Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu Naca 0018 Dan Analisa Perbandingan Efisiensi Menggunakan Variasi Jumlah Sudu Dan Sudut Pitch

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN

EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LIBERT SIJABAT NIM. 080401070

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

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

Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018 dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 00, 20, 40, 60, 80, 100, dan 120.

Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan = 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60, sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio, efisiensi

KATA PENGANTAR

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

Tugas akhir ini memuat Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu NACA 0018 dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Jumlah Sudu dan Sudut Serang. Efektifitas sudu turbin dalam meng-ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari jumlah sudu dan sudut serang turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip speed ratio poros turbin angin.

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

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen pembimbing yang memberikan bimbingan dan arahan sehingga penelitian ini berjalan dengan baik dan benar.

2. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Kedua orang tua penulis, Wilson Sijabat dan Rumi Situmorang yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

4. Saudara Kandung Penulis Silvia Christina Sijabat dan Willi Kaham Sijabat yang selalu memberikan dukungan.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

6. Rekan – rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Eka Wira Napitupulu yang telah bekerja bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

7. Teman-teman seperjuangan dari tim Hidram, tim Pelton, tim Vortex dan tim lainnya yang turut membantu dan mendukung menyelesaikan skripsi ini.

8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

9. Teman-teman satu kos dari betlehem camp dan berdikari 94a yang turut memberikan dukungan moral dalam menyelesaikan skripsi ini.

10.Irma Meliaki Simamora untuk kasih, doa, dan dukungan yang tidak terbatas kepada penulis.

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

Medan, 20 Juli 2013

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vii

DAFTARGAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Energi Angin ... 6

2.1.1 Asal energi angin ……… 6

2.1.2 Kandungan energi dalam angin ……….. 7

2.1.3 Pengukuran angin ……….. 7

2.3 Turbin Angin……… 10

2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin ………... 10

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal ………... 11

2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal ……… 12

2.4 Airfoil……… 14

2.5 Gaya Aerodinamik Pada Turbin Angin ... 16

2.6 Power Coefficient dan Tip Speed Ratio ... 19

2.7 Karakteristik Daya Rotor ... 22

2.8 Generator ... 23

BAB III METODE PENELITIAN ... 25

3.1 Tempat Penelitian ... 25

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 25

3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 36

3.3.1 Tahap persiapan ... 36

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ... 37

3.4 Diagram Alir Penelitian ... 40

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 41

4.1 Hasil Pengujian ...41

4.1.1 Pengukuran kecepatan angin ... 41

4.1.2 Data pengujian tanpa beban ... 44

4.1.3 Data pengujian beban 3 watt ... 44

4.1.5 Data pengujian beban 10 watt ... 45

4.2 Analisa Data ... 45

4.2.1 Perhitungan daya angin ... 45

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio ... 46

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ... 46

4.3 Grafik Pengujian ... 50

4.3.1 Grafik pengujian 3 sudu ………..………... 50

4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu ………... 53

4.3.3 Grafik pengujian 5 sudu ………... 56

4.4 Perbandingan Turbin Angin Savonius Dengan Turbin Angin Darrieus H………. 59

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 61

5.1 Kesimpulan ... 61

5.2 Saran ... 61

DAFTAR PUSTAKA... 63

LAMPIRAN L1. Hasil Percobaan dan Ketidakpastian ... 63

L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 77

L3. Tabel Sifat Udara ... 78

L4. Koordinat NACA 0018 ... 79

L6. Rotor Turbin Angin Darrieus H ... 82

L7. Instalasi Turbin Angin Darrieus H ……….……… 83

L8. Hub Turbin Angin Darrieus H ……….……….. 84

L9. Data Kecepatan Angin di Indonesia ……….. 85

L10. Nilai Ekonomis Turbin Angin ……….. 86

DAFTAR SIMBOL

AoA angle of attack, (0) TSR tip speed ratio

VAWT vertical axis wind turbine HAWT horizontal axis wind turbine

NACA National Advisory Committee of Aeronautics rpm revolution per minute

a interference factor

A luas sapuan rotor, m2 c panjang chord sudu, m

C kecepatan absolut elemen sudu

CD koefisien drag

CL koefisien lift

Cp koefisien daya

Cp,max koefisien daya maksimum

d diameter turbin, m

D gaya drag, N

F gaya, N

Fmax gaya maksimum, N

Ek energi kinetik angin, J

H tinggi turbin, m

I kuat arus, A

m massa, kg

aliran massa, kg/s

putaran, rpm

N jumlah sudu

daya angin, J/s

Pa daya angin, J/s

daya turbin, J/s

radius turbin, m

Re bilangan Reynold

waktu, s

v kecepatan angin, m/s

V’ kecepatan angin tepat pada turbin, m/s

tegangan, Volt

tegangan rata – rata, Volt

U’ kecepatan tangensial elemen sudu, m/s

Z ketinggian, m

kecepatan sudut rotor, rad/s

kerapatan angin, kg/m3

! sudut serang (angle of attack), (0) sudut azimuthal sudu, (0)

tip speed ratio

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon………... 9

Gambar 2.2 Aliran Angin di Indonesia……….. 10

Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ……… 12

Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal………. 14

Gambar 2.5 Airfoil ……… 16

Gambar 2.6 Penampang sudu………. 17

Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift ……….. 18

Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin……….. 19

Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin ………. 21

Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jumlah sudu……….. 22

Gambar 2.11 Kurva hubungan antara Tip-speed ratio terhadap Rotor power coefficient (CPR) pada berbagai jenis turbin angin………... 24

Gambar 3.1 Prototipe Turbin Angin Darrieus H ... 30

Gambar 3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018…………. 32

Gambar 3.3 Digital Multimeter ... 33

Gambar 3.4 Digital Tachometer ... 34

Gambar 3.5 Thermo-Anemometer ... 35

Gambar 3.6 Motor listrik ... 35

Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG)... 36

Gambar 3.8 Busur ... 36

Gambar 3.9 Prosedur Pengujian ……… 38

Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ... 39

Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ... 40

Gambar 4.1 Pengukuran Kecepatan Angin ... 41

Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah... 50

Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah ……. 51

Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

jumlah sudu 3 buah ………... 52 Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin

darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah... 53 Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap

efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah ……. 54 Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

jumlah sudu 4 buah ………... 55 Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin

darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah... 56 Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap

efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah ……. 57 Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

jumlah sudu 5 buah ………... 58 Gambar 4.11 Grafik pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin angin

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia………... 9

Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, Darrieus dan Tipe H ……… 14

Tabel 3.1 Koefisien lift CL, koefisien drag CD dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018……… 29

Tabel 3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H... 31

Tabel 3.3 Spesifikasi sudu………... 31

Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……... ... 32

Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer……….. ... 34

Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik …... 42

Tabel 4.2 Hasil Teoritis …... 43

Tabel 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum …... 43

Tabel 4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu ……... 44

Tabel 4.5 Data pengujian beban 3 Watt ………... 44

Tabel 4.6 Data pengujian beban 5 Watt ..…... 44

Tabel 4.7 Data pengujian beban 10 Watt ... 45

Tabel 4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt ………... 47

Tabel 4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 47

Tabel 4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 47

Tabel 4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt... 48

Tabel 4.12 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 48

Tabel 4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 49

Tabel 4.15 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 49

Tabel 4.16 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 49

Tabel 4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu lurus dan jumlah sudu 6 buah dengan sudu pengarah ………. 60

Tabel 4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil NACA 0018 dan jumlah sudu 3 buah ……….. 60

Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban... 65

Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 66

Tabel L.3 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt... 67

Tabel L.4 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt... 68

Tabel L.5 Data pengujian 4 sudu tanpa beban... 69

Tabel L.6 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 70

Tabel L.7 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 71

Tabel L.8 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 72

Tabel L.9 Data pengujian 5 sudu tanpa beban... 73

Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 74

Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt... 75

Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 76

Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 77

Tabel L.14 Koordinat airfoil NACA 0012……... 79

Tabel L.15 Nilai ekonomis berbagai sumber energi……... 86

ABSTRAK

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

Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018 dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 00, 20, 40, 60, 80, 100, dan 120.

Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan = 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60, sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 60. Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio, efisiensi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Penggunaan bahan bakar fosil selain mengurangi cadangan dalam bumi, juga berdampak pada terjadinya pemanasan global. Karena itu, diperlukan suatu tindakan untuk mencari pengganti sumber bahan bakar fosil. Di Indonesia, sebenarnya cukup banyak sumber-sumber energi alternatif yang tersedia. Berdasarkan hasil pengkajian, potensi pemanfaatan energi alternatif di Indonesia sangat besar. Untuk potensi solar cell, letak Indonesia yang berada di garis khatulistiwa sudah tidak diragukan lagi dengan potensi sebesar 4 W/m2. Sumber energi alternatif lainnya-pun memiliki potensi yang besar seperti geothermal dengan total potensi sebesar 19.658 MW, hydro memiliki total potensi 75.000 MW. Energi angin, Indonesia memiliki potensi sebesar 9.286 MW. (KESDM, 2010)

Energi angin sebagai salah satu sumber energi alternatif terbarukan merupakan energi yang mempunyai potensi cukup besar (9,29 GW) namun dalam penggunaan sekarang ini masih sangat minim yaitu sekitar 800 kW atau 0,008% dari potensi sesungguhnya. Salah satu penyebabnya minimnya pemanfaatan energi angin adalah kecepatan angin rata-rata di wilayah Indonesia, yang berkisar hanya antara 2 hingga 5 m/s, tergolong rendah sehingga secara teori sulit untuk menghasilkan energi listrik dalam skala besar . Namun demikian, dengan potensi angin di Indonesia yang hampir tersedia sepanjang tahun, pengembangan sistem pembangkit listrik energi angin untuk skala kecil sangat mungkin untuk diterapkan. Energi angin merupakan sumber energi yang ramah lingkungan. Pembangkitan energi angin tersebut tidak menimbulkan emisi karbon dioksida sehingga ramah lingkungan. Hal inilah yang mendorong penulis untuk merancang dan membuat turbin angin skala kecil yang mana perancangan ini dapat digunakan sebagai acuan pembuatan turbin angin untuk memanfaatkan sumber daya yang tersedia khususnya tenaga angin.

Konstruksi turbin angin yang akan dikembangkan oleh penulis adalah turbin angin sumbu vertikal Darrieus tipe-H. Keuntungan dari turbin angin ini yaitu: konstruksi turbin yang sedehana dan turbin ini menangkap angin dari segala arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin angin tersebut, sehingga turbin angin ini dapat bekerja pada kondisi angin yang turbulen. Turbin angin Darrieus menggunakan sudu dengan bentuk yang menyerupai sayap pesawat, maka turbin angin ini memanfatkan gaya angkat yang dihasilkan oleh angin. Karena turbin angin ini memanfaatkan gaya angkat, maka kecepatan putaran turbin angin ini bisa lebih besar dari kecepatan angin di sekitar, sehingga efisiensi untuk mengekstrak energi angin menjadi lebih besar. Konstruksi turbin angin yang dikembangkan penulis dapat berputar pada kecepatan angin 3,85 m/s. Nantinya hasil rancangan yang dikembangkan oleh penulis diharapkan dapat digunakan di daerah Kamanggih, Nusa Tenggara Timur. Dimana di daerah Kamanggih kecepatan angin rata-rata sebesar 3,9 m/s. (majalahenergi.com)

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah: - Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin. - Untuk mengetahui pengaruh sudut pitch terhadap efisiensi turbin.

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah

1.3.1 Rumusan masalah

Dalam penelitian turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H yang terkonsentrasi pada pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dapat dibangkitkan turbin ini yang kemudian dikonversikan dalam bentuk energi listrik. Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin tentu bervariasi terhadap penggunaan jumlah dan profil sudu yang digunakan serta kecepatan angin yang akan melalui turbin ini.

Sebelum penulis melakukan penelitian ini, terlebih dahulu penulis merumuskan permasalahan tersebut dalam bentuk pernyataan berikut :

1. Pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dihasilkan oleh turbin angin.

2. Pengaruh sudut pitch terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin.

1.3.2 Batasan masalah

Banyak aspek yang mempengaruhi performansi turbin angin Darrieus tipe-H seperti jumlah sudu, profil sudu, rasio kepadatan (solidity), sudut pitch ( ), kecepatan angin dan lain-lain. Karena ruang lingkup penelitian untuk turbin angin ini sangat luas, maka penulis membuat batasan masalah penelitian yaitu:

1. Turbin angin Darrieus tipe-H dengan spesifikasi

Diameter rotor : 1,5 m

Tinggi rotor : 1,5 m

Profil sudu : NACA 0018

2. Variasi dalam pengujian adalah:

Jumlah sudu : 3, 4, 5

Sudut pitch ( ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12

3. Pengujian dilakukan dengan menggunakan angin buatan yang dihembuskan oleh kipas agar kecepatan angin yang didapatkan konstan sebesar 3,85 m/s.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari: 1. Aspek keilmuan atau akademis

Penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Mekanika Fluida, Mesin Konversi Energi, dan CFD (Computational Fluid Dynamics), sehingga dengan dilakukannya penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini dapat menambah wawasan tentang turbin angin serta mengembangkan pola pikir tentang pemanfaatan energi angin dengan menggunakan turbin angin sehingga timbul gagasan yang lebih baik.

2. Aspek praktik atau implementasi

Penelitian ini difokuskan pada pembuatan turbin angin Darrieus tipe-H skala kecil. Energi listrik yang dihasilkan turbin ini akan disimpan di dalam baterai, kemudian digunakan untu keperluan tertentu seperti, kebutuhan rumah tangga, menghidupkan lampu jalan, penggerak pompa air untuk daerah pertanian, untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk daerah yang belum terjangkau oleh PLN, dan sebagainya.

1.5 Sistematika Penulisan

Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematia penulisan sebagai berikut:

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini terdiri dari sub-bab latar belakang, tujuan, rumusan dan batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Bab berisi hal – hal yang melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis sehingga akan dilakukannya suatu penelitian. Penelitian merupakan kegiatan ilmiah yang tentunya memiliki tujuan yang akan dicapai dibahas dalam sub-bab tujuan penelitian.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

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

BAB III. PERANCANGAN TURBIN ANGIN DARRIEUS TIPE-H

Bab ini berisi tentang perancangan turbin angin Darrieus tipe-H meliputi desain, bahan dan dimensi rancangan. Adapun elemen – elemen utama yang diperkirakan adalah profil sudu, dimensi rotor, metode penyimpanan energi.

BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi tentang metode yang dilakukan penulis dalam melakukan perancangan dan pengujian turbin angin Darrieus tipe-H.

BAB V. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA

Bab ini berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari pengukuran daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin. Kemudian dilakukan analisa data hasil penelitian untuk membandingkan hasil perhitungan dengan hasil pengujian.

BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisikan jawaban dari tujuan dilakukannya penelitian.

1.6 Metode Pengumpulan Data

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

1. Studi literatur 2. Studi lapangan

3. Survei alat dan bahan yang akan digunakan 4. Diskusi dengan dosen pembimbing

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Angin

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi. Diantaranya, energi gelombang, energi arus laut, energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kebutuhan manusia. Salah satu dari energi tersebut adalah energi angin yang jumlahnya tak terbatas dan banyak digunakan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak sehingga mampu menggerakkan perahu layar, kincir angin, dan bisa dimanfaatkan menjadi pembangkit listrik yaitu berupa turbin angin. Keberadaan energi angin ini terdapat di lapisan atmosfer bumi yang banyak mengandung partikel udara dan gas. Lapisan troposfer merupakan lapisan atmosfer terendah bumi dan dilapisan ini semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.

Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. Pemanasan bumi oleh sinar matahari menyebabkan perbedaan massa jenis ( ) udara. Perbedaan massa jenis ini menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida dan menghasilkan angin. Kondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau permukaan bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperatur permukaan bumi.

2.1.1 Asal Energi Angin

Hampir semua energi terbarukan yaitu energi pasang surut, arus dan gelombang air, bahkan energi fosil berasal dari energi matahari. Matahari meradiasikan 1,74 x 1017 joule energi ke permukaan bumi setiap detiknya. Sekitar 1% hingga 2% energi yang datang dari matahari diubah menjadi energi angin.

Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak. Besarnya energi yang terkandung pada angin tergantung pada kecepatan angin dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan, besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang bermassa m dan berkecepatan v adalah :

2

2 1

mv Ek =

………..(2.1) Dimana:

Ek = Energi kinetic (joule) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa jenis udara ( ) dan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatannya.

2.1.3 Pengukuran Angin

Parameter yang diukur pada proses konversi energi angin pada umumnya adalah kecepatan dan arahnya. Kecepatan angin diukur dengan menggunakan alat anemometer. Anemometer mempunyai banyak jenis dan salah satunya adalah anemometer tangan.

Anemometer tangan terdiri dari semacam kipas kecil pada ujungnya yang akan berputar ketika dilalui oleh angin . Jumlah putaran setiap waktu direkam dan dinyatakan dalam besaran kecepatan angin. Pembacaan skala kecepatan angin dapat dilakukan dengan melihat skala pembaca yang terdapat pada anemometer.

Griggs-Putnam membuat indeks kecepatan angin berdasarkan deformasi yang terjadi pada pohon seperti tampak pada gambar berikut :

Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon (Sumber : Wind Turbine Techonology)

2.2 Potensi Angin Di Indonesia

Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/detik pada ketinggian 24 meter di atas permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara keseluruhan, potensi energi angin Indonesia diperkirakan mencapai 9.290 MW. Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup dari arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah selatan khatulistiwa bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera bagian selatan dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara.

Dikutip dari majalahenergi.com diperoleh data kecepatan angin rata-rata tahunan pada beberapa daerah di kawasan Indonesia. Pengukuran kecepatan angin ini dilakukan pada ketinggian 50 m yang dapat dilihat pada Lampiran. Dari data kecepatan angin ini memungkinkan untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin berskala kecil di Indonesia. Berikut ini merupakan data potensi energi terbarukan di Indonesia.

Tabel.2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia

Jenis energi Sumber daya Setara Kapasitas terpasang

Air 845 x 106 BOE 75,7 GW 4200 MW

Panas bumi 219 x 106 BOE 27,0 GW 800 MW

Mini/Mikrohidro 458 MW 458 MW 84 MW

Biomassa 49,81 GW 49,8 GW 302,4 MW

Surya 4,8 kWh/m2/hari --- 8,0 MW

Angin 9,29 GW 9,3 GW 0,5 MW

Sumber: DESDM, 2005

Gambar.2.2 Aliran angin di Indonesia (Sumber: bmkg.go.id)

2.3 Turbin Angin

Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme kerjanya memanfaatkan energi angin. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt. Di negara-negara berkembang, penggunaan turbin angin berada dalam skala riset. Hal ini dikarenakan teknologi yang berada di negara tersebut masih butuh pengembangan lebih lanjut untuk memperoleh turbin angin yang bagus. Oleh

karena itu, untuk riset turbin angin akan dicari sebuah desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin lebih baik dari sebelumnya.

2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin

Turbin angin adalah sebuah alat yang memanfaatkan energi kinetik angin dan mengubahnya kedalam bentuk energi gerak putaran rotor dan poros generator untuk menghasilkan energi listrik. Energi gerak yang berasal dari angin akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang kemudian akan dihasilkan energi listrik. Turbin angin adalah mesin penggerak yang memanfaatkan angin sebagai penggeraknya.

Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah. Turbin angin sumbu vertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah.

Berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi pada rotor, turbin angin terbagi 2 yaitu drag dan lift. Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui bentuk aerodinamis sudu. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan putar rotornya. Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah. Rotor turbin angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan putar tinggi bila dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin putaran tinggi. Setiap jenis turbin angin memiliki perancangan, kekurangan dan kelebihan masing-masing.

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah angin.Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade), ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator.

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

1. Upwind

2. Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datang angin.

Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal (Sumber: Wind Blade Rotor Construction, Hugh Piggot)

2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag adalah turbin angin savonius, yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar. Turbin angin poros vertikal atau yang lebih dikenal memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah lebih sederhana perancangan dan pembuatannya dibandingkan turbin angin sumbu

horizontal. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya adalah memungkinkan penempatan komponen mekanik, komponen elektronik, transmisi roda gigi, dan generator dekat dengan permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah datangnya angin sehingga tidak membutuhkan mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin angin sumbu horizontal.

Beberapa jenis turbin angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut: a. Savonius Rotor

Turbin angin dengan konstruksi sederhana yang ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk dalam kategori TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) ini memiliki rotor dengan bentuk dasar setengah silinder. Konsep turbin angin savonius cukup sederhana, prinsip kerjanya berdasarkan differential drag windmill. Pada perkembangan selanjutnya, savonius rotor tidak lagi berbentuk setengah silinder tetapi telah mengalami modifikasi guna peningkatan performance dan efisiensi.

b. Darrieus Rotor

Merupakan salah satu TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) dengan efisiensi terbaik serta mampu menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan kecepatan angin yang tinggi. Turbin angin Darrieus mengaplikasikan blade dengan bentuk dasar aerofoil NACA. Prinsip kerja turbin angin Darrieus yaitu memanfaatkan gaya lift. Kelemahan utama dari turbin angin Darrieus yaitu yakni memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan self start. Pada aplikasiya, darrieus wind turbine selalu membutuhkan perangkat bantuan untuk melakukan putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa motor listrik atau umumnya lebih sering menggunakan gabungan turbin angin Savonius pada poros utama. Untuk menghindari fluktuasi torsi yang besar, aplikasi turbin angin Darrieus umumnya menggunakan tiga blade.

c. H-Rotor

Turbin tipe H adalah variasi dari tipe Darrieus. Keduanya sama-sama menggunakan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Tipe H jauh lebih simpel dari tipe Darrieus. Bila tipe Darrieus menggunakan bilah yang ditekuk,

maka tipe H menggunakan bilah lurus. Bilah ini dihubungkan ke poros menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan generator.

Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (Sumber: Wind Turbines, Eric Hau)

Perbandingan antara turbin angin tipe Savonius, Darrieus dan Tipe H dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, Darrieus dan Tipe H

Savonius Darrieus Tipe H

- Dapat berputar pada kecepatan angin rendah - Proses

manufaktur mudah

- Koefisien daya rendah

- Koefisien daya lebih tinggi - Telah dibuat dalam skala besar - Tidak dapat mulai berputar

sendiri (self start)

- Tidak dapat diatur kecepatan putarnya lewat pengaturan sudut serang

- Proses manufaktur susah dan mahal

- Desain sederhana

- Koefisien daya kurang lebih sama dengan Darrieus

- Proses manufaktur mudah - Dapat dilakukan pitching pada

bilah sudu

- Jurnal atau referensi belum banyak ditemukan

Sumber : http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/

2.4 Airfoil

Airfoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Geometri airfoil

memiliki pengaruh besar terhadap karakteristik aerodinamika dengan parameter penting berupa CL, dan kemudian akan terkait dengan lift (gaya angkat yang dihasilkan) (Mulyadi, 2010).

Hingga sekitar Perang Dunia II, airfoil yang banyak digunakan adalah hasil riset Gottingen. Selama periode ini banyak pengajuan airfoil dilakukan diberbagai negara, namun hasil riset NACA lah yang paling terkemuka. Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek kelengkungan dan distribusi ketebalan atau thickness serta pengujiannya dilakukan pada bilangan Reynold yang lebih tinggi dibanding yang lain. Hal ini sering dirangkum oleh beberapa parameter seperti: ketebalan maksimum, maksimum bentuk melengkung, posisi max ketebalan, posisi maks bentuk melengkung, dan hidung jari-jari. Seperti terlihat pada gambar 2.5 suatu airfoil

terdiri dari:

• Permukaan atas (Upper Surface) • Permukaan bawah (Lowerer Surface)

• Mean camber line adalah tempat kedudukan titik-titik antara permukaan atas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber line

itu sendiri.

• Leading edge adalah titik paling depan pada mean camber line, biasanya berbentuk lingkaran dengan jari-jari mendekati 0,02 c.

• Trailing edge adalah titik paling belakang pada mean camber line

• Camber adalah jarak maksimum antara mean camber line dan garis chord

• Ketebalan (thickness) adalah jarak antara permukaan atas dan permukaan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord.

