Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak Dalam Terowongan Angin Sederhana
PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH
TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK
DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA
SITI RAHAYU LATIFAH
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengaruh Variasi Sudut
Kemiringan Bilah Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak Dalam
Terowongan Sederhana adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Siti Rahayu Latifah
NIM G74110032
ABSTRAK
SITI RAHAYU LATIFAH. Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap
Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana
Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan ERUS RUSTAMI.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sudut kemiringan optimum (tilting angle θ)
dari turbin angin sumbu tegak. Desain turbin angin ini termodifikasi dari model
aerofoil NACA 6412. Performa turbin angin diuji dari 7 buah bilah dengan lima buah
variasi sudut kemiringan yaitu 27̊, 30̊, 45̊, 60̊, dan 90̊. Kecepatan angin yang
digunakan pada eksperimen ini dalam rentang 0-6 m/s. Performa pada turbin angin
tersebut dievaluasi pada beberapa parameter yaitu daya angin, daya turbin, efisiensi
turbin, torsi, dan Tip Speed Ratio (TSR). Hasil yang kami dapat bahwa turbin angin
dengan sudut kemiringan bilah θ = 27º memiliki daya turbin yang paling efisien
sebesar 50%.
Kata kunci: turbin angin sumbu tegak, sudut kemiringan bilah, daya keluaran,
efisiensi turbin
ABSTRACT
SITI RAHAYU LATIFAH. The Influence of Blade Angel Variations to Perform
of Vertical Axis Wind Turbine of Simple Wind Tunnel
Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and ERUS RUSTAMI.
The purpose of this research is to find the optimum tilting angle of vertical axis
wind turbine. The design of the wind turbine modified from NACA 6412 aerofoil
model. The performance of the wind turbine were tested from seven fix blades
with five tilting angle variation i.e. 27º, 30º, 45º, 60º, and 90º. The wind velocity
that used in this experiment is within 0-6 m/s range. The performance of the wind
turbine were evaluated from some parameter i.e. the power of wind, the power of
turbine, efficiency of turbine, torque, and Tip Speed Ratio (TSR). Our result
suggest that the wind turbine with the tilting angle θ = 27º has the most power
with the turbine efficiency of 50%.
Keywords: vertical axis wind turbine, tilting angle θ, the power of wind turbine,
efficiency of turbine
PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH
TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK
DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA
SITI RAHAYU LATIFAH
G74110032
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT dan shalawat serta
salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW karena berkat
rahmat dan karunia-NYA penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul
Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin
Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana. Hasil penelitian ini disusun
sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika,
Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis yaitu Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah
yang selalu menberikan dukungan dan mendoakan penulis dalam
menyelesaikan penelitian ini.
2. Bapak Tony, Bapak Mamat, dan Bapak Erus selaku dosen pembimbing
yang selalu memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis.
3. Bapak Heriyanto Syafutra selaku dosen penguji yang selalu memberikan
kritik dan saran yang membangun.
4. Bapak Irmansyah selaku pembimbing akademik yang telah
membimbing penulis dalam menyelesaikan studi di Departemen Fisika.
5. Lenni Pabrina, Pramudya Wardhani, dan Andrian yang telah membantu
penulis dalam menyelesaikan penelitian.
6. Adinda Mutiara, Riani Eka Fitri, Ana Fitriana, Fanny Novika, dan Syiffa
Syafiah sebagai rekan yang selalu mendukung penulis.
7. Seluruh civitas akademik Departemen Fisika IPB.
8. Seluruh teman-teman Fisika angkatan 48 yang selalu memberikan
semangat dan dukungan.
9. Beasiswa Bidik Misi yang telah memberikan dukungan moril.
Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat menjadi acuan
untuk membuat turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang sesungguhnya.
Kritik dan saran yang membangun sangan penulis harapkan untuk kemajuan
penelitian ini.
Bogor, Agustus 2015
Siti Rahayu Latifah
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Angin
2
Turbin Angin
2
Energi Angin
3
Teori Momentum Elementer Betz
3
Tip Speed Ratio (TSR)
4
Torsi
4
EfisiensiTurbin
4
NACA Airfoil 6412
5
Terowongan Angin
5
METODE
6
Bahan
6
Alat
6
Prosedur Penelitian
6
Analisis Data
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
SIMPULAN DAN SARAN
8
13
Simpulan
13
Saran
13
DAFTAR PUSTAKA
14
LAMPIRAN
15
RIWAYAT HIDUP
25
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Profil Geometri NACA Airfoil 6412 Termodifikasi
Terowongan Angin Sirkuit Terbuka
Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin
Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin
Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin
Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin
Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin
Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio (TSR)
Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin
Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin
5
5
8
9
9
10
11
11
12
12
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian
2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º
3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º
4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º
5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º
6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90º
7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º
8 Dokumentasi penelitian
15
16
17
18
19
20
21
24
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dewasa ini Indonesia banyak mengalami krisis energi. Indonesia cenderung
memanfaatkan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak bumi, dan gas alam
sebagai sumber energi. Namun cadangan bahan bakar fosil semakin terbatas. Oleh
karena itu diperlukan suatu upaya untuk mengatasi permasalahan tersebut. Salah
satunya dengan mencari energi alternatif terbarukan yang sumbernya melimpah di
alam seperti angin, air, surya dan geotermal.
Sekitar 1% energi matahari yang mencapai bumi diubah menjadi energi
angin. Energi angin dapat dikumpulkan dan diubah menjadi bentuk energi lain
oleh turbin angin.Seperti pada sistem fotovoltaik, biaya modal sistem jenis ini
lebih tinggi daripada pembangkit daya pembakaran batubara pada kapasitas yang
sama, walupun sejumlah pemasangan turbin angin dapat menghasilkan energi
pada biaya sekitar 7 sen per kilowatt-jam.1
Angin merupakan salah satu sumber energi yang ramah lingkungan.
Penggunannya tidak menimbulkan emisi gas karbon dioksida. 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.2
Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup memadai karena
kecepatan angin rata-rata berkisar 3.5-7 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan
Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) kecepatan angin ratarata di pulau Jawa berkisar 2.5-4.0 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan tersebut
turbin angin yang paling cocok diterapkan yaitu turbin angin sumbu tegak tipe
Savonius karena turbin angin tipe Savonius ini diaplikasikan untuk daerah dengan
kecepatan angin rendah.3
Pada bidang pertanian pemanfaatan energi angin biasanya dengan
menggunakan alat konversi kincir angin. Energi kinetik angin ditangkap oleh
sudu-sudu dengan luasan tertentu sehingga terjadi putaran (RPM) pada sudu.
Putaran sudu (RPM) akan menghasilkan energi mekanik yang mampu memutar
poros pompa sentrifugal yang akan digunakan untuk menaikkan air irigasi.4
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis akan memanfaatkan
energi angin sebagai salah satu solusi untuk menangani masalah krisis energi
tersebut dengan melakukan pengembangan turbin angin sumbu tegak yang
desainnya telah dimodifikasi menggunakan sayap pesawat NACA Airfoil 6412.
Modifikasi dilakukan dengan memvariasi sudut kemiringan bilah (tilting angle θ)
dengan lima variasi sudut, yaitu 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º dengan panjang busur
profil lengkung tetap. Jumlah blade yang digunakan sebanyak tujuh buah.
2
Perumusan Masalah
Daya keluaran turbin angin sumbu tegak masih rendah. Oleh karena itu
diperlukan suatu cara untuk meningkatkan daya keluaran tersebut dengan
memvariasikan nilai parameter-parameter yang ada.
Tujuan Penelitian
Menentukan sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dari turbin angin
sumbu tegak yang menghasilkan daya keluaran paling optimum.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat dijadikan sebagai acuan untuk pembuatan turbin angin
sumbu tegak dengan ukuran yang lebih besar yang dapat digunakan sebagai
pembangkit listrik.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mengkaji tentang bagaimana kinerja turbin angin sumbu tegak
supaya menghasilkan daya keluaran paling optimum dengan memvariasikan sudut
kemiringan bilah.
TINJAUAN PUSTAKA
Angin
Angin merupakan gerakan udara yang mengalir dari daerah yang bertekanan
tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Pada iklim panas-lembab, pergerakan
anginberguna untuk menyejukkan kulit. Penyebaran tekanan angin dipengaruhi
beberapa faktor diantaranya bentuk bangunan, kecepatan angin, arah angin, lokasi
dan lingkungan.Tekanan permukaan positif terdapat dibagian angin datang dan
tekanan permukaan negatif terdapat di bagian belakang angin.2
Turbin Angin
Turbin angin merupakan sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah
energi kinetik angin menjadi energi mekanik (rotasi). Berdasarkan arah sumbu
rotasinya turbin angin digolongkan ke dalam dua kategori yaitu Horizontal Axis
Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Turbin angin
poros vertikal mempunyai sumbu vertikal dengan sudu paralel pada sumbunya.
