speed ratio adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan
angin bebas. Untuk kecepatan nominal angin tertentu, tip speed ratio akan
berpengaruh terhadap kecepatan rotor. Turbin angin tipe lift akan memiliki tip
speed ratio yang relatif besar dibandingkan dengan turbin angin drag.
Tip speed ratio (tsr) dihitung dengan persamaan :
λ = ωr = 2πnr Va 60Va
………………………………………… ( 2.17)
Dimana :
r = jari- jari rotor ( m )
n = pu