Gambar 2.5 NACA airfoil geometry

Sumber: http://michaelsuseno.blogspot.com/2011/09/airfoil

2.5 Gaya Aerodinamik pada Turbin Angin

Sudu atau rotor berfungsi untuk menghasilkan putaran akibat gaya angin dan menggerakkan poros turbin dan poros generator yang kemudian akan menghasilkan energi listrik. Sudu turbin angin diusahakan memiliki kekasaran yang sama pada setiap permukaannya sehingga gaya lift yang dihasilkan tinggi. Bagian pangkal sudu dicengkeram oleh hub dengan menggunakan baut. Jari-jari sudu adalah jarak dari sudu dari permukaan poros rotor sampai ujung dari sudu.

Pada sudu turbin angin akan terjadi tegangan geser pada permukaannya ketika kontak dengan udara. Distribusi tegangan geser pada permukaan sudu ini dipresentasi dengan adanya gaya tekan (drag) yang arahnya sejajar dengan arah aliran fluida dan gaya angkat (lift) yang arahnya tegak lurus dari arah aliran fluida. Kedua gaya ini menyebabkan sudu dapat berputar. Kedua gaya ini dipengaruhi oleh bentuk sudu, luas permukaan bidang sentuh, sudut serang, dan kecepatan angin. Secara matematis, kedua gaya ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

+ =

= dF p dA dA

FD x cosθ τwsinθ _{………(2.2)}

+ −

=

= dF p dA dA

FL y sinθ τwcosθ _{………..(2.3)}

sDimana P adalah tekanan yang terjadi pada permukaan sudu akibat gaya aliran udara, sedangkan adalah sudut yang dibentuk antara arah aliran udara terhadap sumbu normal sudu

Gambar 2.6 Penampang sudu ( Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)

Istilah drag merupakan gaya yang berasal dari energi angin yang mendorong lurus sudu searah dengan arah angin. Gaya drag pada dasarnya digunakan oleh turbin angin savonius. Gaya ini menyebabkan sudu bergerak. Namun, gerakan rotor yang terjadi sangat rendah dan sudu yang sebenarnya bergerak melawan arah angin akan memperlambat gerak rotor. Selain itu, terdapat gaya lain berupa lift yang selalu bekerja pada sudut airfoil yang mengarahkan sudu terangkat akibat gerak angin. Sudu turbin angin sumbu horizontal mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya

drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift.

Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift (Sumber: http://michaelsuseno.blogspot.com/2011/09/airfoil)

Untuk mempermudah perhitungan fenomena drag dan lift, maka dengan metode numeric (Gerhart), diperkenalkanlah drag and lift coeffient (koefisien gaya hambat dan gaya angkat) yang dilambangkan dengan CD dan CL. Besarnya CL dan CD bergantung dari bentuk melintang sudu yang digunakan dan sudut serang ( ). Secara matematis, hubungan gaya drag dan lift dengan koefisiennya dapat dirumuskan sebagai berikut:

A U C

F_{D D} 2

2 1

ρ =

………(2.4)

A U C

F_{L L} 2

2 1

ρ =

………(2.5) Dimana adalah massa jenis udara, A adalah luas penampang sudu, dan U adalah kecepatan angin.

Hubungan antara CL dan CD terhadap sudut serang ( ) diukur dan ditentukan secara eksperimen dan sudah dibukukan dalam suatu catalog.

Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin (Sumber: Ekawira K. Napitupulu)

L = gaya lift sudu (N)

D = gaya drag sudu (N)

= kecepatan sudut elemen sudu (rad/s)

r = radius turbin (m) = sudut serang sudu (0)

c = kecepatan absolut elemen sudu (resultan vektor v’ dengan u’)

c = v’{( + cos )2 + (sin )2}1/2 (2.6)

v’ = kecepatan angin (m/s)

u’ = kecepatan tangensial elemen sudu (m/s)

u’ = r (2.7)

Catatan: - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c

- gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c

2.6 Power Coeffient dan Tip Speed Ratio

Desain aerodinamik pada turbin angin memerlukan banyak pengetahuan fisika dasar tentang hukum konversi energi. Seorang perancang akan menghadapi permasalahan tentang hubungan antara bentuk sudu, jumlah sudu, dan sifat-sifat aerodinamik.

Bet’z memudahkan teori momentum pada sudu turbin dengan cara pemodelan aliran dua dimensi. Aliran udara ini akan menyebabkan defleksi pada

airfoil. Gerakan dari angin ini akan menggerakkan sudu sehingga timbul gerak putar pada sudu turbin.

Power Coefficient (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan secara mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan oleh gaya lift pada aliran udara. Secara matematis, hubungan ini dapat dituliskan:

3 2 1 2 2 2 1 0 2 1 ) )( ( 4 1 Av v v v v A P P C_P ρ

ρ − +

= = ………..(2.8) + − = = 1 2 1 2 0 2 1 1 2 1 v v v v P P C_P ………...(2.9)

Dimana:

Cp = koefisien daya

P = daya mekanik yang dihasilkan rotor (watt)

P0 = daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu (watt)

= massa jenis udara (kg/m2)

A = luas penampang bidang putar sudu (m2)

v1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (m/s)

v2 = kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (m/s)

Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin (Sumber: John Twidell dan Tony Weir [7], hal 274)

Energi yang terkandung pada spin (putaran sudu) akan mengurangi proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada aliran. Secara teori momentum, power coefficient dari turbin harus lebih kecil daripada harga yang ditentukan oleh Betz’s (sekitar 0,593). Hal ini disebabkan terjadinya losses pada mekanisme gerak turbin angin. Power coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar sudu dan gerak rotasi pada aliran udara. Rasio ini didefinisikan sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap kecepatan angin dan didefenisikan sebagai tip speed ratio ( ), yang secara umum direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung sudu.

Tip speed ratio,

w

v u

= λ

………(2.10) Dimana:

u = kecepatan tangensial dari ujung sudu (m/s) vw = kecepatan angin (m/s)

atau tip speed ratio,

Tip speed ratio,

v dn

60

π

λ=

……… (2.11) dimana d adalah diameter sudu, n adalah putaran rotor atau sudu, dan v adalah kecepatan angin.

Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power coefficient

(CPR) pada berbagai jumlah sudu (Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)

Kecepatan aksial Va pada rotor turbin angin dengan kecepatan tangensial u pada radius dari penampang sudu dikombinasikan menjadi kecepatan aliran total

Vr.

Elemen dasar pada kurva daya rotor adalah power coefficient (CP) yang merupakan fungsi dari tip speed ratio untuk semua spesifikasi turbin atau mesin angin. Pada beberapa sumber buku power coefficient didefinisikan sebagai rotor power coefficient (CPR), sehingga besarnya nilai CP dan CPR adalah sama. Pada penampang sudu terdapat sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch sudu. Sudut serang adalah parameter aerodinamik dan sudut pitch sudu adalah untuk parameter desain.

Perhitungan keseimbangan gaya meliputi tidak hanya pada drag dan lift

airfoil murni, tetapi juga meliputi semua komponen drag dan lift lain yang terdapat di sekitar sudu. Resultan Drag merupakan fungsi dari koefisien lift lokal dan aspek rasio dari sudu. Perhitungan drag dan lift aerodinamik lokal, menurut teori momentum pada sudu (teori Betz’s), terkait distribusi gaya aerodinamik sepanjang sudu. Terdapat dua komponen, yaitu: satu pada bidang putaran rotor yang dinamakan dengan distribusi gaya tangensial, dan satu lagi adalah distribusi gaya dorong.

Pada dasarnya besar tekanan yang terjadi antara pangkal (top) dengan ujung (tip) sudu adalah berbeda.

Dengan mengetahui sudut pitch sudu, dapat ditentukan besarnya lebar sudu. Besarnya lebar sudu merupakan fungsi dari sudut pitch dan tip speed ratio. Pada prosesnya, setiap sudu memiliki lapisan angin tertentu. Untuk jari-jari r yang kecil, jumlah angin yang melapisi sudu tentu akan lebih kecil. Secara matematis, besarnya sudu (chord) dapat dinyatakan dengan:

B r R R C ₂ 9 ) / ( 16 λ π = ……….(2.12) Dimana C adalah ketebalan sudu, r adalah jari-jari sudu, R adalah jari-jari total turbin angin, dan B adalah jumlah sudu.