Sudu turbin angin poros vertikal akan mengalami headwind dan tailwind.5
Headwind terjadi ketika arah sudu berlawanan dengan arah angin yang
masuk, sedangkan tailwind terjadi ketika arah sudu searah dengan arah angin yang
3
masuk. Rotasi pada poros turbin digerakkan oleh tailwind, sedangkan headwind
cenderung memperlambat rotasi sehingga menyebabkan koefisien turbin rendah.
Ada beberapa kelebihan yang dimiliki turbin angin poros vertikal di antaranya
aman, mudah dalam pembuatannya, dapat dipasang tidak jauh dari tanah, dan
mempunyai kemampuan yang lebih baik dalam menangani turbulensi angin.5
Energi Angin
Energi yang digunakan angin untuk memberikan gaya dorong terhadap
turbin yaitu energi kinetik.
Ek = mv2
(1)
keterangan :
Ek
m
v
= energi kinetik turbin (joule)
= massa turbin (kg)
= kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik angin yang berhembus per satuan waktu (daya angin) adalah:
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
keterangan :
Pw
ρ
A
v
(2)
= daya angin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
keterangan :
PT
ρ
A
v1
v2
(3)
= daya turbin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
= kecepatan turbin (m/s)
Teori Momentum Elementer Betz
Perbandingan daya mekanik turbin terhadap daya keluaran teoritik disebut
faktor daya (Cp).
Cp =
=
Cp maksimum diperoleh apabila
(
=
)(
)
(4)
yang menghasilkan nilai sebesar
0.593. Kesimpulannya meskipun dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap
tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin
yang digunakan, daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah
0.593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi
4
menjadi daya mekanik. Angka ini kemudian disebut faktor Betz. Faktor Betz
menunjukkan nilai maksimum kemampuan dari semua alat konversi energi
angin.2
Tip Speed Ratio (TSR)
Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar
turbin terhadap kecepatan angin.2
λ=
keterangan :
λ
ω
R
vw
(5)
= tip speed ratio (rad)
= kecepatan sudut turbin (rad/s)
= jari-jari turbin (m)
= kecepatan angin (m/s)
Torsi
Torsi didefinisikan sebagai ukuran keefektifan gaya dalam menghasilkan
putaran atau rotasi untuk mengelilingi sumbu.6
keterangan :
vw
R
TSR
T
(6)
=
= kecepatan angin (m/s)
= jari-jari turbin (m)
= Tip Speed Ratio (rad)
= torsi (m4/rad2 s)
Efisiensi Turbin
Untuk menyatakan performa suatu mesin biasanya dinyatakan dalam
efisiensi yang merupakan perbandingan antara efek manfaat yang digunakan
dengan pengorbanan yang dilakukan.6
η =
Keterangan :
x 100 %
η
= efisiensi turbin (%)
Pturbin = daya turbin (Watt)
Pangin = daya angin (Watt)
(7)
5
NACA Airfoil 6412
Gambar 1 Profil Geometri NACA 6412 Termodifikasi
NACA airfoil 6412 merupakan salah satu bentuk bodi aerodinamika
sederhana yang dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap bodi lainnya dan
dengan bantuan penyelasaian matematis sehingga memungkinkan untuk
memprediksi seberapa besar gaya angkat yang dihasilkan
dihasilkan oleh suatu bodi airfoil.
Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik meliputi ketebalan maksimum,
maksimum n = bentuk melengkung, posisi maksimum ketebalan, posisi
maksimum bentuk melengkung, dan jari
jari-jari kelengkungan.7
Terowongan Angin
Terowongan angin adalah suatu alat yang digunakan untuk mempelajari
efek aliran udara yang melewati benda solid. Ada dua tipe dasar dari terowongan
angin yaitu terowongan angin sirkuit terbuka dan terowongan angin sirkuit
tertutup. Pada penelitian ini saya menggunakan terowongan angin sirkuit terbuka.8
Gambar 2 Terowongan Angin Sirkuit Terbuka
6
METODE
Metode yang dilakukan pada penelitian ini meliputi studi literatur, simulasi,
pembuatan model, dan uji kinerja model. Kegiatan yang dilakukan pada penelitian
ini meliputi perancangan model turbin angin sumbu tegak tujuh sudu dengan
profil airfoil NACA 6412 termodifikasi, pembuatan turbin, set up alat, dan
pengambilan data. Pengambilan data dilakukan dengan mengukur banyaknya
putaran turbin (rotasi per menit, rpm ) untuk setiap variasi sudut turbin pada
berbagai variasi kecepatan angin (pada rentang 1-6 ms-1).
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain plastik ABS,
lem power glue, dan akrilik.
Alat
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini yaitu terowongan angin, kipas
angin, anemometer, solder, lem tembak, busur derajat, spidol, sensor DHT, sensor
rpm, arduino UNO, laptop, dan dimmer (pengatur kecepatan).
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu perancangan turbin
dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Aerofoil versi 3.2 dan
desain struktur menggunakan Google Sketchup Pro 8. Setelah itu dilakukan
pembuatan model turbin dengan menggunakan Printer 3 Dimensi. Kemudian
dilakukan set up alat untuk pengujian dan pengambilan data. Data yang diambil
digunakan untuk menghitung daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi
angin oleh turbin.
Analisis Data
Analisis daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin dilakukan
dengan melakukan pengambilan data berupa kecepatan angin dan kecepatan
turbin yang diperoleh dari anemometer sedangkan rpm diperoleh dari arduino
UNO. Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali untuk masingmasing sudut. Data yang telah diperoleh kemudian diolah untuk mendapatkan
nilai daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi konversi, Tip Speed Ratio (TSR),
dan torsi.
Daya turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
(3)
Keterangan :
PT
ρ
A
v1
v2
= daya turbin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
= kecepatan turbin (m/s)
7
Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan :
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
keterangan :
Pw
ρ
A
v
(2)
= daya angin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
Betz ratio dihitung dengan menggunakan persamaan :
Cp =
=
(
)(
)
(4)
Efisiensi konversi dihitung dengan menggunakan persamaan :
η =
Keterangan : η
Pturbin
Pangin
x 100 %
(7)
= efisiensi turbin (%)
= daya turbin (watt)
= daya angin (watt)
Tip Speed Ratio (TSR) dihitung dengan menggunakan persamaan :
λ=
keterangan :
(5)
λ = tip speed ratio (rad)
ω= kecepatan sudut turbin (rad/s)
R = jari-jari turbin (m)
vw =kecepatan angin (m/s)
Torsi dihitung dengan persamaan :
keterangan :
=
T = torsi (m4/rad2 s)
vw= kecepatan angin (m/s)
R = jari-jari turbin (m)
TSR = Tip Speed Ratio (rad)
Diagram alir penelitian dapat dilihat pada lampiran 1.
(6)
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
120
rpm sudu turbin
100
80
sudut 27
60
sudut 30
40
sudut 45
20
sudut 90
sudut 60
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 3 Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin
Gambar 3 menjelaskan hubungan antara rpm sudu turbin terhadap kecepatan
angin menunjukan bahwa nilai rpm sudu turbin akan naik dengan bertambahnya
kecepatan angin. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah.
Berdasarkan Gambar 3 dapat terlihat bahwa sudut kemiringan bilah 45º
mempunyai nilai rpm sudu turbin terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan
bilah lainnya sedangkan sudut kemiringan bilah 90º mempunyai nilai rpm sudu
turbin terkecil diantara sudut kemiringan bilah lainnya. Hal ini dapat terjadi
karena pada sudut kemiringan bilah 45º gaya dorong angin dan gaya hambat
turbin seimbang sedangkan pada sudut kemiringan bilah 90º gaya hambat turbin
lebih besar daripada gaya dorong angin sehingga menghasilkan nilai rpm sudu
turbin yang kecil.
Hubungan antara efisiensi turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat
pada Gambar 4. Pada Gambar 4 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya
kecepatan angin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Berdasarkan Gambar
4 dapat terlihat bahwa rata-rata sudut kemiringan bilah mempunyai efisiensi
turbin maksimum pada kecepatan angin 2 m/s sedangkan setelah melewati
kecepatan angin 2 m/s efisiensi turbinnya menurun. Performa turbin angin sumbu
tegak dengan menggunakan modifikasi NACA 6412 ini mempunyai daya
keluaran yang rendah pada kecepatan angin tinggi. Sudut kemiringan bilah 27º
mempunyai rata-rata efisiensi turbin terbesar yaitu mencapai 50%.
