BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Proses pembuatan turbin angin tipe Darrieus-H dilakukan dengan cara manual handmade. Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai,
pengujian turbin angin dapat dilakukan. Proses penelitian dilakukan di Laboratorium Proses Produksi dan lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian
3.2.1 Objek Penelitian Sebelum penulis membuat komponen-komponen turbin angin Darrieus,
penulis terlebih dahulu menentukan dimensi bagian utama turbin. 1.
Menentukan kecepatan angin pengujian Sebelum menentukan dimensi utama turbin, penulis terlebih dahulu
mempertimbangkan kondisi kecepatan angin pengujian. Potensi sumber daya angin di Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 ms pada ketinggian 24 m diatas
permukaan tanah Indonesia Energy Outlook, 2010. Sementara turbin angin Darrieus akan menghasilkan daya pada kecepatan angin v 3 ms. Dari data
kecepatan angin di berbagai wilayah di Indonesia, penulis mengharapkan turbin angin ini nantinya dapat diaplikasikan di daerah Kamanggih, Nusa Tenggara
Timur dengan kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar v = 3,85 ms lihat Lampiran IX. Sehingga kecepatan angin dalam pengujian turbin angin ini
disesuaikan dengan kondisi kecepatan angin di lapangan. Maka penulis menyimpulkan bahwa pengujian turbin angin Darrieus akan dilakukan pada
kecepatan angin v = 3,85 ms. 2.
Menentukan geometri turbin dan perhitungan daya maksimum rotor Menurut aturan Betz, turbin angin hanya mampu mengekstrak energi angin
sebesar 59,3 dari total daya angin yang melalui luas sapuan turbin dengan
Universitas Sumatera Utara
asumsi aliran tidak viskos, arah aliran angin tegak lurus terhadap turbin dan tidak ada turbulensi. Sementara untuk kondisi aktual hal ini tidak bisa tercapai dan
untuk turbin angin Darrieus berkisar antara 25 – 40 . Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh
energi angin yang tersedia, baik untuk kegunaan elektrikal maupun mekanikal. Perkiraan diameter rotor ini tidak terlalu eksak. Kompromi dapat dilakukan dalam
rangka optimisasi dengan kekuatan struktur sudu dan juga biaya pembuatan. Dengan efisiensi rotor dan kondisi angin yang sama, semakin besar diameter rotor
semakin besar pula energi angin yang dapat diekstrak. Oleh karena itu ukuran rotor menggambarkan berapa besar kapasitas suatu sistem konversi energi angin
Daryanto, 2007. Untuk turbin angin Darrieus dengan diameter rotor 1.5 m dan tinggi rotor
1.5 m, daya maksimum yang dapat diekstrak dari angin dengan temperatur udara 32
C adalah sebagai berikut. d
= 1.5 m h
= 1.5 m A = dh = 2.25 m
2
= 1.1594 kgm
3
v = 3.85 ms
P
a
= ½ Av
3
P
a
= ½ 1.15942.253.85
3
= 74.43 W P
T
= 0.25 sd 0.4 P
a
= 18.60 sd 29.77 W 3.
Menentukan tipe airfoil sudu Tipe airfoil berhubungan dengan karakteristik koefisien lift C
L
dan koefisien drag
C
D
terhadap besarnya sudut serang . Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat baik biasanya menghasilkan geometri
sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang kompleks tentu akan mempertinggi
Universitas Sumatera Utara
tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan. Dengan demikian pertimbangan aerodinamik yang tepat diharapkan dapat memberikan rekomendasi bentuk sudu
dan rotor yang tepat yang memiliki efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu baik mekanikal maupun elektrikal, sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi
untuk desain dan pembuatan Daryanto, 2007. Selain itu ketersediaan data koefisien lift dan koefisien drag airfoil tersebut harus diperhatikan. Atas per-
timbangan di atas, maka penulis memilih profil sudu NACA 0018 dengan panjang chord
c = 0,3 m. Sehingga soliditas turbin adalah: = N cd
c m
D m
Jumlah sudu N 0.3
1.5 3
0.6 0.3
1.5 4
0.8 0.3
1.5 5
1 4.