2.7 Karakterisiktik Daya Rotor

Teori momentum sederhana (teori Betz’s) telah menyediakan persamaan dasar untuk menghitung besarnya output daya mekanik dari rotor (mechanical power output). Dengan menggunakan power coefficient CP, daya rotor dapat dihitung sebagai fungsi dari kecepatan angin.

A v C

P_{R P w}3

2 ρ = ………(2.13) Atau, A v C

P_{R P w}3

2 ρ η = ……….(2.14) Dimana:

vw = kecepatan angin

CP = koefisien daya rotor

= massa jenis udara

PR = daya rotor

= Efisiensi elektrik dan mekanik

Gambar 2.11 Kurva hubungan Tip-speed ratio terhadap Rotor power coefficient

(CPR) pada berbagai jenis turbin angin. (Sumber: Wind Turbines, Erich Hau)

2.8 Generator

Untuk menghasilkan energi listrik dari putaran turbin, perangkat turbin angin harus menggunakan generator. Generator adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menjadikan medan magnet yang ada disekitar konduktor mengalami fluktuasi atau perubahan, sehingga timbul tegangan listrik. Magnet yang berputar disebut rotor dan konduktor yang diam disebut stator.

Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi 2 jenis, yaitu generator magnet tetap dan generator magnet sementara. Pada generator dengan

magnet tetap, sifat kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Untuk membangkitkan listrik dengan generator ini, dilakukan dengan memutar poros generator supaya menyebabkan fluktuasi magnet dan dihasilkan tegangan listrik. Untuk generator magnet sementara sifat kemagnetannya mudah hilang. Sifat medan magnet yang terjadi pada generator ini dihasilkan dengan induksi. Untuk membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus listrik ketika kumparan magnetnya berputar.

Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi 2, yaitu generator arus bolak balik (AC) dan generator arus searah (DC). Generator arus bolak balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak balik dan bila dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung pada spesifikasi rotor itu sendiri.

Pada generator arus searah (DC) terdapat rectifier yang berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC. Generator ini menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan bila dihubungkan dengan beban, akan menimbulkan arus searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran.

Pada penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah generator AC dengan menggunakan magnet permanen. Generator jenis ini disebut juga Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat menghasilkan daya dan tegangan listrik pada putaran yang rendah.

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 m/s pada ketinggian 24 m diatas permukaan tanah (Indonesia Energy Outlook, 2010). Sementara turbin angin Darrieus akan menghasilkan daya pada kecepatan angin (v 3 m/s). 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 m/s (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 m/s.

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

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 320 C adalah sebagai berikut.

d = 1.5 m h = 1.5 m A = dh = 2.25 m2 = 1.1594 kg/m3

v = 3.85 m/s

Pa = ½ Av3

Pa = ½ (1.1594)(2.25)(3.85)3

= 74.43 W

PT = (0.25 s/d 0.4) Pa

= (18.60 s/d 29.77) W 3. Menentukan tipe airfoil sudu

Tipe airfoil berhubungan dengan karakteristik koefisien liftCL dan koefisien

drag CD 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

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

chordc = 0,3 m. Sehingga soliditas ( ) turbin adalah:

= N c/d

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 70₆₀ = 7.397 rad/s = (7.397)(0.75)/3.85 = 1.441

5. Menentukan bilangan Reynold (Re) dan sudut serang ( )

Untuk medapatkan nilai koefisien liftCLdan koefisien dragCD, sebelumnya

harus menentukan bilangan Reynold dan sudut serang airfoil.

+, = -._/

! = 0 . 0 1 _{+ .62 47}23 4 dimana,

Re = bilangan Reynold = 1.1594 kg/m3

= tip speed ratio = 0.000017887 kg/m.s

c = panjang chord (m) C = kecepatan relatif (m/s)

v = kecepatan angin (m/s) = sudut serang (0)

Perhitungan kecepatan relatif dan bilangan Reynold dibuat pada tabel di bawah pada putaran 80 rpm. (Untuk jumlah sudu 3 buah dan sudut pitch 60) 6. Menentukan koefisien lift CL, koefisien drag CDdan gaya tangensial sudu (F)

Nilai CL dan CD untuk airfoil NACA 0018 diperoleh dari JavaFoil. Setelah

CL dan CD didapat, maka dapat diperoleh koefisien gaya tangensial dan koefisien

gaya normal.

CT = CL sin – CD cos

CN = - CL cos – CD sin

Setelah itu dicari besarnya gaya tangensial (F) sebagai fungsi dari sudut azimuth sudu ( ).

F = ½ v2 H c (-CN sin – CT cos )

Tabel.3.1 Koefisien lift CL, koefisien drag CD dan gaya tangensial untuk airfoil

NACA 0018

Φ θ α Re C' cl cd ct Ft

0 0 0.000 163912.1 9.345 0 0.017 -0.017 -0.383

0 15 6.172 162553.5 9.268 0.757 0.021 0.061 1.360

0 30 12.300 158503 9.037 1.303 0.046 0.232 4.949

0 45 18.330 151837.1 8.657 1.447 0.159 0.304 5.952

0 60 24.197 142683.3 8.135 1.374 0.285 0.303 5.237

0 75 29.807 131221.2 7.481 1.163 0.448 0.190 2.770

0 90 35.017 117685.4 6.710 0.952 0.655 0.009 0.111

0 105 39.580 102375.4 5.837 0.794 0.865 -0.161 -1.427 0 120 43.044 85680.74 4.885 0.695 1.093 -0.325 -2.021

0 135 44.476 68155.78 3.886 0.654 1.233 -0.421 -1.660 0 150 41.697 50759.37 2.894 0.73 1.182 -0.397 -0.867

0 165 29.293 35722.21 2.037 1.181 0.569 0.082 0.089

0 180 0.000 28853.45 1.645 0 0.029 -0.029 -0.020

0 195 -29.293 35722.21 2.037 -1.181 0.574 0.077 0.083 0 210 -41.697 50759.37 2.894 -0.73 1.182 -0.397 -0.867 0 225 -44.476 68155.78 3.886 -0.654 1.250 -0.434 -1.710 0 240 -43.044 85680.74 4.885 -0.695 1.089 -0.321 -2.000 0 255 -39.580 102375.4 5.837 -0.794 0.866 -0.161 -1.434 0 270 -35.017 117685.4 6.710 -0.952 0.653 0.011 0.135 0 285 -29.807 131221.2 7.481 -1.163 0.449 0.188 2.749 0 300 -24.197 142683.3 8.135 -1.374 0.285 0.303 5.226 0 315 -18.330 151837.1 8.657 -1.447 0.154 0.309 6.041

0 330 -12.300 158503 9.037 -1.303 0.046 0.232 4.947

0 345 -6.172 162553.5 9.268 -0.757 0.021 0.061 1.360

0 360 0.000 163912.1 9.345 0 0.017 -0.017 -0.383

Fave 1.129

Data CL dan CD didapat dari JavaFoil v2.20 Copyright©2001-2012©Martin Hepperle

Keterangan: tanda minus (-) hanya menunjukkan arah

Gaya tangensial rata-rata Fave = 1,129 N

7. Menentukan daya turbin (PT) dan efisiensi turbin ( T)

Daya teoritis turbin dapat dihitung dengan rumus: PT = T

dimana,

T = Nb Fave r = 3(1.129)(0.75) = 2.54025 N.m

= 7.397 rad/s

Nb = jumlah sudu = 3 buah

sehingga ,

PT = T = 2.54025(7.397) = 18.79 W

Efisiensi teoritis turbin angin: T = (PT / Pa) 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).

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

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)

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

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

m/s 0.6 – 30 m/s 0.01 m/s

ft/min 196 – 5900 ft/min 1 ft/min

km/h 3.6 – 108 km/h 0.1 km/h

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 : 220/380

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 s/d 500 rpm) : 0.7

Rotor Stator

Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG) 6. Busur

Busur digunakan untuk mengatur sudut pitch ( ) pada sudu turbin.