9
70
efisiensi turbin (%)
60
50
sudut 27
40
sudut 30
30
sudut 45
20
sudut 60
10
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 4 Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin
70
efisiensi turbin (%)
60
50
sudut 27
40
sudut 30
30
sudut 45
20
sudut 60
sudut 90
10
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 5 Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin
Hubungan antara efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin dijelaskan pada
Gambar 5. Berdasarkan Gambar 5 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya
nilai rpm sudu turbin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Rata-rata
efisiensi turbin paling maksimum yang dicapai masing-masing sudut kemiringan
bilah yaitu pada 30 rpm sedangkan setelah melewati 30 rpm efisiensi turbinnya
menurun. Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi terbesar
dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya.
10
2,5
daya turbin (watt)
2
1,5
sudut 27
sudut 30
1
sudut 45
sudut 60
0,5
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 6 Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin
Hubungan antara daya turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada
Gambar 6. Berdasarkan gambar tersebut dapat terlihat dengan semakin
bertambahnya kecepatan angin maka daya turbin akan semakin meningkat. Daya
turbin terbesar pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º. Dari grafik dapat terlihat
selisih daya turbin antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat kecil
sehingga garis antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º hampir berhimpit.
Artinya kemampuan daya serap angin turbin angin sumbu tegak menggunakan
modifikasi NACA 6412 pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat optimum.
Sedangkan untuk sudut kemiringan bilah 90º tidak terjadi kenaikan daya keluaran
yang signifikan meskipun kecepatan anginnya maksimum.
Gambar 7 memperlihatkan hubungan antara daya turbin terhadap rpm sudu
turbin. Semakin bertambah nilai rpm sudu turbin maka daya turbin semakin
meningkat. Daya turbin paling optimum diperoleh pada sudut kemiringan bilah
30º dengan rpm sudu turbin hampir mencapai nilai 100.
11
2,5
1,5
sudut 27
sudut 30
1
sudut 45
sudut 60
0,5
sudut 90
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 7 Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin
0,7
0,6
0,5
betz ratio
daya turbin (watt)
2
sudut 27
0,4
sudut 30
0,3
sudut 45
0,2
sudut 60
0,1
sudut 90
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Tip Speed Ratio (rad)
Gambar 8 Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio
12
Tip Speed Ratio (rad)
0,25
0,2
0,15
sudut 27
sudut 30
0,1
sudut 45
sudut 60
0,05
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 9 Grafik Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin
Tip Speed Ratio (rad)
0,25
0,2
0,15
sudut 27
sudut 30
0,1
sudut 45
sudut 60
0,05
sudut 90
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 10 Grafik Tip Speed Ratio terhadap rpm sudu turbin
Gambar 8 memperlihatkan hubungan antara Cp (betz ratio) terhadap Tip
Speed Ratio (TSR) untuk masing-masing sudut kemiringan bilah. Cp menyatakan
efisiensi turbin sedangkan Tip Speed Ratio (TSR) menunjukan perbandingan
kecepatan putar sudu terhadap kecepatan angin. Dari gambar 4 dapat terlihat nilai
Tip Speed Ratio (TSR) untuk semua sudut kemiringan bilah kurang dari 1 artinya
turbin angin sumbu tegak ini merupakan turbin angin dengan tipe dorong karena
lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong.9
Rata-rata sudut kemiringan bilah mencapai efisiensi turbin maksimum pada
saat Tip Speed Ratio (TSR) minimum karena pada saat nilai Tip Speed Ratio
(TSR) minimum gaya dorong turbinnya maksimum. Sebaliknya pada saat nilai
Tip Speed Ratio (TSR) maksimum maka efisiensi turbin menjadi turun karena
13
pada saat Tip Speed Ratio (TSR) maksimum gaya hambat turbin lebih besar
daripada gaya dorong sehingga putaran turbin cenderung melambat.
Gambar 9 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap
kecepatan angin. Semakin meningkatnya kecepatan angin maka nilai Tip Speed
Ratio (TSR) semakin naik. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah.
Sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar
dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya karena pada sudut kemiringan bilah
45º sudu turbin mengalami gaya dorong terbesar sehingga nilai Tip Speed Ratio
maksimum.
Gambar 10 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap
rpm sudu turbin. Semakin meningkatnya nilai rpm sudu turbin maka nilai Tip
Speed Ratio (TSR) semakin meningkat. Nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar
yaitu pada sudut kemiringan bilah 45º dengan putaran sudu turbin hampir
mencampai 100 rpm.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sudut kemiringan
bilah dari turbin angin sumbu tegak dengan modifikasi NACA 6412 yang
menghasilkan daya keluaran turbin paling optimum yaitu pada sudut kemiringan
bilah 27̊ dengan rata-rata daya serap angin mencapai 50%.
Saran
Penelitian selanjutnya disarankan supaya data kecepatan menggunakan
sensor kecepatan daripada menggunakan anemometer supaya penelitian lebih
efisien dan data lebih presisi, pengatur kecepatan angin harus konstan dan tertera
angka-angka untuk mengatur kecepatan anginnya sehingga memudahkan dalam
mengatur kecepatan, ruang uji turbin dalam terowongan angin harus diperbesar
agar mempermudah ketika turbin akan dikeluarkan dari dalam terowongan angin,
menggunakan honeycom yang bisa dibongkar pasang sehingga memudahkan
untuk mengatur dan melepas apabila ada ukuran yang tidak seragam, dan perlu
dilakukan pengujian pada sudut kemiringan bilah 27º untuk mengetahui
kemungkinan adanya efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan efisiensi
pada sudut kemiringan bilah 27º.
14
DAFTAR PUSTAKA
1. Young, D Hugh et al. Sears and Zemansky’s University Physics. Jakarta :
Erlangga. 2002.
2. Dewi, Marizka Lustia. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal
Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Optimasi Kinerja Turbin.
[Skripsi]. Departemen Fisika, FMIPA UNS. 2010.
3. Kevin, Phobi. Analisis Potensi Kincir Angin Savonius Sebagai Penggerak
Pompa Submersible. [Skripsi]. Teknologi Pertanian, Fak. Teknologi
Pertanian Universitas Andalas Padang. 2011.
4. Pradana, Achmada Jaya., Nugroho, Gunawan., Musyafa’, Ali. Rancang
Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi Profil
Kurva Blade untuk Memperoleh Daya Maksimum. Jurnal Teknik Pomits,
Vol 7, No.7,1-6. 2013.
5. Marnoto, Tjukup. Peningkatan Efisiensi Kincir Angin Poros Vertikal
Melalui Sistem Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu. Jurusan Teknik Kimia, Fak.
Teknologi Industri, Universitas Pembangunan “Veteran” Yogyakarta.
Jurnal Teknik Mesin, Vol 11, No.2. 2010.
6. Kusbiantoro, Andri., Soenoko, Rudy., Sutikno, Djoko. Pengaruh Panjang
Lengkung Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Vertikal
Savonius. Jurusan Teknik Mesin, Fak. Teknik Universitas Brawijaya
Malang. 2013.
7. Yulia, Fayza. Analisa Performa Pesawat Pada Jenis Airfoil NACA 0012,
NACA 2212, NACA 6412 Dengan Ketentuan Yang Sama dan Sudut Serang
10º dan 30º. Teknik Mesin, Universitas Indonesia. 2013.
8. [NASA] National Aeronautics and Space Administration. Open Return
Wind Tunnel. GRC. [Internet]. [di unduh 2014 Nov 12].
Tersediapada:http//www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/tunoret.html.
2010.
9. Asy’ari, Hasyim., Budiman, Aris., Agung Nugraha, Nurmuntaha.
Pemanfaatan Generator Induksi Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga
Angin Skala Rumah Tangga di Mbulak Baru Kabupaten Jepara. [Laporan
Penelitian Hibah Bersaing]. Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2010.
15
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Mulai
Studi Pustaka
Perancangan Model Turbin
Pembuatan Model Turbin
Set up Alat
Pembuatan Wind Tunnel
Pengambilan Data
Analisis Data
Optimum
Ya
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Tidak
16
Lampiran 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4333 m/s
= 3.6444 m/s
= 89.641
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.04838 x (5.43333+3.644444)(5.433332-3.6444442)
= 2.18416 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.04838 x 5.433333
= 4.75303 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.4595
.