Menentukan tip speed ratio Karena putaran dan daya turbin ini akan dikonversikan menjadi energi
listrik dengan cara meng-kopel poros turbin dengan generator sehingga turbin angin Darrieus ini diharapkan berputar pada 70 rpm. Sehingga tip speed ratio
turbin dapat diketahui dengan rumus: =
dimana,
= 2
60 = 2 3.14 70
60 = 7.397 rads
= 7.3970.753.85 = 1.441 5.
Menentukan bilangan Reynold Re dan sudut serang Untuk medapatkan nilai koefisien lift C
L
dan koefisien drag C
D
, sebelumnya harus menentukan bilangan Reynold dan sudut serang airfoil.
+, = -.
C = v { + cos
2
+ sin
2
}
12
Universitas Sumatera Utara
= 0 . 0 1 23 4
+ .62 47
dimana, Re
= bilangan Reynold = 1.1594 kgm
3
= tip speed ratio = 0.000017887 kgm.s
c = panjang chord m
C = kecepatan relatif ms
v = kecepatan angin ms
= sudut serang Perhitungan kecepatan relatif dan bilangan Reynold dibuat pada tabel di
bawah pada putaran 80 rpm. Untuk jumlah sudu 3 buah dan sudut pitch 6 6.
Menentukan koefisien lift C
L
, koefisien drag C
D
dan gaya tangensial sudu F Nilai C
L
dan C
D
untuk airfoil NACA 0018 diperoleh dari JavaFoil. Setelah C
L
dan C
D
didapat, maka dapat diperoleh koefisien gaya tangensial dan koefisien gaya normal.
C
T
= C
L
sin – C
D
cos C
N
= - C
L
cos – C
D
sin Setelah itu dicari besarnya gaya tangensial F sebagai fungsi dari sudut
azimuth sudu .
F = ½ v
2
H c -C
N
sin – C
T
cos Tabel.3.1 Koefisien lift C
L
, koefisien drag C
D
dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018
Φ θ
α Re
C cl
cd ct
Ft 0.000
163912.1 9.345
0.017 -0.017
-0.383 15
6.172 162553.5
9.268 0.757
0.021 0.061
1.360 30
12.300 158503
9.037 1.303
0.046 0.232
4.949 45
18.330 151837.1
8.657 1.447
0.159 0.304
5.952 60
24.197 142683.3
8.135 1.374
0.285 0.303
5.237 75
29.807 131221.2
7.481 1.163
0.448 0.190
2.770 90
35.017 117685.4
6.710 0.952
0.655 0.009
0.111 105
39.580 102375.4
5.837 0.794
0.865 -0.161
-1.427 120
43.044 85680.74
4.885 0.695
1.093 -0.325
-2.021
Universitas Sumatera Utara
135 44.476
68155.78 3.886
0.654 1.233
-0.421 -1.660
150 41.697
50759.37 2.894
0.73 1.182
-0.397 -0.867
165 29.293
35722.21 2.037
1.181 0.569
0.082 0.089
180 0.000
28853.45 1.645
0.029 -0.029
-0.020 195
-29.293 35722.21
2.037 -1.181
0.574 0.077
0.083 210
-41.697 50759.37
2.894 -0.73
1.182 -0.397
-0.867 225
-44.476 68155.78
3.886 -0.654
1.250 -0.434
-1.710 240
-43.044 85680.74
4.885 -0.695
1.089 -0.321
-2.000 255
-39.580 102375.4
5.837 -0.794
0.866 -0.161
-1.434 270
-35.017 117685.4
6.710 -0.952
0.653 0.011
0.135 285
-29.807 131221.2
7.481 -1.163
0.449 0.188
2.749 300
-24.197 142683.3
8.135 -1.374
0.285 0.303
5.226 315
-18.330 151837.1
8.657 -1.447
0.154 0.309
6.041 330
-12.300 158503
9.037 -1.303
0.046 0.232
4.947 345
-6.172 162553.5
9.268 -0.757
0.021 0.061
1.360 360
0.000 163912.1
9.345 0.017
-0.017 -0.383
F
ave
1.129
Data C
L
dan C
D
didapat dari JavaFoil v2.20 Copyright©2001-2012©Martin Hepperle Keterangan: tanda minus - hanya menunjukkan arah
Gaya tangensial rata-rata F
ave
= 1,129 N 7.