3.3 Pelaksanaan Penelitian

3.3.1 Tahap Persiapan

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

1. Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4, dan 5 sudu. Tiap variasi sudu divariasikan sudut pitch ( ) 00,20,40,60,80,100, dan 120.

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

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

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

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

3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data

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

1. Turbin angin dengan tiga sudu yang siap uji ditempatkan pada titik angin yang telah ditentukan sebelumnya.

2. Disiapkan fan ditempat dudukannya (base fan) dan dipastikan aman. 3. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu

sesuai kecepatan angin pengujian.

4. Setelah putaran rotor turbin kelihatan stabil, pengambilan data dapat dilakukan yaitu membaca angka nominal yang tertera pada alat ukur. Pada pengujian pertama dilakukan tanpa menggunakan beban. Adapun data yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros rotor turbin/putaran poros generator. Setelah pengambilan data dilakukan semua alat di-off-kan untuk menghindari hal – hal tidak diinginkan, seperti motor listrik terbakar karena terlalu panas.

5. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan beban. Beban yang digunakan adalah beban lampu sebesar 3, 5, dan 10 watt. Pada saat pengujian dengan beban dicatat arus listrik dan tegangan listrik yang terbaca pada alat ukur.

6. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanyak 10 kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih maksimal dan diambil rata – rata karena fluktuasi yang terjadi pada saat pembacaan pengukuran.

7. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk selanjutnya dengan variasi jumlah sudu, sudut pitch ( ), dan beban.

Gambar 3.9 Prosedur Pengujian

Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan kesimpulan sementara pada saat keadaan bagaimanakah jumlah sudu dan sudut serang sudu yang lebih efektif dalam memanfaatkan potensi angin yang ada.

Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan (Sumber: Ekawira K. Napitupulu)

3.4 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.11 Diagram alir penelitian MULAI

STUDI LITERATUR

PENGAMBILAN DATA ANGIN

PEMBUATAN ALAT UJI

PENGUJIAN ALAT

PENELITIAN DAN PENGAMBILAN DATA

ANALISIS DATA

PEMBAHASAN

KESIMPULAN

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengujian

4.1.1 Pengukuran kecepatan angin

Pengambilan data kecepatan angin diukur pada zona dimana aliran angin belum terganggu akibat putaran turbin (free stream zone). Pada daerah ini angin mengalir dengan kecepatan aliran bebas (free stream velocity). Pada pengujian turbin angin ini, pengukuran kecepatan angin dilakukan pada:

x (1.35 r )+ r (http://www.windynation.com)

dimana:

x = jarak pengukuran dari pusat turbin (m)

r = radius turbin (m)

x 1.35(0.75) + 0.75 1.0125 + 0.75 = 1.7625m 1.75 m

Metode pengukuran kecepatan angin dilakukan dengan cara mengukur kecepatan angin di berbagai titik antara kipas dengan turbin seperti gambar dibawah.

Gambar.4.1 Pengukuran kecepatan angin (dilihat dari atas) (Sumber: Ekawira K. Napitupulu)

Tabel.4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik

Titik V (m/s)

V1 V2 V3 Vave

0 13.02 13.15 12.83 13.00

1 9.55 9.70 9.38 9.54

2 7.73 7.87 7.82 7.81

3 6.67 6.48 6.46 6.54

4 5.23 4.97 5.13 5.11

4.a 4.42 4.57 4.64 4.54 _4.70

4.b 4.37 4.51 4.48 4.45

5 4.85 4.57 4.45 4.62

5.a 4.35 4.40 4.38 4.38 _4.41

5.b 4.41 4.12 4.15 4.23

6 4.38 4.32 4.45 4.38

6.a 3.55 3.46 3.56 3.52

6.b 3.83 3.88 3.92 3.88 _3.85

6.c 3.90 3.87 3.85 3.87

6.d 3.52 3.58 3.61 3.57

7 2.35 2.41 2.36 2.37

7.a 1.95 2.02 1.97 1.98

7.b 2.21 2.16 2.13 2.17 _2.12

7.c 2.15 2.10 2.13 2.13

7.d 1.98 1.90 2.05 1.98

Data kecepatan yang diambil adalah data kecepatan angin rata-rata pada tititk 6, 6a, 6b, 6c, 6d yaitu:

V = 3.85 m/s

Dasar kami menggunakan kipas untuk menciptakan angin buatan adalah supaya kami mendapatkan kecepatan angin yang konstan pada saat pengujian sehingga mempermudah kami dalam pengujian.

Berikut ini merupakan perbandingan daya angin teoritis dengan hasil pengukuran berdasarkan kecepatan angin diatas.

Hasil perhitungan dibuat dalam tabel berikut:

Tabel. 4.2 Hasil teoritis

V (m/s) A (m2) (kg/m3) P (W) 13.00 2.25 1.15946 2865.75

9.54 2.25 1.15946 1133.73 7.81 2.25 1.15946 620.59 6.54 2.25 1.15946 364.32 4.70 2.25 1.15946 135.62 4.41 2.25 1.15946 111.79 3.85 2.25 1.15946 74.17 2.12 2.25 1.15946 12.51

9.86% 11.59% 14.25% 16.56% 12.70% 10.38% 6.16%

282.56 332.14 408.37 474.57 363.96 297.46 176.53 111.59 131.40 161.56 187.75 143.98 117.68 69.84 61.19 71.93 88.43 102.77 78.82 64.42 38.23 35.92 42.22 51.91 60.33 46.27 37.82 22.44 13.37 15.72 19.33 22.46 17.22 14.08 8.35 11.02 12.96 15.93 18.51 14.20 11.60 6.89

7.31 8.60 10.57 12.28 9.42 7.70 4.57

1.23 1.45 1.78 2.07 1.59 1.30 0.77

7.34 8.63 10.60 12.33 9.45 7.73 4.59

Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum

(0) V (Volt) I (A) P (W) Pt (W) Pa (W) (%)

0.00 11.50 0.45 5.14 7.34 74.43 9.86

2.00 12.46 0.48 6.04 8.63 74.43 11.59

4.00 13.78 0.54 7.42 10.60 74.43 14.25

6.00 14.90 0.58 8.63 12.33 74.43 16.56

8.00 13.06 0.51 6.62 9.45 74.43 12.70

10.00 11.78 0.46 5.41 7.73 74.43 10.38

12.00 9.10 0.35 3.21 4.59 74.43 6.16

Data diatas merupakan data turbin angin dengan menggunakan 3 sudu pembebanan 10 Watt. Dari perbandingan data tersebut dapat dilihat bahwa hasil Hasil teoritis

Hasil Pengujian

teoritis mendekati dengan hasil pengukuran, sehingga kecepatan angin yang digunakan adalah kecepatan angin v = 3,85 m/s.

4.1.2 Data pengujian tanpa beban

Tabel.4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V)

nave (rpm)

Vave (V)

nave (rpm)

Vave (V)

nave (rpm) 0 28.29 73.4 26.18 67.9 22.92 59.4 2 29.76 77.2 26.29 68.2 23.55 61.1 4 31.90 82.7 27.36 71.0 26.99 70.0 6 33.42 86.7 30.05 77.9 28.15 73.0 8 31.39 81.4 28.53 74.0 29.33 76.1 10 27.35 70.9 28.25 73.3 27.15 70.4 12 22.75 59.0 28.57 73.2 25.58 66.3

Tegangan hasil pengukuran adalah tegangan AC (alternating current)

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt

Tabel.4.5 Data pengujian beban 3 Watt

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 21.29 0.155 55.2 17.38 0.126 45.1 17.05 0.123 44.2 2 22.32 0.162 57.9 18.51 0.134 48.0 17.32 0.125 44.9 4 22.81 0.166 59.2 19.48 0.141 50.5 19.88 0.144 51.6 6 24.38 0.183 63.2 22.87 0.165 59.3 21.03 0.152 54.5 8 22.28 0.162 57.8 21.43 0.155 55.6 21.88 0.158 56.7 10 19.30 0.140 50.0 21.07 0.152 54.7 19.91 0.144 51.6 12 17.58 0.130 45.6 20.10 0.145 52.1 18.35 0.133 47.6 4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt

Tabel.4.6 Data pengujian beban 5 Watt

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 19.13 0.298 49.6 16.61 0.258 43.1 15.14 0.234 39.3 2 19.68 0.306 51.0 17.01 0.265 44.1 15.23 0.236 39.5 4 21.26 0.331 55.1 17.35 0.270 45.0 16.86 0.261 43.7 6 22.16 0.345 57.5 20.93 0.326 54.3 19.03 0.295 49.3 8 19.99 0.311 51.8 19.49 0.303 50.5 20.99 0.325 54.4 10 17.69 0.275 45.9 19.23 0.299 49.9 17.04 0.264 44.2 12 15.27 0.238 39.6 18.19 0.283 47.2 16.66 0.258 43.2

4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt

Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 11.50 0.447 29.8 10.17 0.395 26.4 8.79 0.354 22.8 2 12.46 0.485 32.3 10.63 0.416 27.6 9.10 0.366 23.6 4 13.78 0.539 35.9 11.92 0.477 30.9 10.75 0.418 27.9 6 14.90 0.579 38.6 14.57 0.579 37.8 12.17 0.483 31.6 8 13.06 0.507 33.8 13.21 0.537 34.3 13.09 0.519 34.0 10 11.78 0.459 30.6 12.97 0.526 33.7 10.36 0.475 27.5

12 9.10 0.353 23.5 11.60 0.461 30.1 9.80 0.391 25.4

4.2 Analisa Data

4.2.1 Perhitungan daya angin (Pangin)

Kondisi angin pada saat dilakukan pengujian yaitu pada temperatur 32 0C. Sehingga massa jenis udara dapat dihitung,yaitu:

T = 320C = 305 K udara = 1.1594 kg/m3 T

(K) (kg/m3) 300 1.1774 305 1.1594

350 0.998

Kecepatan angin pada saat pengujian adalah 3.85 m/s, sehingga daya angin yang melewati luas rotor turbin menjadi:

Dturbin = 1.5 m

Hturbin = 1.5 m

A = Dturbin x Hturbin = 1.5 x 1.5

= 2.25 m2 Pangin = ½ A v3

= 0.5 (1.1594)(2.25)(3.853) = 74.43 Watt

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio ( )

Tip speed ratio (TSR, ) merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin dengan kecepatan angin yang melalui sudu rotor tersebut. TSR merupakan bilangan tanpa dimensi menunjukkan besarnya putaran turbin terhadap kecepatan angin.

= .r/v = 2 n/60

Sebagai contoh perhitungan, diambil data 3 sudu pembebanan 3 Watt pada sudut pitch ( ) 60.

n = 63.2 rpm

= 2 (63.2)/60

= 6.615 rad/s

= (6.615 x 0.75) / 3.85

= 1.290

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel.

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ( t)

Efisiensi merupakan perbandingan daya angin yang mampu diekstrak sudu turbin yang diukur dari besarnya energi listrik yang dihasilkan generator dengan daya angin teoritis. Efisiensi turbin merupakan keefektifan rotor turbin dalam memanfaatkan energi kinetik angin

Daya turbin (Pturbin) = (V.I) / g Efisiensi turbin ( t) = Pturbin / Pangin

Sebagai contoh perhitungan diambil data 3 sudu pembebanan 3 Watt pada sudut pitch ( ) 60.

Vave = 24.38 Volt Iave = 0.183 Ampere

Pturbin = (24.38 x 0.183) / 0.7 = 6.374 Watt

t = (6.374 / 74.43) x 100 % = 8.564 %

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel. Tabel.4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%) nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 21.29 0.155 3.29 4.70 74.43 6.32 55.2 5.78 1.13 2 22.32 0.162 3.62 5.17 74.43 6.94 57.9 6.06 1.18 4 22.81 0.166 3.78 5.40 74.43 7.25 59.2 6.19 1.21 6 24.38 0.183 4.47 6.39 74.43 8.58 63.2 6.62 1.29

8 22.28 0.162 3.60 5.15 74.43 6.92 57.8 6.05 1.18 10 19.30 0.140 2.70 3.86 74.43 5.19 50.0 5.24 1.02 12 17.58 0.130 2.29 3.26 74.43 4.39 45.6 4.77 0.93

Tabel.4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%) nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 17.38 0.126 2.19 3.12 74.43 4.19 45.1 4.72 0.92 2 18.51 0.134 2.48 3.54 74.43 4.76 48.0 5.03 0.98 4 19.48 0.141 2.75 3.92 74.43 5.27 50.5 5.29 1.03 6 22.87 0.165 3.78 5.40 74.43 7.26 59.3 6.21 1.21 8 21.43 0.155 3.32 4.75 74.43 6.38 55.6 5.82 1.13 10 21.07 0.152 3.21 4.59 74.43 6.17 54.7 5.72 1.11 12 20.10 0.145 2.92 4.17 74.43 5.61 52.1 5.46 1.06

Tabel.4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%) nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 17.05 0.123 2.10 3.00 74.43 4.04 44.2 4.63 0.90 2 17.32 0.125 2.17 3.10 74.43 4.17 44.9 4.70 0.92 4 19.88 0.144 2.86 4.09 74.43 5.49 51.6 5.40 1.05 6 21.03 0.152 3.20 4.57 74.43 6.14 54.5 5.71 1.11 8 21.88 0.158 3.46 4.95 74.43 6.65 56.7 5.94 1.16 10 19.91 0.144 2.87 4.10 74.43 5.51 51.6 5.40 1.05 12 18.35 0.133 2.44 3.48 74.43 4.68 47.6 4.98 0.97

Tabel.4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 19.13 0.298 5.69 8.14 74.43 10.93 49.6 5.19 1.01 2 19.68 0.306 6.03 8.61 74.43 11.57 51.0 5.34 1.04 4 21.26 0.331 7.03 10.05 74.43 13.50 55.1 5.77 1.12 6 22.16 0.345 7.64 10.91 74.43 14.66 57.5 6.01 1.17 8 19.99 0.311 6.22 8.88 74.43 11.93 51.8 5.43 1.06 10 17.69 0.275 4.87 6.95 74.43 9.34 45.9 4.80 0.94 12 15.27 0.238 3.63 5.18 74.43 6.97 39.6 4.15 0.81

(0) Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 16.61 0.258 4.29 6.13 74.43 8.24 43.1 4.51 0.88 2 17.01 0.265 4.50 6.43 74.43 8.64 44.1 4.62 0.90 4 17.35 0.270 4.68 6.69 74.43 8.99 45.0 4.71 0.92 6 20.93 0.326 6.82 9.74 74.43 13.09 54.3 5.68 1.11 8 19.49 0.303 5.91 8.44 74.43 11.34 50.5 5.29 1.03 10 19.23 0.299 5.76 8.22 74.43 11.05 49.9 5.22 1.02 12 18.19 0.283 5.15 7.35 74.43 9.88 47.2 4.94 0.96

Tabel.4.13 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 15.14 0.234 3.55 5.07 74.43 6.81 39.3 1.85 0.80 2 15.23 0.236 3.59 5.13 74.43 6.89 39.5 1.86 0.81 4 16.86 0.261 4.40 6.29 74.43 8.45 43.7 1.97 0.89 6 19.03 0.295 5.61 8.01 74.43 10.76 49.3 2.13 1.01 8 20.99 0.325 6.82 9.75 74.43 13.09 54.4 2.28 1.11 10 17.04 0.264 4.50 6.42 74.43 8.63 44.2 1.99 0.90 12 16.66 0.258 4.30 6.14 74.43 8.25 43.2 1.96 0.88

Tabel.4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 11.50 0.447 5.14 7.34 74.43 9.86 29.8 3.12 0.61 2 12.46 0.485 6.04 8.63 74.43 11.59 32.3 3.38 0.66 4 13.78 0.539 7.42 10.60 74.43 14.25 35.9 3.76 0.73 6 14.90 0.579 8.63 12.33 74.43 16.56 38.6 4.04 0.79 8 13.06 0.507 6.62 9.45 74.43 12.70 33.8 3.54 0.69 10 11.78 0.459 4.52 6.46 74.43 10.38 30.6 3.20 0.62 12 9.10 0.353 3.21 4.59 74.43 6.16 23.5 2.46 0.48