)
( .
.
.
.
)( .
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 45.9529 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2037 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.1682 (m4/rad2 s)
– .
)
17
Lampiran 3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4333 m/s
= 3.5083 m/s
= 93.0859
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4333+3.5083) (5.43332–3.50832)
= 2.2803 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.43333
= 4.7530 watt
Perhitungan betz ratio
Cp=
(
=
.
=
)(
.
= 0.4797
( .
.
)
.
.
)( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 47.9776 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2116 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0833 (m4/rad2 s)
– .
)
18
Lampiran 4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4833 m/s
= 4.025 m/s
= 97.9829
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4833+4.025) (5.48332–4.0252)
= 1.9534 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.48333
= 4.8854 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.3998
( .
.
)
.
.
.
)( .
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 39.9854 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2207 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0142 (m4/rad2 s)
– .
)
19
Lampiran 5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4166 m/s
= 4.3916 m/s
= 95.5556
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4166+4.3916) (5.41662–4.39162)
= 1.4610 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.41663
= 4.7094 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.3102
.
( .
)
.
.3916) ( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 31.0233 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2178 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0155 (m4/rad2 s)
– .
)
20
Lampiran 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90̊
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.3666 m/s
= 5.2333 m/s
= 73.6453
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.3666+5.2333) (5.36662–5.23332)
= 0.2219 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.36663
= 4.5802 watt
Perhitungan betz ratio
Cp=
(
=
.
=
)(
.
= 0.0484
( .
.
)
.
.
)( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
=
.
x 100%
= 4.8462 %
.
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.1694 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.6573 (m4/rad2 s)
– .
)
21
Lampiran 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º,45º, 60º, dan
90º
Sudut kemiringan bilah 27º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.651
2.108
2.639
3.067
3.729
4.261
4.583
5.145
5.433
0.592
0.960
1.493
2.003
2.439
2.742
3.073
3.367
3.644
Rpm
sudu
Daya
turbin turbin
rata- (watt)
rata
19.521 0.079
28.106 0.160
38.759 0.290
50.625 0.405
61.674 0.727
73.915 1.104
81.504 1.312
83.235 1.909
89.641 2.184
rata-rata
0.908
Tip
Torsi
Efisiensi
speed
(m4/rad2
turbin
ratio
s)
(%)
(rad)
Daya
angin
(watt)
Betz
ratio
0.133
0.278
0.544
0.855
1.536
2.293
2.853
4.036
4.753
0.592
0.577
0.532
0.474
0.473
0.482
0.460
0.473
0.460
59.196
57.680
53.218
47.387
47.319
48.153
45.971
47.299
45.953
0.146
0.165
0.181
0.204
0.204
0.214
0.220
0.200
0.204
0.210
0.269
0.348
0.372
0.547
0.650
0.716
1.089
1.168
1.920
0.502
50.242
0.193
0.597
Sudut kemiringan bilah 30º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.838
2.350
2.780
3.242
3.841
4.433
4.786
5.133
5.433
0.683
1.411
1.740
2.300
2.467
2.842
3.150
3.383
3.508
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
22.664
34.564
40.752
52.251
61.060
69.833
78.872
84.581
93.086
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
Tip
Torsi
Efisensi
Speed
(m4/rad2
turbin
Ratio
s)
(%)
(rad)
0.109
0.197
0.315
0.428
0.810
1.248
1.527
1.881
2.280
0.184
0.385
0.637
1.009
1.679
2.582
3.249
4.008
4.753
0.591
0.512
0.494
0.424
0.482
0.483
0.470
0.469
0.480
59.109
51.170
49.448
42.447
48.248
48.339
46.995
46.919
47.978
0.152
0.182
0.181
0.199
0.196
0.195
0.204
0.203
0.212
0.239
0.275
0.387
0.436
0.629
0.853
0.909
1.045
1.083
0.977
2.054
0.490
48.961
0.192
0.651
22
Sudut kemiringan bilah 45º
v1
ratarata
(m/s)
1.958
2.408
2.813
3.306
3.820
4.333
4.658
5.192
5.483
v2
ratarata
(m/s)
1.300
1.883
2.283
2.528
2.836
3.133
3.483
3.864
4.025
Rpm
sudu
ratarata
29.675
38.393
47.944
53.573
64.109
74.017
81.138
93.675
97.983
rata-rata
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.103
0.143
0.204
0.392
0.646
0.991
1.154
1.613
1.953
0.222
0.414
0.660
1.070
1.652
2.411
2.995
4.147
4.885
0.465
0.346
0.309
0.366
0.391
0.411
0.385
0.389
0.400
0.800
2.051
0.385
Tip
Efisiensi
speed
turbin
Ratio
(%)
(rad)
46.520 0.187
34.612 0.197
30.914 0.210
36.637 0.200
39.099 0.207
41.109 0.211
38.525 0.215
38.905 0.223
39.985 0.221
38.479
0.208
Torsi
(m4/rad2
s)
0.180
0.246
0.294
0.448
0.558
0.693
0.770
0.892
1.014
0.566
Sudut kemiringan bilah 60º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.892
2.233
2.712
3.233
3.807
4.317
4.758
5.183
5.417
1.293
1.625
2.117
2.683
3.183
3.582
3.922
4.160
4.392
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
27.088
33.775
43.526
53.970
64.000
72.239
81.465
88.066
95.556
Tip
Efisiensi
Speed
turbin
Ratio
(%)
(rad)
Torsi
(m4/rad2
s)
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.090
0.134
0.206
0.285
0.451
0.679
0.934
1.324
1.461
0.201
0.330
0.591
1.002
1.635
2.384
3.193
4.127
4.709
0.448
0.406
0.348
0.285
0.276
0.285
0.293
0.321
0.310
44.833
40.649
34.783
28.480
27.606
28.500
29.255
32.075
31.023
0.177
0.187
0.198
0.206
0.208
0.207
0.211
0.210
0.218
0.188
0.235
0.307
0.404
0.552
0.717
0.832
1.003
1.016
0.618
2.019
0.330
33.023
0.202
0.584
23
Sudut kemiringan bilah 90º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.591
2.273
2.725
3.244
3.886
4.286
4.725
5.150
5.367
1.519
2.167
2.578
3.173
3.683
4.133
4.667
5.022
5.233
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
18.427
26.630
33.756
42.120
49.124
56.027
63.111
69.251
73.645
Tip
Efisiensi
Torsi
Speed
turbin
(m4/rad2
Ratio
(%)
s)
(rad)
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.010
0.031
0.061
0.043
0.172
0.160
0.076
0.196
0.222
0.119
0.348
0.600
1.012
1.739
2.333
3.126
4.048
4.580
0.086
0.089
0.102
0.043
0.099
0.069
0.024
0.048
0.048
8.581
8.949
10.229
4.288
9.899
6.877
2.439
4.840
4.846
0.143
0.145
0.153
0.160
0.156
0.161
0.165
0.166
0.169
0.203
0.406
0.521
0.673
1.018
1.158
1.348
1.580
1.647
0.108
1.989
0.068
6.772
0.158
0.950
24
Lampiran 8 Dokumentasi Penelitian
Arduino UNO
Turbin Angin Sumbu Tegak 7 blade
Penampang Anomemeter
25
RIWAYAT HIDUP
Siti Rahayu Latifah lahir di Tasikmalaya pada
18 Juli 1992 merupakan putri pertama dari Bapak
Dadang Nurjaman dan Ibu Didah. Penulis lulusan RA
Al-Hikmah pada tahun 1999 kemudian melanjutkan
pendidikan dasar di SD Negeri Cintawana dan lulus
tahun 2005. Tahun 2008 penulis lulus dari SMP
Negeri 1 Mangunreja. Tahun 2011 penulis
melanjutkan pendidikan ke Institut Pertanian Bogor
melewati jalur SNMPTN Undangan sebagai
mahasiswa Fisika.
Selama megikuti perkuliahan penulis menjadi
asisten praktikum Fisika TPB dan penulis juga aktif
sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika.
TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK
DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA
SITI RAHAYU LATIFAH
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengaruh Variasi Sudut
Kemiringan Bilah Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak Dalam
Terowongan Sederhana adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2015
Siti Rahayu Latifah
NIM G74110032
ABSTRAK
SITI RAHAYU LATIFAH. Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap
Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana
Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan ERUS RUSTAMI.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sudut kemiringan optimum (tilting angle θ)
dari turbin angin sumbu tegak. Desain turbin angin ini termodifikasi dari model
aerofoil NACA 6412. Performa turbin angin diuji dari 7 buah bilah dengan lima buah
variasi sudut kemiringan yaitu 27̊, 30̊, 45̊, 60̊, dan 90̊. Kecepatan angin yang
digunakan pada eksperimen ini dalam rentang 0-6 m/s. Performa pada turbin angin
tersebut dievaluasi pada beberapa parameter yaitu daya angin, daya turbin, efisiensi
turbin, torsi, dan Tip Speed Ratio (TSR). Hasil yang kami dapat bahwa turbin angin
dengan sudut kemiringan bilah θ = 27º memiliki daya turbin yang paling efisien
sebesar 50%.
Kata kunci: turbin angin sumbu tegak, sudut kemiringan bilah, daya keluaran,
efisiensi turbin
ABSTRACT
SITI RAHAYU LATIFAH. The Influence of Blade Angel Variations to Perform
of Vertical Axis Wind Turbine of Simple Wind Tunnel
Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and ERUS RUSTAMI.
The purpose of this research is to find the optimum tilting angle of vertical axis
wind turbine. The design of the wind turbine modified from NACA 6412 aerofoil
model. The performance of the wind turbine were tested from seven fix blades
with five tilting angle variation i.e. 27º, 30º, 45º, 60º, and 90º. The wind velocity
that used in this experiment is within 0-6 m/s range. The performance of the wind
turbine were evaluated from some parameter i.e. the power of wind, the power of
turbine, efficiency of turbine, torque, and Tip Speed Ratio (TSR). Our result
suggest that the wind turbine with the tilting angle θ = 27º has the most power
with the turbine efficiency of 50%.
Keywords: vertical axis wind turbine, tilting angle θ, the power of wind turbine,
efficiency of turbine
PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH
TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK
DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA
SITI RAHAYU LATIFAH
G74110032
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT dan shalawat serta
salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW karena berkat
rahmat dan karunia-NYA penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul
Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin
Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana. Hasil penelitian ini disusun
sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika,
Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis yaitu Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah
yang selalu menberikan dukungan dan mendoakan penulis dalam
menyelesaikan penelitian ini.
2. Bapak Tony, Bapak Mamat, dan Bapak Erus selaku dosen pembimbing
yang selalu memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis.
3. Bapak Heriyanto Syafutra selaku dosen penguji yang selalu memberikan
kritik dan saran yang membangun.
4. Bapak Irmansyah selaku pembimbing akademik yang telah
membimbing penulis dalam menyelesaikan studi di Departemen Fisika.
5. Lenni Pabrina, Pramudya Wardhani, dan Andrian yang telah membantu
penulis dalam menyelesaikan penelitian.
6. Adinda Mutiara, Riani Eka Fitri, Ana Fitriana, Fanny Novika, dan Syiffa
Syafiah sebagai rekan yang selalu mendukung penulis.
7. Seluruh civitas akademik Departemen Fisika IPB.
8. Seluruh teman-teman Fisika angkatan 48 yang selalu memberikan
semangat dan dukungan.
9. Beasiswa Bidik Misi yang telah memberikan dukungan moril.
Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat menjadi acuan
untuk membuat turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang sesungguhnya.
Kritik dan saran yang membangun sangan penulis harapkan untuk kemajuan
penelitian ini.
Bogor, Agustus 2015
Siti Rahayu Latifah
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Angin
2
Turbin Angin
2
Energi Angin
3
Teori Momentum Elementer Betz
3
Tip Speed Ratio (TSR)
4
Torsi
4
EfisiensiTurbin
4
NACA Airfoil 6412
5
Terowongan Angin
5
METODE
6
Bahan
6
Alat
6
Prosedur Penelitian
6
Analisis Data
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
SIMPULAN DAN SARAN
8
13
Simpulan
13
Saran
13
DAFTAR PUSTAKA
14
LAMPIRAN
15
RIWAYAT HIDUP
25
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Profil Geometri NACA Airfoil 6412 Termodifikasi
Terowongan Angin Sirkuit Terbuka
Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin
Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin
Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin
Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin
Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin
Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio (TSR)
Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin
Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin
5
5
8
9
9
10
11
11
12
12
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian
2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º
3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º
4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º
5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º
6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin,
Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90º
7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º
8 Dokumentasi penelitian
15
16
17
18
19
20
21
24
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dewasa ini Indonesia banyak mengalami krisis energi. Indonesia cenderung
memanfaatkan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak bumi, dan gas alam
sebagai sumber energi. Namun cadangan bahan bakar fosil semakin terbatas. Oleh
karena itu diperlukan suatu upaya untuk mengatasi permasalahan tersebut. Salah
satunya dengan mencari energi alternatif terbarukan yang sumbernya melimpah di
alam seperti angin, air, surya dan geotermal.
Sekitar 1% energi matahari yang mencapai bumi diubah menjadi energi
angin. Energi angin dapat dikumpulkan dan diubah menjadi bentuk energi lain
oleh turbin angin.Seperti pada sistem fotovoltaik, biaya modal sistem jenis ini
lebih tinggi daripada pembangkit daya pembakaran batubara pada kapasitas yang
sama, walupun sejumlah pemasangan turbin angin dapat menghasilkan energi
pada biaya sekitar 7 sen per kilowatt-jam.1
Angin merupakan salah satu sumber energi yang ramah lingkungan.
Penggunannya tidak menimbulkan emisi gas karbon dioksida. 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.2
Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup memadai karena
kecepatan angin rata-rata berkisar 3.5-7 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan
Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) kecepatan angin ratarata di pulau Jawa berkisar 2.5-4.0 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan tersebut
turbin angin yang paling cocok diterapkan yaitu turbin angin sumbu tegak tipe
Savonius karena turbin angin tipe Savonius ini diaplikasikan untuk daerah dengan
kecepatan angin rendah.3
Pada bidang pertanian pemanfaatan energi angin biasanya dengan
menggunakan alat konversi kincir angin. Energi kinetik angin ditangkap oleh
sudu-sudu dengan luasan tertentu sehingga terjadi putaran (RPM) pada sudu.
Putaran sudu (RPM) akan menghasilkan energi mekanik yang mampu memutar
poros pompa sentrifugal yang akan digunakan untuk menaikkan air irigasi.4
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis akan memanfaatkan
energi angin sebagai salah satu solusi untuk menangani masalah krisis energi
tersebut dengan melakukan pengembangan turbin angin sumbu tegak yang
desainnya telah dimodifikasi menggunakan sayap pesawat NACA Airfoil 6412.
Modifikasi dilakukan dengan memvariasi sudut kemiringan bilah (tilting angle θ)
dengan lima variasi sudut, yaitu 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º dengan panjang busur
profil lengkung tetap. Jumlah blade yang digunakan sebanyak tujuh buah.
2
Perumusan Masalah
Daya keluaran turbin angin sumbu tegak masih rendah. Oleh karena itu
diperlukan suatu cara untuk meningkatkan daya keluaran tersebut dengan
memvariasikan nilai parameter-parameter yang ada.
Tujuan Penelitian
Menentukan sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dari turbin angin
sumbu tegak yang menghasilkan daya keluaran paling optimum.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat dijadikan sebagai acuan untuk pembuatan turbin angin
sumbu tegak dengan ukuran yang lebih besar yang dapat digunakan sebagai
pembangkit listrik.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mengkaji tentang bagaimana kinerja turbin angin sumbu tegak
supaya menghasilkan daya keluaran paling optimum dengan memvariasikan sudut
kemiringan bilah.
TINJAUAN PUSTAKA
Angin
Angin merupakan gerakan udara yang mengalir dari daerah yang bertekanan
tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Pada iklim panas-lembab, pergerakan
anginberguna untuk menyejukkan kulit. Penyebaran tekanan angin dipengaruhi
beberapa faktor diantaranya bentuk bangunan, kecepatan angin, arah angin, lokasi
dan lingkungan.Tekanan permukaan positif terdapat dibagian angin datang dan
tekanan permukaan negatif terdapat di bagian belakang angin.2
Turbin Angin
Turbin angin merupakan sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah
energi kinetik angin menjadi energi mekanik (rotasi). Berdasarkan arah sumbu
rotasinya turbin angin digolongkan ke dalam dua kategori yaitu Horizontal Axis
Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Turbin angin
poros vertikal mempunyai sumbu vertikal dengan sudu paralel pada sumbunya.
Sudu turbin angin poros vertikal akan mengalami headwind dan tailwind.5
Headwind terjadi ketika arah sudu berlawanan dengan arah angin yang
masuk, sedangkan tailwind terjadi ketika arah sudu searah dengan arah angin yang
3
masuk. Rotasi pada poros turbin digerakkan oleh tailwind, sedangkan headwind
cenderung memperlambat rotasi sehingga menyebabkan koefisien turbin rendah.