Menentukan daya turbin P
T
dan efisiensi turbin
T
Daya teoritis turbin dapat dihitung dengan rumus: P
T
= T dimana,
T = N
b
F
ave
r = 31.1290.75 = 2.54025 N.m
= 7.397 rads N
b
= jumlah sudu = 3 buah sehingga ,
P
T
= T = 2.540257.397 = 18.79 W Efisiensi teoritis turbin angin:
T
= P
T
P
a
x 100 = 18.79 74.43 x 100
= 25.25 Adapun objek penelitian yaitu turbin angin tipe Darrieus-H seperti gambar 3.1
dengan desain rancangan terlampir lihat lampiran V, VI, VII, dan VIII.
Universitas Sumatera Utara
1. Prototype Turbin Angin
Gambar 3.1 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H
Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H
No Spesifikasi
Keterangan
1 Jenis
Sumbu vertikal 2
Diameter 1500 mm
3 Tinggi
1500 mm 4
Lengan Rectangular tube
50x25x1.5 5
Jumlah sudu 3, 4, 5
2. Sudu
Sudu, merupakan bagian dari rotor turbin yang mengekstrak sebahagian dari total energi angin yang melalui area sapuan rotor.
Tabel.3.3 Spesifikasi sudu
No Spesifikasi
Keterangan
1 Profil Sudu
NACA 0018 2
Chord c 300 mm
Universitas Sumatera Utara
3 Tinggi
1500 mm 4
Bahan Pelat aluminium 0.5 mm
5 Jumlah sudu
3, 4 dan 5
Gambar.3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah
1. Digital Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan
yang mengalir pada beban, dengan data teknis sebagai berikut: Pabrikan
: Krisbow Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter
Function Range
Accuracy rdg + digits
DC Voltage V 326m, 3.26, 32.6, 326, 1000
± 0.5 + 2d AC Voltage V
3.26, 32.6, 326, 750 ± 1.2 + 4d
DC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10
± 1.2 + 3d AC Current A
326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± 1.5 + 5d
Resistance 326, 3.26K, 32.6K, 326K, 3.26M,
32.6M ± 2.0 + 4d
Frequency Hz
320,3200,32K ± 1.5 + 4d
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.3 Digital Multimeter 2.
Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin savonius, dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan : Krisbow
Dimension : 210 x 74 x 37 mm
Type : Display 5 digital 18 mm 0,7” LCD
Accuracy : ± 0,05 + 1 digital
Sampling time : 0,8 sec over 60 rpm
Range select : Auto range
Time base : Quartz crystal
Detecting distance : 50mm---500mm photo
Power : 4 x 1,5 VAA size battery or 6V direct current
stable voltage power Power cunsumtion
: approx 65 mA
Gambar 3.4 Digital Tachometer
Universitas Sumatera Utara
3. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur kecepatan angin dan
temperatur lingkungan, dengan data teknis sebagai berikut: Pabrikan
: Extech Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer
Specification Range
Resolution ms
0.6 – 30 ms 0.01 ms
ftmin 196 – 5900 ftmin
1 ftmin kmh
3.6 – 108 kmh 0.1 kmh
MPH 2.2 – 67 MPH
0.1 MPH Knots
1.9 – 58 knots 0.1 knots
Temperature 14 – 140 °F -10 – 60 °C 0.1 °F °C
Gambar 3.5 Thermo-Anemometer 4.
Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:
Pabrikan :
Daya : 1,5 kW 2 Hp
Putaran :1480 rpm
Tegangan : 220380
: 0,81
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.6 Motor listrik 5.
Permanent Magnet Generator PMG Type
: Permanet magnet generator PMG Cogging torque
: zero cogging torque Rpm
: very low rpm 20 sd 500 rpm : 0.7
Rotor Stator
Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator PMG 6.
Busur Busur digunakan untuk mengatur sudut pitch pada sudu turbin.
Gambar 3.8 Busur
Universitas Sumatera Utara
3.3 Pelaksanaan Penelitian
Kategori