Tabel.4.15 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 10.17 0.395 4.01 5.73 74.43 7.70 26.4 2.76 0.54 2 10.63 0.416 4.42 6.32 74.43 8.49 27.6 2.89 0.56 4 11.92 0.477 4.69 6.70 74.43 10.91 30.9 3.23 0.63 6 14.57 0.579 8.43 12.04 74.43 16.18 37.8 3.96 0.77

8 13.21 0.537 7.09 10.13 74.43 13.61 34.3 3.59 0.70 10 12.97 0.526 6.82 9.74 74.43 13.09 33.7 3.52 0.69 12 11.60 0.461 5.35 7.65 74.43 10.27 30.1 3.15 0.61

Tabel.4.16 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt

(0)

Vave

(Volt) Iave

(A) P (W)

Pt (W)

Pa

(W) (%)

nave

(rpm) (rad/s) TSR

0 8.79 0.354 3.11 4.44 74.43 5.97 22.8 1.54 0.46 2 9.10 0.366 3.33 4.76 74.43 6.39 23.6 1.56 0.48 4 10.75 0.418 4.49 6.42 74.43 8.63 27.9 1.69 0.57 6 12.17 0.483 5.87 8.39 74.43 11.27 31.6 1.83 0.64 8 13.09 0.519 6.79 9.70 74.43 13.03 34.0 1.91 0.69 10 10.36 0.475 4.92 7.03 74.43 9.44 27.5 1.70 0.56 12 9.80 0.391 3.83 5.48 74.43 7.36 25.4 1.62 0.52

4.3 Grafik Pengujian

4.3.1 Grafik pengujian tiga sudu

Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah

Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 3 buah dapat dilihat bahwa semakin besar beban yang diberikan pada turbin angin maka efisiensi semakin besar namun TSR (Tip Speed Ratio) semakin menurun. Penurunan TSR (Tip Speed Ratio) diakibatkan semakin besarnya beban yang bertambah untuk diputar oleh turbin.

Pada beban 3 W nilai TSR(Tip Speed Ratio) minimum sebesar 0,83 dengan efisiensi sebesar 4,39 % dan nilai TSR(Tip Speed Ratio) maksimum sebesar 1,29 dengan efisiensi sebesar 8,58 %.

Pada beban 5 W nilai TSR(Tip Speed Ratio) minimum sebesar 0,94 dengan efisiensi sebesar 9,34 % dan nilai TSR(Tip Speed Ratio) maksimum sebesar 1,17 dengan efisiensi sebesar 14,66 %.

Pada beban 10 W nilai TSR(Tip Speed Ratio) minimum sebesar 0,48 dengan efisiensi sebesar 6,16 % dan nilai TSR(Tip Speed Ratio) maksimum sebesar 0,79 dengan efisiensi sebesar 16,56 %.

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

TSR

TSR vs

Beban 10W Beban 5W Beban 3W

Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut pitch ( ) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah

Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 3 buah dapat dilihat pada pembebanan 3 W, 5 W, dan 10 W mulai dari sudut pitch ( ) 00-60 efisiensi dari turbin angin semakin besar, namun mulai dari sudut pitch ( ) 80-120 efisiensi dari turbin angin semakin kecil.

Pada beban 3 W sudut pitch ( ) 120 efisiensi minimum sebesar 4,39 % dan sudut pitch ( ) 60 efisiensi maksimum sebesar 8,58 %.

Pada beban 5 W sudut pitch ( ) 120 efisiensi minimum sebesar 9,34 % dan sudut pitch ( ) 60 efisiensi maksimum sebesar 14,66 %.

Pada beban 10 W sudut pitch ( ) 120 efisiensi minimum sebesar 6,16 % dan sudut pitch ( ) 60 efisiensi maksimum sebesar 16,56 %.

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

0 2 4 6 8 10 12 14

vs

Beban 10W Beban 5W Beban 3W

LAMPIRAN XI Tabel. L.16 Taksasi biaya pembuatan prototipe turbin angin Darrieus-H

GAMBAR NAMA BAGIAN JUMLAH BIAYA PEMBUATAN

RUMAH BANTALAN (HUB/ROTOR): Bahan:

Besi karbon

1 buah Rp.300.000,-

(Bahan + ongkos bubut)

POROS (STATOR) Bahan:

Besi karbon

1 buah Rp.120.000,-

(Bahan + ongkos bubut)

PLAT PEMEGANG LENGAN UNTUK 3(TIGA) SUDU Bahan:

Plain carbon steel sheet t = 5 mm

2 buah Rp. 75.000,-/pcs Total:

Rp. 150.000,-

PLAT PEMEGANG LENGAN UNTUK 5(LIMA) SUDU Bahan:

Plain carbon steel sheet t = 5 mm

2 buah Rp. 80.000,-/pcs Total:

Rp. 160.000,-

(Bahan + ongkos potong)

SUDU Bahan sudu:

- Mal sudu : kayu t = 2 cm

- Kulit sudu: Plat aluminium t = 0.3 mm -Tulang sudu: Pipa D = 25 mm, t = 1.5 mm -Tutup ujung sudu: Plat aluminium t = 2 mm

5 buah Plat: (4 x Rp.85.000,-/lbr) = Rp.340.000,-

Pipa: (2 x Rp.35.000,-/btg) = Rp.70.000,-

Plat: (1 x Rp.220.000,-/lbr) = Rp.220.000,-

Total:

Rp. 630.000,- (kayu: gratis) LENGAN SUDU

Bahan:

Rectangular tube 5 cm x 2.5 cm Tebal t = 1.5 mm

5 buah Rp. 150.000,- (Bahan: 2 batang)

PEMEGANG SUDU Bahan:

Plat besi t = 5 cm kemudian dibentuk seperti gambar di samping

5 buah Rp. 35.000,-/pcs Total:

Rp. 175.000,-

BANTALAN (BEARING)

TAPERED ROLLER BEARING 32006JR ID = 30 mm

OD = 55 mm

2 buah Rp. 65.000,-/pcs Total:

Rp. 130.000,-

TIANG PENYANGGA TURBIN Bahan:

-Pipa besi D = 9 cm, t = 2 mm

-Flange: Plat besi D = 150 mm, t = 5 mm

1 buah Rp. 220.000,-

PONDASI TIANG TURBIN (BASE) Bahan:

-Pipa besi D = 9 cm, t = 2 mm

-Flange: Plat besi D = 150 mm, t = 5 mm -Plat 40 x 40 cm, t = 5 mm

-Segitiga pendukung, t = 5 mm

1 buah Rp.150.000,-

M30 x 1.5 Nut 1 buah Rp. 10.000,-

BUSHING Bahan:

6 buah Rp. 2.000,-/pcs Total:

BAUT DAN MUR Bahan:

-Baut M30 x 2, L = 20 cm -Mur M30 x 2

4 buah Rp. 15.000,-/pcs Total:

Rp. 60.000,-

BAUT DAN MUR Bahan:

-Baut M8 x 1.5, L = 40 mm -Mur M8 x 1.5

50 buah Rp. 1.000,-/pcs Total:

Rp. 50.000,- BAUT DAN MUR

Bahan:

-Baut M8 x 1.5, L = 80 mm -Mur M8 x 1.5

20 buah Rp. 1.500,-/pcs Total:

Rp. 30.000,-

TOTAL Rp. 2.497.000,-

GENERATOR

GAMBAR NAMA BAGIAN JUMLAH BIAYA

PLAT ROTOR Bahan:

Plat besi D = 310 mm, t = 5 mm

MAGNET 2” x 1” x ½

KAWAT TE d = 0.5 mm

SUPER GLU DEXTONE RESIN BAHAN SEMEN PASIR ET

x ½” Grade 35

24 buah Rp. 21 Total: Rp. 5.0

T TEMBAGA

mm, dengan lapisan enamel

3 kg Rp. 11

Total: Rp. 33

R GLUE NE

3 buah Rp. 7.5 Total: Rp. 22 3 liter Rp. 65 Total: Rp. 19 TOTAL Rp. 5.7

PONDASI BETON

JUMLAH

1 Sack Rp. 45

5 Sack Rp. 10

. 210.000,-/pcs tal: . 5.040.000,- . 110.000,-/kg tal: . 330.000,- . 7.500,-/pcs tal: . 22.500,- . 65.000,-/liter tal: . 195.000,- . 5.707.500,- BIAYA . 45.000,- . 10.000,-/Sack