Ada beberapa kelebihan yang dimiliki turbin angin poros vertikal di antaranya
aman, mudah dalam pembuatannya, dapat dipasang tidak jauh dari tanah, dan
mempunyai kemampuan yang lebih baik dalam menangani turbulensi angin.5
Energi Angin
Energi yang digunakan angin untuk memberikan gaya dorong terhadap
turbin yaitu energi kinetik.
Ek = mv2
(1)
keterangan :
Ek
m
v
= energi kinetik turbin (joule)
= massa turbin (kg)
= kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik angin yang berhembus per satuan waktu (daya angin) adalah:
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
keterangan :
Pw
ρ
A
v
(2)
= daya angin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
keterangan :
PT
ρ
A
v1
v2
(3)
= daya turbin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
= kecepatan turbin (m/s)
Teori Momentum Elementer Betz
Perbandingan daya mekanik turbin terhadap daya keluaran teoritik disebut
faktor daya (Cp).
Cp =
=
Cp maksimum diperoleh apabila
(
=
)(
)
(4)
yang menghasilkan nilai sebesar
0.593. Kesimpulannya meskipun dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap
tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin
yang digunakan, daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah
0.593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi
4
menjadi daya mekanik. Angka ini kemudian disebut faktor Betz. Faktor Betz
menunjukkan nilai maksimum kemampuan dari semua alat konversi energi
angin.2
Tip Speed Ratio (TSR)
Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar
turbin terhadap kecepatan angin.2
λ=
keterangan :
λ
ω
R
vw
(5)
= tip speed ratio (rad)
= kecepatan sudut turbin (rad/s)
= jari-jari turbin (m)
= kecepatan angin (m/s)
Torsi
Torsi didefinisikan sebagai ukuran keefektifan gaya dalam menghasilkan
putaran atau rotasi untuk mengelilingi sumbu.6
keterangan :
vw
R
TSR
T
(6)
=
= kecepatan angin (m/s)
= jari-jari turbin (m)
= Tip Speed Ratio (rad)
= torsi (m4/rad2 s)
Efisiensi Turbin
Untuk menyatakan performa suatu mesin biasanya dinyatakan dalam
efisiensi yang merupakan perbandingan antara efek manfaat yang digunakan
dengan pengorbanan yang dilakukan.6
η =
Keterangan :
x 100 %
η
= efisiensi turbin (%)
Pturbin = daya turbin (Watt)
Pangin = daya angin (Watt)
(7)
5
NACA Airfoil 6412
Gambar 1 Profil Geometri NACA 6412 Termodifikasi
NACA airfoil 6412 merupakan salah satu bentuk bodi aerodinamika
sederhana yang dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap bodi lainnya dan
dengan bantuan penyelasaian matematis sehingga memungkinkan untuk
memprediksi seberapa besar gaya angkat yang dihasilkan
dihasilkan oleh suatu bodi airfoil.
Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik meliputi ketebalan maksimum,
maksimum n = bentuk melengkung, posisi maksimum ketebalan, posisi
maksimum bentuk melengkung, dan jari
jari-jari kelengkungan.7
Terowongan Angin
Terowongan angin adalah suatu alat yang digunakan untuk mempelajari
efek aliran udara yang melewati benda solid. Ada dua tipe dasar dari terowongan
angin yaitu terowongan angin sirkuit terbuka dan terowongan angin sirkuit
tertutup. Pada penelitian ini saya menggunakan terowongan angin sirkuit terbuka.8
Gambar 2 Terowongan Angin Sirkuit Terbuka
6
METODE
Metode yang dilakukan pada penelitian ini meliputi studi literatur, simulasi,
pembuatan model, dan uji kinerja model. Kegiatan yang dilakukan pada penelitian
ini meliputi perancangan model turbin angin sumbu tegak tujuh sudu dengan
profil airfoil NACA 6412 termodifikasi, pembuatan turbin, set up alat, dan
pengambilan data. Pengambilan data dilakukan dengan mengukur banyaknya
putaran turbin (rotasi per menit, rpm ) untuk setiap variasi sudut turbin pada
berbagai variasi kecepatan angin (pada rentang 1-6 ms-1).
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain plastik ABS,
lem power glue, dan akrilik.
Alat
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini yaitu terowongan angin, kipas
angin, anemometer, solder, lem tembak, busur derajat, spidol, sensor DHT, sensor
rpm, arduino UNO, laptop, dan dimmer (pengatur kecepatan).
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu perancangan turbin
dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Aerofoil versi 3.2 dan
desain struktur menggunakan Google Sketchup Pro 8. Setelah itu dilakukan
pembuatan model turbin dengan menggunakan Printer 3 Dimensi. Kemudian
dilakukan set up alat untuk pengujian dan pengambilan data. Data yang diambil
digunakan untuk menghitung daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi
angin oleh turbin.
Analisis Data
Analisis daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin dilakukan
dengan melakukan pengambilan data berupa kecepatan angin dan kecepatan
turbin yang diperoleh dari anemometer sedangkan rpm diperoleh dari arduino
UNO. Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali untuk masingmasing sudut. Data yang telah diperoleh kemudian diolah untuk mendapatkan
nilai daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi konversi, Tip Speed Ratio (TSR),
dan torsi.
Daya turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
(3)
Keterangan :
PT
ρ
A
v1
v2
= daya turbin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
= kecepatan turbin (m/s)
7
Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan :
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
keterangan :
Pw
ρ
A
v
(2)
= daya angin (watt)
= densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3)
= luas penampang turbin (m2)
= kecepatan angin (m/s)
Betz ratio dihitung dengan menggunakan persamaan :
Cp =
=
(
)(
)
(4)
Efisiensi konversi dihitung dengan menggunakan persamaan :
η =
Keterangan : η
Pturbin
Pangin
x 100 %
(7)
= efisiensi turbin (%)
= daya turbin (watt)
= daya angin (watt)
Tip Speed Ratio (TSR) dihitung dengan menggunakan persamaan :
λ=
keterangan :
(5)
λ = tip speed ratio (rad)
ω= kecepatan sudut turbin (rad/s)
R = jari-jari turbin (m)
vw =kecepatan angin (m/s)
Torsi dihitung dengan persamaan :
keterangan :
=
T = torsi (m4/rad2 s)
vw= kecepatan angin (m/s)
R = jari-jari turbin (m)
TSR = Tip Speed Ratio (rad)
Diagram alir penelitian dapat dilihat pada lampiran 1.
(6)
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
120
rpm sudu turbin
100
80
sudut 27
60
sudut 30
40
sudut 45
20
sudut 90
sudut 60
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 3 Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin
Gambar 3 menjelaskan hubungan antara rpm sudu turbin terhadap kecepatan
angin menunjukan bahwa nilai rpm sudu turbin akan naik dengan bertambahnya
kecepatan angin. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah.
Berdasarkan Gambar 3 dapat terlihat bahwa sudut kemiringan bilah 45º
mempunyai nilai rpm sudu turbin terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan
bilah lainnya sedangkan sudut kemiringan bilah 90º mempunyai nilai rpm sudu
turbin terkecil diantara sudut kemiringan bilah lainnya. Hal ini dapat terjadi
karena pada sudut kemiringan bilah 45º gaya dorong angin dan gaya hambat
turbin seimbang sedangkan pada sudut kemiringan bilah 90º gaya hambat turbin
lebih besar daripada gaya dorong angin sehingga menghasilkan nilai rpm sudu
turbin yang kecil.
Hubungan antara efisiensi turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat
pada Gambar 4. Pada Gambar 4 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya
kecepatan angin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Berdasarkan Gambar
4 dapat terlihat bahwa rata-rata sudut kemiringan bilah mempunyai efisiensi
turbin maksimum pada kecepatan angin 2 m/s sedangkan setelah melewati
kecepatan angin 2 m/s efisiensi turbinnya menurun. Performa turbin angin sumbu
tegak dengan menggunakan modifikasi NACA 6412 ini mempunyai daya
keluaran yang rendah pada kecepatan angin tinggi. Sudut kemiringan bilah 27º
mempunyai rata-rata efisiensi turbin terbesar yaitu mencapai 50%.
9
70
efisiensi turbin (%)
60
50
sudut 27
40
sudut 30
30
sudut 45
20
sudut 60
10
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 4 Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin
70
efisiensi turbin (%)
60
50
sudut 27
40
sudut 30
30
sudut 45
20
sudut 60
sudut 90
10
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 5 Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin
Hubungan antara efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin dijelaskan pada
Gambar 5. Berdasarkan Gambar 5 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya
nilai rpm sudu turbin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Rata-rata
efisiensi turbin paling maksimum yang dicapai masing-masing sudut kemiringan
bilah yaitu pada 30 rpm sedangkan setelah melewati 30 rpm efisiensi turbinnya
menurun. Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi terbesar
dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya.
10
2,5
daya turbin (watt)
2
1,5
sudut 27
sudut 30
1
sudut 45
sudut 60
0,5
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 6 Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin
Hubungan antara daya turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada
Gambar 6. Berdasarkan gambar tersebut dapat terlihat dengan semakin
bertambahnya kecepatan angin maka daya turbin akan semakin meningkat. Daya
turbin terbesar pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º. Dari grafik dapat terlihat
selisih daya turbin antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat kecil
sehingga garis antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º hampir berhimpit.
Artinya kemampuan daya serap angin turbin angin sumbu tegak menggunakan
modifikasi NACA 6412 pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat optimum.
Sedangkan untuk sudut kemiringan bilah 90º tidak terjadi kenaikan daya keluaran
yang signifikan meskipun kecepatan anginnya maksimum.
Gambar 7 memperlihatkan hubungan antara daya turbin terhadap rpm sudu
turbin. Semakin bertambah nilai rpm sudu turbin maka daya turbin semakin
meningkat. Daya turbin paling optimum diperoleh pada sudut kemiringan bilah
30º dengan rpm sudu turbin hampir mencapai nilai 100.
11
2,5
1,5
sudut 27
sudut 30
1
sudut 45
sudut 60
0,5
sudut 90
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 7 Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin
0,7
0,6
0,5
betz ratio
daya turbin (watt)
2
sudut 27
0,4
sudut 30
0,3
sudut 45
0,2
sudut 60
0,1
sudut 90
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Tip Speed Ratio (rad)
Gambar 8 Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio
12
Tip Speed Ratio (rad)
0,25
0,2
0,15
sudut 27
sudut 30
0,1
sudut 45
sudut 60
0,05
sudut 90
0
0
1
2
3
4
5
6
kecepatan angin (m/s)
Gambar 9 Grafik Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin
Tip Speed Ratio (rad)
0,25
0,2
0,15
sudut 27
sudut 30
0,1
sudut 45
sudut 60
0,05
sudut 90
0
0
20
40
60
80
100
120
rpm sudu turbin
Gambar 10 Grafik Tip Speed Ratio terhadap rpm sudu turbin
Gambar 8 memperlihatkan hubungan antara Cp (betz ratio) terhadap Tip
Speed Ratio (TSR) untuk masing-masing sudut kemiringan bilah. Cp menyatakan
efisiensi turbin sedangkan Tip Speed Ratio (TSR) menunjukan perbandingan
kecepatan putar sudu terhadap kecepatan angin. Dari gambar 4 dapat terlihat nilai
Tip Speed Ratio (TSR) untuk semua sudut kemiringan bilah kurang dari 1 artinya
turbin angin sumbu tegak ini merupakan turbin angin dengan tipe dorong karena
lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong.9
Rata-rata sudut kemiringan bilah mencapai efisiensi turbin maksimum pada
saat Tip Speed Ratio (TSR) minimum karena pada saat nilai Tip Speed Ratio
(TSR) minimum gaya dorong turbinnya maksimum. Sebaliknya pada saat nilai
Tip Speed Ratio (TSR) maksimum maka efisiensi turbin menjadi turun karena
13
pada saat Tip Speed Ratio (TSR) maksimum gaya hambat turbin lebih besar
daripada gaya dorong sehingga putaran turbin cenderung melambat.
Gambar 9 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap
kecepatan angin. Semakin meningkatnya kecepatan angin maka nilai Tip Speed
Ratio (TSR) semakin naik. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah.
Sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar
dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya karena pada sudut kemiringan bilah
45º sudu turbin mengalami gaya dorong terbesar sehingga nilai Tip Speed Ratio
maksimum.
Gambar 10 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap
rpm sudu turbin. Semakin meningkatnya nilai rpm sudu turbin maka nilai Tip
Speed Ratio (TSR) semakin meningkat. Nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar
yaitu pada sudut kemiringan bilah 45º dengan putaran sudu turbin hampir
mencampai 100 rpm.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sudut kemiringan
bilah dari turbin angin sumbu tegak dengan modifikasi NACA 6412 yang
menghasilkan daya keluaran turbin paling optimum yaitu pada sudut kemiringan
bilah 27̊ dengan rata-rata daya serap angin mencapai 50%.
Saran
Penelitian selanjutnya disarankan supaya data kecepatan menggunakan
sensor kecepatan daripada menggunakan anemometer supaya penelitian lebih
efisien dan data lebih presisi, pengatur kecepatan angin harus konstan dan tertera
angka-angka untuk mengatur kecepatan anginnya sehingga memudahkan dalam
mengatur kecepatan, ruang uji turbin dalam terowongan angin harus diperbesar
agar mempermudah ketika turbin akan dikeluarkan dari dalam terowongan angin,
menggunakan honeycom yang bisa dibongkar pasang sehingga memudahkan
untuk mengatur dan melepas apabila ada ukuran yang tidak seragam, dan perlu
dilakukan pengujian pada sudut kemiringan bilah 27º untuk mengetahui
kemungkinan adanya efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan efisiensi
pada sudut kemiringan bilah 27º.
14
DAFTAR PUSTAKA
1. Young, D Hugh et al. Sears and Zemansky’s University Physics. Jakarta :
Erlangga. 2002.
2. Dewi, Marizka Lustia. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal
Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Optimasi Kinerja Turbin.
[Skripsi]. Departemen Fisika, FMIPA UNS. 2010.
3. Kevin, Phobi. Analisis Potensi Kincir Angin Savonius Sebagai Penggerak
Pompa Submersible. [Skripsi]. Teknologi Pertanian, Fak. Teknologi
Pertanian Universitas Andalas Padang. 2011.
4. Pradana, Achmada Jaya., Nugroho, Gunawan., Musyafa’, Ali. Rancang
Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi Profil
Kurva Blade untuk Memperoleh Daya Maksimum. Jurnal Teknik Pomits,
Vol 7, No.7,1-6. 2013.
5. Marnoto, Tjukup. Peningkatan Efisiensi Kincir Angin Poros Vertikal
Melalui Sistem Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu. Jurusan Teknik Kimia, Fak.
Teknologi Industri, Universitas Pembangunan “Veteran” Yogyakarta.
Jurnal Teknik Mesin, Vol 11, No.2. 2010.
6. Kusbiantoro, Andri., Soenoko, Rudy., Sutikno, Djoko. Pengaruh Panjang
Lengkung Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Vertikal
Savonius. Jurusan Teknik Mesin, Fak. Teknik Universitas Brawijaya
Malang. 2013.
7. Yulia, Fayza. Analisa Performa Pesawat Pada Jenis Airfoil NACA 0012,
NACA 2212, NACA 6412 Dengan Ketentuan Yang Sama dan Sudut Serang
10º dan 30º. Teknik Mesin, Universitas Indonesia. 2013.
8. [NASA] National Aeronautics and Space Administration. Open Return
Wind Tunnel. GRC. [Internet]. [di unduh 2014 Nov 12].
Tersediapada:http//www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/tunoret.html.
2010.
9. Asy’ari, Hasyim., Budiman, Aris., Agung Nugraha, Nurmuntaha.
Pemanfaatan Generator Induksi Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga
Angin Skala Rumah Tangga di Mbulak Baru Kabupaten Jepara. [Laporan
Penelitian Hibah Bersaing]. Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2010.
15
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Mulai
Studi Pustaka
Perancangan Model Turbin
Pembuatan Model Turbin
Set up Alat
Pembuatan Wind Tunnel
Pengambilan Data
Analisis Data
Optimum
Ya
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Tidak
16
Lampiran 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4333 m/s
= 3.6444 m/s
= 89.641
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.04838 x (5.43333+3.644444)(5.433332-3.6444442)
= 2.18416 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.04838 x 5.433333
= 4.75303 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.4595
.
)
( .
.
.
.
)( .
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 45.9529 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2037 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.1682 (m4/rad2 s)
– .
)
17
Lampiran 3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4333 m/s
= 3.5083 m/s
= 93.0859
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4333+3.5083) (5.43332–3.50832)
= 2.2803 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.43333
= 4.7530 watt
Perhitungan betz ratio
Cp=
(
=
.
=
)(
.
= 0.4797
( .
.
)
.
.
)( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 47.9776 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2116 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0833 (m4/rad2 s)
– .
)
18
Lampiran 4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4833 m/s
= 4.025 m/s
= 97.9829
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4833+4.025) (5.48332–4.0252)
= 1.9534 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.48333
= 4.8854 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.3998
( .
.
)
.
.
.
)( .
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 39.9854 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2207 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0142 (m4/rad2 s)
– .
)
19
Lampiran 5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.4166 m/s
= 4.3916 m/s
= 95.5556
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.4166+4.3916) (5.41662–4.39162)
= 1.4610 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.41663
= 4.7094 watt
Perhitungan betz ratio
Cp =
=
=
.
(
)(
.
= 0.3102
.
( .
)
.
.3916) ( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
.
= .
x 100%
= 31.0233 %
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.2178 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.0155 (m4/rad2 s)
– .
)
20
Lampiran 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi
turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90̊
= 1.225 kg/m3
= 0.0483 m2
= 0.118 m
= 5.3666 m/s
= 5.2333 m/s
= 73.6453
ρ
A
Jari-jari turbin
v1
v2
rpm sudu turbin
Diketahui :
Perhitungan daya turbin
PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)
= x 1.225 x 0.0483(5.3666+5.2333) (5.36662–5.23332)
= 0.2219 watt
Perhitungan daya angin
Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3
= x 1.225 x 0.0483 x 5.36663
= 4.5802 watt
Perhitungan betz ratio
Cp=
(
=
.
=
)(
.
= 0.0484
( .
.
)
.
.
)( .
.
Perhitungan efisiensi turbin
η =
x 100 %
=
.
x 100%
= 4.8462 %
.
Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR)
λ=
.
.
=
.
= 0.1694 rad
.
Perhitungan torsi
=
.
.
=
.
= 1.6573 (m4/rad2 s)
– .
)
21
Lampiran 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º,45º, 60º, dan
90º
Sudut kemiringan bilah 27º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.651
2.108
2.639
3.067
3.729
4.261
4.583
5.145
5.433
0.592
0.960
1.493
2.003
2.439
2.742
3.073
3.367
3.644
Rpm
sudu
Daya
turbin turbin
rata- (watt)
rata
19.521 0.079
28.106 0.160
38.759 0.290
50.625 0.405
61.674 0.727
73.915 1.104
81.504 1.312
83.235 1.909
89.641 2.184
rata-rata
0.908
Tip
Torsi
Efisiensi
speed
(m4/rad2
turbin
ratio
s)
(%)
(rad)
Daya
angin
(watt)
Betz
ratio
0.133
0.278
0.544
0.855
1.536
2.293
2.853
4.036
4.753
0.592
0.577
0.532
0.474
0.473
0.482
0.460
0.473
0.460
59.196
57.680
53.218
47.387
47.319
48.153
45.971
47.299
45.953
0.146
0.165
0.181
0.204
0.204
0.214
0.220
0.200
0.204
0.210
0.269
0.348
0.372
0.547
0.650
0.716
1.089
1.168
1.920
0.502
50.242
0.193
0.597
Sudut kemiringan bilah 30º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.838
2.350
2.780
3.242
3.841
4.433
4.786
5.133
5.433
0.683
1.411
1.740
2.300
2.467
2.842
3.150
3.383
3.508
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
22.664
34.564
40.752
52.251
61.060
69.833
78.872
84.581
93.086
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
Tip
Torsi
Efisensi
Speed
(m4/rad2
turbin
Ratio
s)
(%)
(rad)
0.109
0.197
0.315
0.428
0.810
1.248
1.527
1.881
2.280
0.184
0.385
0.637
1.009
1.679
2.582
3.249
4.008
4.753
0.591
0.512
0.494
0.424
0.482
0.483
0.470
0.469
0.480
59.109
51.170
49.448
42.447
48.248
48.339
46.995
46.919
47.978
0.152
0.182
0.181
0.199
0.196
0.195
0.204
0.203
0.212
0.239
0.275
0.387
0.436
0.629
0.853
0.909
1.045
1.083
0.977
2.054
0.490
48.961
0.192
0.651
22
Sudut kemiringan bilah 45º
v1
ratarata
(m/s)
1.958
2.408
2.813
3.306
3.820
4.333
4.658
5.192
5.483
v2
ratarata
(m/s)
1.300
1.883
2.283
2.528
2.836
3.133
3.483
3.864
4.025
Rpm
sudu
ratarata
29.675
38.393
47.944
53.573
64.109
74.017
81.138
93.675
97.983
rata-rata
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.103
0.143
0.204
0.392
0.646
0.991
1.154
1.613
1.953
0.222
0.414
0.660
1.070
1.652
2.411
2.995
4.147
4.885
0.465
0.346
0.309
0.366
0.391
0.411
0.385
0.389
0.400
0.800
2.051
0.385
Tip
Efisiensi
speed
turbin
Ratio
(%)
(rad)
46.520 0.187
34.612 0.197
30.914 0.210
36.637 0.200
39.099 0.207
41.109 0.211
38.525 0.215
38.905 0.223
39.985 0.221
38.479
0.208
Torsi
(m4/rad2
s)
0.180
0.246
0.294
0.448
0.558
0.693
0.770
0.892
1.014
0.566
Sudut kemiringan bilah 60º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.892
2.233
2.712
3.233
3.807
4.317
4.758
5.183
5.417
1.293
1.625
2.117
2.683
3.183
3.582
3.922
4.160
4.392
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
27.088
33.775
43.526
53.970
64.000
72.239
81.465
88.066
95.556
Tip
Efisiensi
Speed
turbin
Ratio
(%)
(rad)
Torsi
(m4/rad2
s)
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.090
0.134
0.206
0.285
0.451
0.679
0.934
1.324
1.461
0.201
0.330
0.591
1.002
1.635
2.384
3.193
4.127
4.709
0.448
0.406
0.348
0.285
0.276
0.285
0.293
0.321
0.310
44.833
40.649
34.783
28.480
27.606
28.500
29.255
32.075
31.023
0.177
0.187
0.198
0.206
0.208
0.207
0.211
0.210
0.218
0.188
0.235
0.307
0.404
0.552
0.717
0.832
1.003
1.016
0.618
2.019
0.330
33.023
0.202
0.584
23
Sudut kemiringan bilah 90º
v1
ratarata
(m/s)
v2
ratarata
(m/s)
1.591
2.273
2.725
3.244
3.886
4.286
4.725
5.150
5.367
1.519
2.167
2.578
3.173
3.683
4.133
4.667
5.022
5.233
rata-rata
Rpm
sudu
turbin
ratarata
18.427
26.630
33.756
42.120
49.124
56.027
63.111
69.251
73.645
Tip
Efisiensi
Torsi
Speed
turbin
(m4/rad2
Ratio
(%)
s)
(rad)
Daya Daya
turbin angin
(watt) (watt)
Betz
ratio
0.010
0.031
0.061
0.043
0.172
0.160
0.076
0.196
0.222
0.119
0.348
0.600
1.012
1.739
2.333
3.126
4.048
4.580
0.086
0.089
0.102
0.043
0.099
0.069
0.024
0.048
0.048
8.581
8.949
10.229
4.288
9.899
6.877
2.439
4.840
4.846
0.143
0.145
0.153
0.160
0.156
0.161
0.165
0.166
0.169
0.203
0.406
0.521
0.673
1.018
1.158
1.348
1.580
1.647
0.108
1.989
0.068
6.772
0.158
0.950
24
Lampiran 8 Dokumentasi Penelitian
Arduino UNO
Turbin Angin Sumbu Tegak 7 blade
Penampang Anomemeter
25
RIWAYAT HIDUP
Siti Rahayu Latifah lahir di Tasikmalaya pada
18 Juli 1992 merupakan putri pertama dari Bapak
Dadang Nurjaman dan Ibu Didah. Penulis lulusan RA
Al-Hikmah pada tahun 1999 kemudian melanjutkan
pendidikan dasar di SD Negeri Cintawana dan lulus
tahun 2005. Tahun 2008 penulis lulus dari SMP
Negeri 1 Mangunreja. Tahun 2011 penulis
melanjutkan pendidikan ke Institut Pertanian Bogor
melewati jalur SNMPTN Undangan sebagai
mahasiswa Fisika.
Selama megikuti perkuliahan penulis menjadi
asisten praktikum Fisika TPB dan penulis juga aktif
sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika.