Performansi Turbin Angin Savonius dengan Tiga Sudu untuk Menggerakkan Pompa

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

IMANUEL MANURUNG 090421033

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNUVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, yang telah melimpahkan rahmat dan karunianya sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat pada waktunya

Skripsi saya yang berjudul “Performansi Turbin Angin Savonius Dengan Tiga Sudu Untuk Menggerakkan Pompa” ini dibuat sebagai sarat akhir bagi mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara untuk menyelesaikan studi strata satu (S-1).

Dalam pembuatan hingga selesainya skripsi ini, saya bayak menerima arahan dan dukungan dari pihak-pihak yang sangat membantu bagi saya, sehingga pada kesempatan ini saya ingin mengucapkan rasa terima kasih yang setulusnya kepada:

1. Kedua orang tua saya yang sangat saya cintai atas dukungan, doa, kasih sayang dan atas segala pengorbanan yang diberikan baik berupa moril maupun materil.

2. Bapak DR. Eng. Himsar Ambarita selaku dosen pembimbing yang telah menberikan bayak ilmu dan meluangkan waktunya dalam membimbimg saya selama masa penyelesayan skripsi ini.

3. Bapak Tulus B Sitorus.ST.MT dan bapak Ir. Mulfi Hazwi.Msc Sebagai dosen Pembanding dan penguji yang telah banyak memberi masukan dan saran dalam menyempurnakan tugas skripsi ini.

4. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara.

5. Seluruh dosen dan staf pegawai Departemen Teknik Mesin yang memberikan tuntunan dan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis selama proses perkuliahan.

6. Bapak Yanto.ST dan Wagianto.AMD yang telah membantu dan memberikan tempat dalam perancangan dan pembuatan turbin angin ini.

7. Kepada rekan satu tim (Alvi Syukri dan Supra Adisyahputra Sinuraya) atas waktu dan kerjasamaya dalam peyelesayan rancang bangun turbin angin. 8. Rekan-rekan Teknik Mesin Ekstensi angkatan 2009 (Oriza riski, Martin

Sinaga, Andi Syahputra, Dedy rahman, dll), khususya Roni M.P Siagian yang selalu memberikan arahan dan bantuan kepada saya.

9. Semua pihak yang banyak membantu saya dalam menyelesaikan skripsi ini.

Medan, Juli 2012

ABSTRAK

Turbin angin savonius merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan drag force saat mengestrak energi kinetik angin. Kontruksi turbin angin savonius yang sederhana, dapat memanfaatkan energi angin dari segala arah dapat diaplikasikan untuk pemompaan air irigasi atau keperluan sehari-hari.

Penelitian turbin angin savonius ini menggunakan tiga sudu dengan profil sudu lengkung lurus ke dalam. Metode penelitian yang dilakukan adalah dengan metode eksperimen dan menghasilkan data-data pengukuran. Tahapan yang dilakukan yaitu perancangan, pabrikasi prototype turbin savonius dengan 3 sudu, dan pengujian turbin savonisus untuk menggerakkan pompa pada kecepatan angin 6.0; 7,0; dan 8,0 m/s.

Hasil penelitian disajikan dalam bentuk tabel dan grafik karakteristik putaran terhadap kapasitas aliran dan tip speed ratio terhadap koefisien daya pada setiap variansi kecepatan angin dan beban. Nilai maksimum untuk kapasitas aliran dan koefisien daya yang diperoleh untuk turbin pada tinggi pemompaan 2 meter dan 5 meter masing-masing adalah Q=2,88 l/m pada n=48,79 rpm, Cp=0.59257 atau 59,257% pada λ_{= 0.3331;Q=2,06 l/m pada n=36,48 rpm, Cp=0,59258 atau} 59,258% pada λ_{=0,2384, dan Cp=0,58826 atau 58,826% pada} λ_{=0,48981 pada} saat turbin tampa beban.

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ... i

Abstrak ... iii

Daftar Isi ... iii

Daftar Gambar ... iv

Daftar Tabel ... viii

Daftar Simbol ... ix

BAB I. PENDAHULUAN _{... 1}

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Pengenalan Angin ... 7

2.2 Energi Angin ... 9

2.3 Turbin Angin ... 10

2.4 Jenis-jenis Turbin Angin ... 11

2.4.1 Turbin angin Sumbu Horizontal (TASH) ... 12

2.4.2 Turbin angin Sumbu Vertikal (TASV) ... 14

2.5 Dasar Teori Momentum Benz’s ... 20

2.6 Aerodinamik Pada Rotor ... 25

2.7 Tip Speed Ratio ... 29

2.8 Profil Geseran Angin (Wind Shear Profile) ... 32

2.9 Pompa ... 33

2.10 Pompa Piston Tenaga Angin ... 37

2.11 Head total pompa ... 40

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 44

3.1 Diagram Alir Penelitian ... 44

3.3 Perancangan dan pembuatan ... 46

3.4 Waktu dan tempat pengujian ... 50

3.5 Alat dan Bahan ... 50

3.6 Skema Pengujian ... 54

3.7 Pelaksanaan Penelitian ... 55

BAB IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ... 57

4.1 Data Hasil Pengujian ... 57

4.2 Analisa Data ... 59

4.3 Perbandingan Hasil ... 67

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN _{... 69}

5.1 Kesimpulan ... 69

5.2 Saran ... 70 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sirkulasi atmosfer secara umum, dan pada belahan bumi

bagian utara ... 8

Gambar 2.2 Angin laut (siang) dan angin darat (malam) ... 8

Gambar 2.3 Aliran angin melalui silinder dengan luas A ... 10

Gambar 2.4 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ... 13

Gambar 2.5 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu ... 13

Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus dengan dua blade ... 16

Gambar 2.7 Turbin angin Savonius ... 17

Gambar 2.8 Prinsip rotor savonius ... 17

Gambar 2.9 Pemodelan Betz’s untuk aliran angin ... 20

Gambar 2.10 Grafik koefisien daya berbanding dengan rasio kecepatan aliran sesudah dan sebelum konversi energi ... 23

Gambar 2.11 Aliran udara melewati rotor turbin yang ideal dengan ekstraksi daya maksimum yang diserap turbin ... 24

Gambar 2.12 Kondisi aliran dan gaya aerodinamis drag ... 26

Gambar 2.13 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara 29

Gambar.2.14 Grafik Tip speed ratio dan Cp pada berbagai jenis turbin angin . 31 Gambar.2.15 Grafik wind speed profile for various locations ... 33

Gambar 2.16 Skema klasifikasi pompa tekanan statis ... 35

Gambar 2.17 Skema klasifikasi pompa tekanan dinamis ... 36

Gambar 2.18 Pompa piston tenaga angin ... 38

Gambar 2.19 Head Pompa ... 40

Gambar 2.20 Koefisien kerugian pada pembesaran mendadak ... 43

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 44

Gambar 3.2 Prototype turbin angin savonius ... 51

Gambar 3.3 Prototype pompa piston yang digunakan ... 51

Gambar 3.4 Digital Thermo Anemometer ... 51

Gambar 3.5 Digital Tachometer ... 52

Gambar 3.7 Gelas ukur ... 53 Gambar.3.8 Skema Pengujian ... 54 Gambar 4.1 Grafik kecepatan angin-vs-putaran turbin 3 sudu pada variansi

kecepatan angin dan beban turbin ... 59 Gambar 4.2 Grafik kecepatan angin-vs-kapasitas aliran pada turbin 3 sudu

pada variansi kecepatan angin dan beban turbin... 59 Gambar 4.3 Grafik daya turbin angin-vs-putaran turbin 3 sudu pada

variansi kecepatan angin dan beban turbin ... 64 Gambar 4.5 Grafik tip speed-ratio-vs-koefisien daya turbin 3 sudu pada

variansi kecepatan angin dan beban turbin ... 65 Gambar 4.6 Grafik tip speed-ratio dan koefisien daya turbin 4 sudu pada

variansi kecepatan angin dan beban turbin ... 66 Gambar 4.7 Grafik tip speed-ratio dan koefisien daya turbin 5 sudu pada

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Koefisien – koefisien Hambat yang Khas Bagi Berbagai Silinder

Dalam Aliran Dua Dimensi ... 27

Tabel 2.2 Roughness classes ... 33

Tabel 2.3 Koefisien kerugian pada pengecilan mendadak ... 43

Tabel 3.1 Spesifikasi sudu turbin ... 47

Tabel 3.2 Spesifikasi rotor turbin ... 48

Tabel 3.3 Spesifikasi bantalan turbin ... 48

Tabel 3.4 Spesifikasi rotor turbin ... 49

Tabel 3.5 Spesifikasi sispem perpipaan ... 50

Tabel 3.6 Spesifikasi Digital Thermo Anemometer ... 51

Tabel 4.1 Data pengujian tampa beban ... 57

Tabel 4.2 Data pengujian dengan head statis 2 meter ... 58

Tabel 4.3 Data pengujian dengan head statis 5 meter ... 58

Tabel 4.4 Daya angin dengan variasi kecepatan angin pengujian ... 60

Tabel 4.5 Hasil perhitungan pengujian turbin angin tiga sudu tanpa beban . 63 Tabel 4.6 Hasil perhitungan pengujian turbin angin tiga sudu dengan tinggi pemompaan 2 meter ... 63

Tabel 4.7 Hasil perhitungan pengujian turbin angin tiga sudu dengan tinggi pemompaan 5 meter ... 64

Tabel 4.8 Data hasil pengujian turbin savonius dengan empat sudu ... 66

Tabel 4.9 Data hasil pengujian turbin savonius dengan lima sudu ... 67

DAFTAR SIMBOL

Ao luas penampang, m2 A1 luas sapuan rotor, m2 CD koefisien darag Cp koefisien daya

Cpmax koefisien daya maksimum D diameter silinder, m g percepatan grafitasi, m/s2 F gaya, N atau kg.m/s2 f faktor gesekan

Fmax gaya maksimum, N atau kg.m/s2 Ek energi kinetik, J atau N.m Ht head Total, m

ha head statis, m hl kerugian head, m

L panjang, m

m massa, kg

ṁ aliran massa, kg/s n putaran, rpm

Po daya angin, Watt atau J/s Pt daya turbin angin, Watt atau J/s Pp daya pompa, Watt atau J/s Q kapasitas aliran, liter/menit r radius, m

s jarak langkah piston, m v1 kecepatan angin, m/s v’ kecepatan ujung rotor, m/s

v2 kecepatan angin belakang turbin, m/s vr kecepatan relative, m/s

λ tipe speed ratio η efesiensi, %

ρ kerapatan massa, kg/m3 ω kecepatan sudut, rad/s

ABSTRAK

Turbin angin savonius merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang memanfaatkan drag force saat mengestrak energi kinetik angin. Kontruksi turbin angin savonius yang sederhana, dapat memanfaatkan energi angin dari segala arah dapat diaplikasikan untuk pemompaan air irigasi atau keperluan sehari-hari.

Penelitian turbin angin savonius ini menggunakan tiga sudu dengan profil sudu lengkung lurus ke dalam. Metode penelitian yang dilakukan adalah dengan metode eksperimen dan menghasilkan data-data pengukuran. Tahapan yang dilakukan yaitu perancangan, pabrikasi prototype turbin savonius dengan 3 sudu, dan pengujian turbin savonisus untuk menggerakkan pompa pada kecepatan angin 6.0; 7,0; dan 8,0 m/s.

Hasil penelitian disajikan dalam bentuk tabel dan grafik karakteristik putaran terhadap kapasitas aliran dan tip speed ratio terhadap koefisien daya pada setiap variansi kecepatan angin dan beban. Nilai maksimum untuk kapasitas aliran dan koefisien daya yang diperoleh untuk turbin pada tinggi pemompaan 2 meter dan 5 meter masing-masing adalah Q=2,88 l/m pada n=48,79 rpm, Cp=0.59257 atau 59,257% pada λ_{= 0.3331;Q=2,06 l/m pada n=36,48 rpm, Cp=0,59258 atau} 59,258% pada λ_{=0,2384, dan Cp=0,58826 atau 58,826% pada} λ_{=0,48981 pada} saat turbin tampa beban.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia misalnya untuk menggerakkan perahu layar, pembangkit tenagga listrik dan lainya . Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Lain halnya energi air, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan dimana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut. Pemanfaatan energi terbarukan dapat mencegah terjadinya kenaikan jumlah karbon dioksida atau CO2 pada lapisan atmosfer yang menyebabkan pemanasan global.

Pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi terbarukan adalah suatu usaha menjawab suatu masalah atas terjadinya perubahan lingkungan dan alam juga salah satu usaha konservasi dari sumber energi konvensional. Indonesia merupakan Negara yang memiliki lahan pertanian yang luas. Akan tetapi ada lahan pertanian yang sulit dialiri air karena lebih tinggi dari sumber air. Pompa merupakan peralatan yang dapat digunakan untuk mengalirkan air ke lahan pertanian tersebut. Ketersediaan energi listrik yang tidak merata, memerlukan pemanfaatan energi alternative.

Ketersediaan energi angin yang cukup besar dapat dimanfaatkan sebagai energi alternative untuk menggerakkan pompa. Pompa torak merupakan salah satu jenis pompa yang dapat digerakkan dengan turbin angin, untuk mengaliri lahan pertanian yang berada di atas sumber air.

Pada tahun 2008 Efektivitas turbin angin untuk pemompaan air irigasi ini sudah dicoba PT Nuansa Cipta Kreasi dengan menempatkan satu kincir percobaan di Temon Kabupaten Kulon Progo, DI Yogyakarta. Debit air yang bisa dihasilkan 100 liter per menit. Satu kincir angin berdiameter standar, 6 meter, bisa dimanfaatkan untuk memompa air irigasi bagi lahan sawah seluas 2-5 hektar. (http://nasional.kompas.com 14 agustus 2008)

Namun angin di kawasan wilayah Indonesia mempuyai kecepatan dan arah yang selalu berubah. Menurut Karwono (2008), pada turbin angin poros horizontal pemanfaatanya harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatanya. Kontruksi turbin angin Vertikal Axis Savonius yang dapat memanfaatkan potensi angin dari segala arah, kontruksi sederhana, dan tidak memerlukan tempat pemasangan yang begitu luas serta menghasilkan momen yang besar merupakan suatu pertimbangan penulis dalam memilih jenis turbin angin ini. Hal inilah yang membuat penulis ingin melakukan penelitian sebagai tugas akhir dengan judul: Performansi Turbin Angin Savonius Dengan Tiga Sudu Untuk Menggerakkan Pompa.

1.2. TUJUAN PENELITIAN

Adapun tujuan yang hendak dicapai dari penelitian ini adalah :

1. Membuat turbin angin savonius sebagai penggerak pompa untuk pengujian 2. Menganalisis kinerja turbin angin savonius (pada variansi kecepatan angin

dan pembebanan)

3. Mengetahui daya maksimum yang dihasilkan pada beberapa kecepatan angin. 4. mengetahui pengaruh pembebanan terhadap daya yang dihasilkan turbin

1.3. RUMUSAN DAN BATASAN MASALAH

1.3.1. Rumusan Masalah

Dalam penelitian performansi turbin angin vertikal axis savonius, rotor turbin yang akan digunakan memiliki jumlah sudu tiga dengan profil sudu lengkung lurus ke bagian poros yang terkonsentrasi pada pengaruh kecepatan angin terhadap daya dan putaran yang dapat di bangkitkan turbin.

Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin tentu bervariasi terhadap kecepatan angin yang akan melalui turbin. Pada penelitian ini, penulis akan melakukan pengujian dengan variansi kecepatan angin 6,0; 7,0; dan 8,0 m/s.

Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin ini akan di gunakan untuk memompakan air. penulis juga akan melakukan pengujian dengan variansi tinggi pemompaan 2 dan 5 meter untuk mengetahui pengaruh kenaikan beban terhadap daya dan putaran turbin.

1.2.2 Batasan Masalah

Dengan melihat luasnya permasalahan yang perlu di kaji dan data-data pengujian yang dibutuhkan maka dalam penelitian ini, dibatasi dalam beberapa hal diantaranya adalah :

1. Rancang bangun turbin angin sesuai dengan desain yang ditentukan oleh penulis. 2. Spesifikasi turbin angin savonius meliputi:

a. Diameter rotor : 1 m b. Tinggi rotor : 0,9 m c. Jumlah sudu : 3 sudu

d. Profil sudu : lengkung lurus ke dalam dimana jari-jari kelengkungan 0,2 dengan radius 110o ditambah sisi lurus 0,17 m

3. Kecepatan angin dibuat dalam beberapa kecepatan yaitu 6, 7, dan 8 m/s

4. Pembebanan yang diberikan dalam bentuk tinggi pemompaan dengan variasi tanpa beban, beban 2 meter dan beban 5 meter.

1.4. MANFAAT PENELITIAN

Penelitian yang penulis lakukan ini kiranya dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, bagi para pembaca atau pihak-pihak yang berkepentingan. Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari :

1. Bagi Penulis

• Merupakan wahana menerapkan pengetahuan teori yang telah didapatkan di bangku kuliah, serta membandingkannya dengan kondisi dilapangan. • Mengetahui secara teoritis dan praktek berapa skala besar turbin angin

untuk menghasilkan daya yang diinginkan. 2. Bagi Akademik

• Merupakan pustaka tambahan untuk menunjang proses perkuliahan • Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam

pada jenjang lebih tinggi. 3. Bagi masyarakat/Industri

• Memberikan solusi terhadap masalah penyediaan energi yang murah dan tidak mencemari lingkungan.

• Sebagai kontribusi positif bagi dunia industri dalam mengurangi penggunaan biaya produksi.

1.5. SISTEMATIKA PENULISAN

Penulis menyusun laporan hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

Bab I. Pendahuluan

Bab ini berisikan penjelasan latar belakang, permasalahan, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. Pada sub-bab latar belakang berisi hal-hal yang melatar belakangi dan awal sudut pandang penulis sehingga akan dilakukan suatu penelitian. Penelitian merupakan suatu kegiatan ilmiah yang tentunya memiliki tujuan yang akan di capai dibahas dalam sub-bab tujuan penelitian, bayak aspek yang terlibat pada saat dilakukanya suatu penelitian, namun tidak semua aspek tersebut dilibatkan sehingga dibuat suatu rumusan masalah dan batasan masalah penelitian agar tujuan dari penelitian tercapai, hal ini dibahas pada rumusan dan batasan masalah. Tingkat keberhasilan suatu penelitian tentu memberikan suatu manfaat bagi pembaca dan penulis khususnya. suatu penelitian yang telah dilakukan disusun dan dibentuk laporan hasil penelitian yang memiliki sistematik penulisan yang ilmiah yang dibahas pada sub-bab sistematika penulisan.

Bab II. Tinjauan Pustaka

Pada bab ini berisikan teori-teori pendukung yang dipakai sebagai dasar pembahasan dan penyelesaian permasalahan dalam menganalisis data hasil pengujian turbin angin Vertikal Axis Savonius

akibat kenaikan kecepatan angin dan akibat perbedaan tinggi pemompaan.

Bab III. Perancangan Turbin Angin Savonius

Dalam bab ini dibahas penjelasan tentang metode penelitian berupa bahan dan peralatan yang digunakan, perancangan, waktu dan tempat penelitian, prosedur dan variabel yang diamati.

Bab IV. Analisa Data dan Pembahasan

Pada bab ini berisikan hasil penelitian yang dilakukan berupa daya dan putaran yang dihasilkan oleh turbin angin . Dalam bab ini juga dipaparkan mengenai perhitungan dari data yang diperoleh dengan menggunakan teori yang ada pada bab II.

Bab V. Kesimpulan dan Saran

Pada bab ini merupakan kesimpulan dan saran dari hasil analisa serta permasalahan yang ada pada skripsi ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. PENGENALAN ANGIN

Angin merupakan massa udara yang bergerak. Pergerakan massa udara

ini diakibatkan oleh perbedaan tekanan udara antara satu tempat dengan tempat

yang lain, hal ini dapat diakibatkan karena perbedaan distribusi energi radiasi

matahari, tutupan awan serta dinamika disekitarnya. Angin selalu bergerak dari

daerah yang bertekanan udara tinggi ke daerah yang bertekanan udara rendah.

Angin dapat bergerak secara horizontal maupun vertikal dengan

kecepatan yang dinamis dan fluktuatif. Pergerakan angin secara horizontal

dinamakan adveksi, sedangkan pergerakan secara vertikal dinamakan konveksi.

Angin didekat permukaan umumnya memiliki kecepatan yang lebih

rendah dibandingkan dengan lapisan udara yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan

kontur permukaan yang tidak rata dan menyebabkan terhambatnya pergerakan

angin. Arah angin pada lapisan udara yang lebih tinggi juga lebih bervariasi. Pada

ketinggian 6-12 km kita dapat menjumpai angin dengan kecepatan 300km/jam

yang umumnya berhembus dari barat yang dinamakan jet stream.

Didaerah katulistiwa udaranya panas mengembang dan menjadi ringan,

naik keatas dan bergerak kedaerah yang lebih dingin. Sebaliknya daerah kutub

yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun kebawah. Dengan demikian

terjadi suatu perputaran udara berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis

katulistiwa menyusuri permukaan bumi dan sebaliknya suatu perpindahan udara

dari garis katulistiwa kembali ke kutub utara, melalui lapisan udara yang lebih

Ada dua faktor utama sirkulasi global yaitu radiasi matahari dan rotasi

bumi dengan atmosfir. Variasi musiman adalah disebabkan kemiringan sumbu

bumi pada bidang pergerakan bumi mengelilingi matahari. Radiasi surya lebih

besar per satuan luas ketika matahari menyinari langsung tepat di atas, disana

terjadi perpindahan panas dari daerah dekat khatulistiwa menuju kutub. Karena

bumi berotasi pada sumbunya dan disana konservasi momentum sudut, angin

akan bergeser sebagaimana pergerakan sepanjang arah longitudinal.

Gambar 2.1. Sirkulasi atmosfer secara umum, dan pada belahan bumi bagian utara [6]

Angin lokal disebabkan perbedaan tekanan lokal dan juga dipengaruhi

topograpy, gesekan permukaan disebabkan gunung, lembah dan lain-lain. Variasi

harian disebabkan perbedaan temperatur antara siang dan malam. Perbedaan

temperatur daratan dan lautan juga mengakibatkan angin sepoi-sepoi,

bagaimanapun angin tidak mengalir sangat jauh di daratan.

2.2 ENERGI ANGIN

Energi yang tersedia dalam angin pada dasarnya adalah energi kinetik dari

massa udara yang bergerak di atas permukaan bumi. Sudu-sudu turbin angin

menerima energi kinetik dari angin, yang kemudian ditransformasikan ke bentuk

mekanik atau listrik, tergantung pada penggunaan akhir yang di inginkan.

Efisiensi konversi energi angin kedalam bentuk-bentuk energi yang lain sangat

tergantung pada efisiensi rotor berinteraksi dengan aliran angin.

Menurut ilmu fisika energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan

kecepatan v adalah Ek=0.5.m.v2, dengan asumsi bahwa kecepatan v tidak

mendekati kecepatan cahaya. Rumus diatas berlaku juga untuk menghitung energi

kinetik dari aliran udara sehingga dapat ditulis:

=1_{2 (} )[3] … … … . . … … … (2.1) Dimana: Ek = energi (Nm)

m = massa udara (kg)

v1 = kecepatan angin (m/s)

Apabia aliran udara dengan kecepatan v melewati suatu penampang

dengan luas penampang A seperti pada gambar 2.3, maka volume aliran tersebut

adalah:

= . ( ⁄ [3]… … . .… … … . . … … … (2.2)) dan massa aliran dengan massa jenis udara ρ adalah:

= . . ( ⁄ )[3]… . . … … … . . … … … (2.3) dimana = laju massa aliran udara (kg/s)

Gambar 2.3. Aliran angin melalui silinder dengan luas A [4]

Persamaan yang menyatakan energi kinetik dari aliran udara dan massa

aliran menghasilkan sejumlah energi yang melewati penampang A per satuan

waktu. Secara fisika energi ini identik dengan daya Po:

=1_{2 . .} ( )[3] … … . … … … . (2.4) Dimana Po = daya angin (Watt)

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

A = luas penampang melintang aliran (m2)

2.3 TURBIN ANGIN

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang

mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi

mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti pompa atau grinding

stones, maka mesin (turbin) disebut windmill.

Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi kehidupan manusia, salah satunya

adalah para nelayan. Selain itu, turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,

keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin

terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin secara efektif, v1

terutama pada daerah-daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang

tahun.

2.4 JENIS-JENIS TURBIN ANGIN

Turbin angin sebagai mesin konversi energi dapat digolongkan

berdasarkan prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan rotornya. Berdasarkan

prinsip aerodinamik, turbin angin dibagi menjadi dua bagian yaitu:

1. Jenis drag yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan selisih

koefisien drag.

2. Jenis lift yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan gaya lift.

Pengelompokan turbin angin berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor

yang dimaksud yaitu apakah rotor turbin angin mengekstrak energi angin

memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui sudu rotor atau rotor

angin mengekstrak energi angin dengan memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan

aliran udara yang melalui profil aerodinamis sudu. Kedua prinsip aerodinamik

yang dimanfaatkan turbin angin memiliki perbedaan putaran pada rotornya,

dengan prinsip gaya drag memiliki putaran rotor relatif rendah dibandingkan

turbin angin yang rotornya menggunakan prinsip gaya lift.

Jika dilihat dari arah sumbu rotasi rotor, turbin angin dapat dibagi menjadi

dua bagian yaitu:

1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)

2.4.1 Turbin angin sumbu horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki sumbu rotasi rotornya

horizontal paralel terhadap tanah dan hampir sejajar dengan aliran udara (Gambar

2.4). Sebagian besar turbin angin komersial termasuk dalam kategori ini. Secara

umum, mereka menunjukkan Cp (power coefficient) relatif tinggi. Namun,

generator dan gearbox dari turbin ini harus ditempatkan di atas menara yang

membuat desain yang lebih kompleks dan mahal. Kerugian lain adalah kebutuhan

untuk ekor atau drive yaw untuk mengarahkan turbin ke arah datangya angin.

Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling

cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya

menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah motor pengarah.

Sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin).

Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan

angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap

sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang,

bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan

demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu. Berdasarkan

prinsip aerodinamis, rotor turbin angin sumbu horizontal mengalami gaya lift dan

gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag sehingga rotor turbin

Gambar 2.4 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal

Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi:

1. Turbin angin satu sudu (single blade)

2. Turbin angin dua sudu (double blade)

3. Turbin angin tiga sudu (three blade)

4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)

Gambar 2.5 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu [5]

Kelebihan TASH

• Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di

tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan

arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir

bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas,

Kelemahan TASH

• Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter

sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20%

dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

• TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat

tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.

• Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah

yang berat,gearbox, dan generator.

• TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport.

• Ukurannya yang tinggi menghalangi jangkauan pandangan

• Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan

oleh turbulensi.

• TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk

membelokkan kincir ke arah angin.

2.4.2 Turbin angin sumbu vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal/tegak (TASV) memiliki poros/sumbu rotor

utama yang tegak lurus terhadap permukaan tanah. Kelebihan utama susunan ini

adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini

sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT

mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di

dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses

tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah

benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir

berputar.

Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang

lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah

bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga

yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan

obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa

menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya

kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau

mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara

turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi

angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.

dilihat dari prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal

dibagi menjadi dua bagian yaitu:

1. Turbin angin Darrieus

Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin eggbeater.

Turbin aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu

rotornya dalam mengekstrak energi angin. Turbin angin Darrieus pertama kali

ditemukan oleh Georges Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus

merupakan turbin angin yang menggunakan prinsip aerodinamik dengan

memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi

Turbin Darrieus memiliki torsi rotor yang rendah tetapi putarannya lebih

tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk

menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan energi awal untuk

mulai berputar. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya memiliki variasi sudu

yaitu dua atau tiga sudu.

Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus dengan dua blade [5]

2. Turbin angin Savonius

Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia

Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari

dua sudu berbentuk setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga

membentuk ‘S’, satu sisi setengah silinder berbentuk cembung dan sisi lain

berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 2.7. Berdasarkan prinsip

aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak

Gambar 2.7 Turbin angin Savonius [1]

Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan

cembung. Oleh sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui

angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar dari pada sisi lain sehingga

rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya

hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat

melebihi kecepatan angin yang melaluinya.

Gambar 2.8 Prinsip rotor savonius [5]

Dengan memanfaatkan gaya hambat, turbin angin savonius memiliki

Meskipun demikian turbin savonius tidak memerlukan energi awal memulai rotor

untuk berputar yang merupakan keunggulan turbin ini dibanding turbin Darrieus.

Daya dan putaran yang dihasilkan turbin savonius relatif rendah, sehingga pada

penerapannya digunakan untuk keperluan yang membutuhkan daya kecil dan

sederhana seperti memompa air. Turbin ini tidak sesuai digunakan untuk

pembangkit listrik dikarenakan tip speed ratio dan faktor daya yang relatif kecil.

Menurut mohamed (2010), savonius adalah sebuah turbin angin vertikal

yang berputar lambat (λ≈1) dan memiliki efesiensi yang rendah Cp ≈ 1.5 sampai

yang paling maksimal 2. Namun demikian, turbin ini memiliki beberapa

keuntungan untuk aplikasi yang khusus, sederhana dan biaya yang rendah.

Kelebihan TASV

• Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

• Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.

• Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat

pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

• TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang

terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan

yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan

tinggi.

• Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak

atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar

untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya

• TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.

Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10 km/jam (6 m.p.h.)

• TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan

putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih

rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin

berhembus sangat kencang.

• TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi

dilarang dibangun.

• TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari

berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin

(seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),

• TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

• Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.

Kekurangan TASV

• Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH

karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

• TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang

di elevasi yang lebih tinggi.

• Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan

membutuhkan energi untuk mulai berputar.

• Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi

tekanan padabantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada

bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya

2.5. DASAR TEORI MOMENTUM BETZ’S

Tahun 1925 dan 1925 Albert Betz mempublikasikan tulisanya, dimana ia

mampu menunjukkan bahwa, dengan menerapkan hukum-hukum fisika dasar,

energi kinetik diekstrak dari aliran udara yang lewat melalui luas penampang yang

diberikan terbatas pada proposisi tetap dari energi yang terkandung dari aliran

udar. Selain itu ia menemukan bahwa ekstraksi daya yang optimal hanya dapat

direalisasikan pada rasio antara kecepatan aliran udara di depan converter energi

dan kecepatan dibelakang konverter. Teori momentum Betz’ sederhana

berdasarkan pemodelan aliran dua dimensi angin yang mengenai rotor

menjelaskan prinsip konversi energi angin pada turbin angin terlihat seperti pada

gambar 2.9.

Gambar 2.9 Pemodelan Betz’s untuk aliran angin [3]

Dimana, v1 adalah kecepatan aliran bebas atau kecepatan angin sebelum

mencapai konverter (rotor turbin), sedangkan v2 adalah kecepatan aliran setelah

melalui konverter.

Energi kinetik yang diekstrak converter berbentuk rotor turbin angin dari

aliran udara sesuai dengan perbedaan kecepatan aliran udara sebelum dan sesudah

konverter, sehinga daya yang diserap turbin adalah:

dimana: P = daya yang diekstraksi (Watt)

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

A1 = luas penampang aliran udara sebelum melalui rotor (m2)

A2 = luas penampang aliran udara setelah melalui rotor (m2)

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

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

Dengan asumsi massa jenis tidak mengalami perubahan maka sesuai

hukum kontinuitas aliran meyatakan bahwa:

= ( ⁄ ) … … … . … … … . (2.6) Maka;

=1₂ ( ) ( )… … … …. . (2.7) atau

=1_{2 . ( ) ( )[3] … …. … … … …. . (2.8)} Dari persamaan diatas, dapat disimpulkan bahwa daya terbesar yang dapat

di ambil dari angin jika kecepatan angin setelah melalui rotor tubin (v2) ber henti

atau sama dengan nol. Namun hal ini tidak mungkin terjadi karna tidak memenuhi

hukum kontinuitas aliran. Energi angin yang di ubah akan semakin besar jika v2

semakin kecil, atau dengan kata lain rasio v1/ v2 harus semakin besar.

Untuk itu, kita memerlukan persamaan lain untuk mencari besarnya daya

yang dapat diambil dari angin yaitu hukum kekekalan momentum, menurut Eric

hau (2006) gaya yang diberikan udara ke rotor turbin dapat dinyatakan dengan:

% = ( ) ( ) … … … . . … … … . (2.9) dimana F = gaya (N)

Sesuai dengan hukum kedua Newton bahwa gaya aksi sama dengan gaya

reaksi, gaya yang diberikan udara kepada rotor akan sama dengan gaya hambat

oleh rotor yang menekan udara ke arah yang berlawanan. Menurut Eric hau

(2006) gaya yang diperlukan untuk menghambat aliran udara adalah:

= % , _{= ( )} , _{( )[3] … … … . . … … … …… … . (2.10)}

dimana v, = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)

dengan mensubtitusi persamaan 8 ke persamaan 10 maka diperoleh: 1

2 ( ) = ( ) , ( )… … … . . (2.11) sehingga, kecepatan aliran udara ketika melalui rotor adalah:

,₌1

2 ( ) ( ⁄ ) … … … . . (2.12) dan laju aliran massa menjadi;

= , ₌1

2 ( + ) ( ⁄ … … . . … … … (2.13)) maka besarnya keluaran daya mekanik yang telah diubah adalah:

* =1_{4 ( )( + ) ( )[3] …… … . . …… … … . .… . (2.14)}

Untuk melengkapi urayan dari besarnya keluaran daya mekanik ini, harus

dibandingkan dengan daya yang terkandung pada aliran angin yang memiliki

luasan area A yang sama tanpa melewati rotor turbin (Po) (persamaan 2.4).

Besarnya rasio perbandingan antara keluaran daya mekanik yang telah diubah dari

energi angin dengan daya yang terkandung pada angin Po disebut dengan Cp

(power coefficient). menurut Eric hau (2006) nilai Cp dinyatakan dengan

+, = * = 1

4 ( )( + ) 1

2 .

[3] . …… … … . . … . (2.15) Koefisien daya tersebut dapat diubah menjadi fungsi dari perbandingan

kecepatan v2/ v1:

+, = * =1_{2 -1 . / - 01 + 0 … … . … . …… … … . . … . (2.16)} Koefisien daya hasil dari konversi daya angin ke daya mekanis turbin

tergantung pada perbandingan dari kecepatan angin sebelum dan sesudah

melewati rotor turbin. Jika keterkaitan ini di buat kedalam bentuk grafik, secara

langsung solusi analitis juga dapat ditemukan dengan mudah. Dapat dilihat bahwa

koefisien daya maksimum pada rasio kecepatan angin tertentu seperti terlihat pada

grafik dibawah ini.

Gambar 2.10 Grafik koefisien daya berbanding dengan rasio kecepatan aliran sesudah dan sebelum konversi energi [3]

Dengan v2/ v1 = 1/3,besarnya efesiensi teoritis atau ideal atau maksimum

dari turbin angin Cp adalah:

Betz’s adalah orang yang pertama yang menemukan nilai ini, untuk itu

nilai ini disebut juga dengan Betz’s factor. Dengan kata lain, turbin angin hanya

dapat mengkonversikan energi angin tidak lebih dari 60%.

Mengetahui bahwa koefisien daya maksimum yang ideal dicapai pada v2/

v1 = 1/3, kecepatan angin yang melalui rotor menjadi:

, ₌2

3 ( ⁄ )[3] … … … …… … … … . . . (2.18) Dan kecepatan setelah melewati turbin (v2) menjadi:

=1_{3 ( ⁄ )[3] … … … …… . … … … . . (2.19)} Dengan memperhatikan gambar 2.10, tekanan masuk dan kecepatan

masuk turbin adalah Po dan v1, dan pada bagian keluar v2, v2 adalah lebi kecil dari

pada v1 karena energi kinetik telah diserap keturbin .

Gambar 2.11 Aliran udara melewati rotor turbin yang ideal dengan ekstraksi daya maksimum yang diserap turbin [3]

2.6 AERODINAMIK PADA ROTOR

Teori momentum betz’s menunjukkan nilai yang ideal untuk daya yang di

ekstrak dari aliran udara tanpa mempertimbangkan desain dari rotor turbin itu

sendiri. Gaya aerodinamis yang digunakan rotor sangat mempengaruhi daya

mekanik yang dihasilkan. Ada dua macam gaya yang menggerakan rotor pada

turbin angin, yaitu gaya lift dan drag. Gaya lift adalah gaya pada arah tegak lurus

arah aliran yang dihasilkan ketika fluida bergerak melalui benda yang

berpenampang airfoil. Jika penampang airfoil menyapu udara dengan kecepatan

tertentu maka tekanan udara pada bagian atas sayap akan lebih kecil dari bagian

bawah sayap, hal ini menyebabkan adanya gaya angkat pada sayap tersebut yang

disebut gaya lift. Sedangkan gaya drag adalah gaya hambat yang arahnya

berlawanan dengan arah gerak benda.

2.4.1 Aerodinamik Hambatan (drag)

Menurut hau (2006) jenis yang paling sederhana dalam mengkonversi

energi angin dapat dicapai dengan cara penerapan hambatan atau drag murni pasa

suatu permukaan seperti pada gambar. Eric hau (2006) udara yang mengenai

permukaan A dengan kecepatan vw, maka daya yang dapat ditangkap P, dapat

dihitung dari areodinamis dragD, luas penampang A dan kecepatan v adalah:

= 1. 2 ( )[3]… … … …… … . . …… … … . .… . (2.20)

Dimana: D = aerodinamis drag

Gambar 2.12 Kondisi aliran dan gaya aerodinamis drag [3]

Kecepatan relatif vr = vw – v yang secara efektif menentukan hambatan pada

daerah drag. Dengan menambahkan koefisien aerodinamis drag Cd, persamaan

aerodinamis drag menjadi:

1 = +3_{2 (} 4 2) % … … … . . …… … … . . … . (2.21)

Sehingga daya drag total adalah:

= 2 +3( 4 2) 2 ( )[3] … … … . . …… … … . . … . (2.22)

Jika daya dinyatakan lagi dalam daya yang terkandung dalam aliran udara bebas

didapat Cp (power coefficient):

+, = = 2+3(₁4 2) 2

2 . 4

[3] … … … . … … … …… … … . . … . (2.23) dan

+,567 =_{27 +8 [3]. . … … … . . … … … …… … … . . … . (2.24)}4

Nilai Cd dari mendekati nol sampai titik maksimum, maksimum kira-kira

1,3 untuk bentuk cekung yang digunakan pada anemometer standard. Dengan

demikian, koefisien daya maksimum untuk drag machine adalah:

+9:;< = .

4

dibandingkan dengan kriteria Betz untuk turbin ‘ideal’ dengan +₉= ?

@= 59 % .

Ditunjukkan bahwa turbin tipe lift memiliki koefisien daya 30% lebih besar dari

perhitungan yang mungkin dicapai berdasarkan pendekatan kriteria Betz. Daya

ekstraksi dari drag machine dapat ditingkatkan dengan penggabungan flap atau

dengan memperbaiki konsentrasi aliran angin. Cara memperbaiki drag machine

memiliki hal yang sama dengan rotor turbin Savonius.

Tabel 2.1 Koefisien – koefisien Hambat yang Khas Bagi Berbagai Silinder Dalam

Menurut Reksoatmodjo (2005), untuk penerapan teori Betz pada turbine

angin Savonius perlu memperhatikan penyimpangan-penyimpangan dari

asumsi-asumsi yang digunakan oleh Betz.

Pertama, Betz mengansumsikan jumlah sudu-sudu turbin tak terhingga,

sedangkan pada turbin Savonius jumlah sudu-sudu hanya dua.

Kedua, Betz mengasumsikan aliran udara laminar, sedangkan dalam

kenyataannya terutama pada kecepatan angin pada bilangan

Beaufort Bn ≥10 atau ≥26 m/s aliran udara diperkirakan tidak

sepenuhnya laminar sehingga pengaruh bilangan Reynold akan

menentukan besar-kecilnya koefisien hambatan Cd.

Jika sudu-sudu berbentuk setengah bola Cd = 1.42 kalau angin berhembus

pada sisi cekung dan Cd = 0.34 jika angin berhembus pada sisi cembung

(Bilangan Reynold 104 < NR <106) (Hughes dan Brighton, 1967:85 dalam

Reksoatmodjo, 2005). Untuk sudu – sudu berbentuk setengah silinder harga-harga

itu sama dengan 2.3 dan 1.2 (Bilangan Reynold 4 x 104) (Streeter, 1996).

2.4.2 Aerodinamik Angkat (lift)

Jika bentuk sudu rotor memungkinkan pemanfaatan aerodinamis lift,

koefisien daya yang lebih tinggi dapat dicapai. Analog dengan kondisi yang ada

dalam kasus pesawat airfoil, pemanfaatan gaya lift sangat meningkatkan efesiensi

Gambar 2.13 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara[3]

Semua jenis turbin angin modern rotor dirancang untuk memanfaatkan

efek ini dan jenis paling cocok untuk tujuan ini adalah jenis baling-baling dengan

sumbu rotasi horisontal. Ada juga beberapa jenis rotor vertikal, turbin angin

darlius.

2.7. TIP SPEED RATIO

Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin terhadap

kecepatan angin yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai

nominal yang berubah-ubah terhadap perubahan kecepatan angin. Turbin angin

tipe lift memiliki tip speed ratio yang lebih besar dibanding dengan turbin angin

tipe drag

Tip speed ratio λ dihitung dengan persamaan:

A = =B ∙ D= 2EFD_{∙ 60 [1] … … … . . (2.26)} dimana: λ = tip speed ratio

w = kecepatan sudut rotor turbin (rad/s)

n = putaran rotor (rpm)

r = jari-jari rotor (m)

vo = Kecepatan angin (m/s)

Efisiensi dimana sebuah rotor dapat mengekstrak daya dari angin

bergantung pada kesamaan dinamik antara rotor dan aliran angin. Karenanya,

penampilan dari suatu rotor angin adalah biasanya dikarakterisasi oleh

variasi-variasi dalam koefisien dayanya dengan tip speed ratio. Hubungan antara CP - λ

bisa disimpulkan untuk suatu desain rotor yang khas, itu dapat lebih lanjut

diterjemahkan pada kurva daya kecepatan dari rotor untuk penerapan praktis. Kurva CP – λ tertentu untuk rotor yang berbeda ditunjukakn pada grafik

2.2. Secara umum, awalnya koefisien daya turbin bertambah dengan tip speed

ratio yang mencapai puncak pada λ tertentu dan selanjutnya berkurang dengan

peningkatan dalam rasio kecepatan puncak. Variasi dalam Cp dengan λ tergantung

pada beberapa ciri disain rotor. Rotor dengan multibilah Amerika menunjukkan

koefisien daya yang paling rendah dan bekerja pada rasio kecepatan rendah

dengan angin. Nilai tertentu untuk koefisien daya puncaknya adalah 14% pada

rasio kecepatan puncak 0.8. Namun, hal tersebut memiliki soliditas yang tinggi

sehingga getaran awal yang tinggi membuatnya menjadi menarik untuk memompa

air. Turbin dengan baling-baling dua dan tiga bilah serta desain Darrieus bekerja

pada tip speed ratio yang lebih tinggi dan menunjukkan efisiensi yang lebih baik.

Gambar.2.14 Grafik Tip speed ratio dan Cp pada berbagai jenis turbin angin [3]

Rotor Savonius dengan soliditas yang tinggi bekerja pada rasio kecepatan

puncak yang lebih rendah. Walaupun secara teoritis diperlihatkan bahwa efisiensi

puncak rotor tersebut tidak dapat melewati batas 20%, namun Savonius

dilaporkan memiliki efisiensi puncak 31% dalam test wind tunnel dan 37% di

udara bebas. Efisiensi mulai dari 25-35% dilaporkan dalam beberapa penelitian

tentang rotor. Nilai ini cukup impresif karena rotor lebih mudah dibuat dan biaya

yang lebih murah.

Albert Betz, ahli Fisika Jerman pada tahun 1962 sudah menentukan

batasan untuk koefisien daya maksimum untuk gulungan rotor yang ideal. Dia

menggunakan teori aksial momentum dalam bentuknya yang paling sederhana

untuk analisanya dan menyatakan bahwa koefisien daya teoritis maksimum dari

turbin angin, terutama di operasikan oleh gaya angkat yakni 16/27 (59.3 %). Pada

sisi lain, koefisien daya yang diharapkan dari hambatan mesin tersebut adalah

(darg) untuk konversi energi angin. Perlu dicatat bahwa hal ini merupakan nilai

teoritis dan beberapa turbin hambat seperti rotor Savonius yang menunjukkan

efisiensi yang tinggi dalam evaluasi lapangan.

2.8. PROFIL GESERAN ANGIN (Wind Shear Profile)

Angin seperti fluida yang lain pada umumnya mempunyai profil geseran

atau profil kecepatan ketika mengalir melewati benda padat, misalnya permukaan

bumi. Wind shear adalah perubahan arah atau kecepatan angin saat melalui jarak

tertentu. Ada dua jenis profil geseran angin yang biasa digunakan untuk

menghitung energi, yaitu profil geseran angin eksponensial (exponential wind

shear profile) dan profil geseran angin kekasaran permukaan (surface roughness

wind shear stress).

Gambar.2.15 Grafik wind speed profile for various locations [1]

Metode umum yang memperkirakan kecepatan angin untuk ketinggian

yang lebih tinggi dengan mengetahui kecepatan angin pada ketinggian yang lebih

rendah disebut power law: jika ketinggian suatu tempat H maka kecepatan angin

G= H._II H/

J

( ⁄ ) [1] … … … . . (2.27) Dimana: vo = kecepatan angin pada ketinggian tertentu

Ho = ketinggian pada kecepatan angin vo; H = ketinggian

α = tergantung lokasi dan dapat dilihat pada tabel 2.1

Tabel 2.2 Roughness classes[1]

2.9 POMPA

Pompa adalah peralatan mekanis yang berfungsi untuk memindahkan

fluida dari suatu tempat ketempat yang lain atau dari tekanan rendah ke tekanan

tinggi . Selain dapat memindahkan fluida, pompa juga berfungsi meningkatkan

kecepatan, tekanan atau ketingian fluida.

2.9.1 Klasifikasi Pompa

Ditinjau dari segi yang menimbulkan perubahan energi fluida pada

pompa, maka pompa dibagi atas beberapa jenis, yaitu:

1. Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump)

Pada pompa jenis ini, proses pengubahan bentuk energi mekanik menjadi

energi hidrolik pada fluida kerja dengan perantaraan tekanan statis dari fluida

a. Pompa Torak (Reciprocating pump)

Bagian utama dari pompa ini adalah torak yang bergerak bolak-balik di

dalam rumah silinder atau rumah pompa yang bertujuan untuk mengalirkan fluida

secara kontinu dan untuk pengaturan aliran fluida pada pompa jenis ini dilakukan

dengan cara melalui pada katup-katup pada pompa tersebut.

b. Pompa Putar ( Rotary Pump)

Untuk jenis pompa putar, bagian utamanya adalah rotor yang berputar

didalam rumahnya. Dimana fluida kerja di isap melalui sisi isap kemudian

dikurung didalam ruangan antara rotor dengan rumah, dan selanjutnya didorong

ke sisi tekan dengan gerakan putar dari rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan

fluida akan keluar dari sisi tekan. Menurut Nursuhud (2006) klasifikasi dari

Gambar 2.13 Skema klasifikasi pompa tekanan statis [7]

2. Pompa Tekanan Dinamis (Dynamic Pressure Pump)

Pompa tekanan dinamis disebut juga dengan rotor dynamic pump atau

disebut juga dengan turbo pump. Pompa tekanan dinamis terdiri dari poros,

sudu-sudu, impeller, rumah volute dan nozel keluar. Energi mekanis dari luar diberikan

kepada poros pompa untuk memutar impeller, maka fluida yang ada di impeller

Reciprocating Double Acting Single Acting Double Acting Simplex Duplex Triplex Multiplex Simplex Duplex Simplex Duplex Fluid operate Mechanically operate Steam Piston Plunger Power Diaphragma Rotary Vane Piston Flexible member Srew Peristaltic Milti rotor Single motor Gear Lobe Circumferential piston Screw Pump Dynamic Displacement

oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar keluar melalui pipa tekan akibat adanya

gaya sentrifugal.

Dari uraian ini jelas pompa tekanan dinamis dapat mengubah energi

mekanis dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Menurut Nursuhud

(2006) klasifikasi dari pompa tekanan dinamis dapat dilihat pada gambar 2.14

Diagram 2.14 Skema klasifikasi pompa tekanan dinamis [7]

Pump Displacement Dynamic Close impeller Open Impeller Fixed Pitch Variable Picth Centrifugal Single sucstion Double Action Self priming Non priming Single stage Multi stage Single stage Multi stage Axial flow Mixed flow Radial flow Peripheral Singe stage Multi stage Self priming Non Priming Open impeller Semi ilpeller Close impeller Special effect

Jet (educator ) Gas Life Hidraulic ram Electroni magnetic

Salah satu aplikasi dari energi angin adalah pemompaan air. Kebanyakan

pompa angin masih digunakan di daerah Amerika dan Australia, menyediakan

kebutuhan air untuk keperluan ternak dan pertanian. Ruang lingkup yang besar

untuk mesin-mesin seperti ini banyak digunakan di berbagai belahan dunia.

Pompa tenaga angin secara luas dapat digolongkan dengan 2 sistem yaitu system

mekanik dan system elektrik.

Pada pompa dengan system mekanik, daya poros yang dikasilkan oleh

rotor secara langsung digunakan untuk menggerakkan pompa. Sebaliknya, pada

pompa system elektrik, daya angin yang pertama kali dikonversikan menjadi

elektrik dan kemudian memberikan daya untuk pompa. Pompa tenaga angin

secara mekanik dapat lebih lanjut digolongkan sebagai positive displacement dan

roto-dynamic pump. Berbagai jenis pompa seperti screw pump, piston pump,

centrifugal pump, dan compressor pump merupakan bagian dari pompa tenaga

angin secara mekanik.

Dari bayak jenis pompa yang ada dan setelah dilakukan analisa dari

berbagai literatur, jenis pompa yang cocok digunakan untuk pengujian ini adalah

pompa piston. Pompa piston (piston Pump) kontruksinya mudah di buat dan tidak

memerlukan putaran yang tinggi.

2.10 Pompa Piston Tenaga Angin

Pompa piston banyak digunakan pada pompa tenaga angin komersil lainnya. Fitur

konstruksi sistem tersebut ditunjukkan pada Gbr. 2.15. Sistem ini terdiri dari

sebuah rotor turbin angin, batang penghubung, engkol yang menghubungkan

diteruskan ke gerakan reciprocating dari batang penghubung dengan engkol.

Batang penghubung piston mengoperasikan pompa atas dan ke bawah melalui

silinder selama stroke nya. Katup cek dua, baik ke atas pembukaan, dipasang pada

piston dan bagian bawah pompa. Katup ini memungkinkan aliran hanya dalam

arah ke atas. Ketika batang penghubung mendorong piston ke arah atas, katup

piston ditutup dan dengan demikian kolom air di atas piston dinaikkan, sampai

dikirim keluar melalui saluran pembuangan. Pada saat yang sama, hisap dibuat di

bawah piston, yang menyebabkan katup isap membuka dan dengan demikian air

segar dari sumur masuk ke dalam ruang di bawah ini. Selama stroke ke bawah,

katup piston dibuka dan katup isap ditutup. Air dikumpulkan di bawah piston

dengan demikian masuk ke dalam ruang di atas, melalui katup piston. Siklus ini

diulang sehingga debit air berdenyut sinusoidal dari sistem.

Gambar 2.18 Pompa piston tenaga angin [5]

Volume air yang keluar selama proses tergantung terhadap diameter silinder

dan s adalah panjang langkah, maka secara teoritis volume air yang di pompakan

melalui saluran discharge adalah:

* =E_{4 1 K1000 (LMNOD)[5] … … … …… … . (2.28)}

Dari gambar, dapat dilihat bahwa:

= 2D … … … …… … … . . … … … (2.29) dimana: Vt = volume teoritis (l)

D = diameter silinder (m)

s = jarak langkah piston (m)

Debit yang dihasilkan dari katup discharge dapat dihitung dengan:

P = QR *F (L OFMN)[5] … ….⁄ … … … . … … … (2.30)

dimana ηv adalah efesiensi volumetrik dan n adalah putaran turbin (rpm).

Biasanya efesiensi volumetrik pompa piston lebih tinggi dari 90%. Menurut

Nursuhud (2006) kebutuhan daya pompa (Ph) yang dibutuhkan untuk debit Q

dapat dihitung dengan rumus:

S =_Q Pℎ*

U× 1000 ( ) [5] … … … (2.31)

dimana Ph = daya yang dibutuhkan pompa (kWatt)

Q = kapasitas pompa/debit ( m3/s)

ρ = massa jenis air (kg/m3)

g = gaya gravitasi (m/s2)

ηp = efesiensi pompa

2.11 HEAD TOTAL POMPA

Head total merupakan energi persatuan berat yang harus disediakan oleh

pompa untuk mengtasi energi tekan, kecepatan, perbedaan ketinggian, kerugian

gesek, dan kerugian-kerugian pada perlengkapan seperti katup (valve), belokan

(elbow), perubahan penampang dan lain-lain.

Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan jumlah air

seperti di rencanakan, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani

oleh pompa. seperti diperlihatkan dalam gambar

Gambar 2.19 Head Pompa [8]

Menurut sularso (2004) head total pompa dapat ditulis sebagai berikut:

I = ℎ6+ ΔℎU+ ℎX+_{2 [8] … … … …… … . (2.32)}6

Dimana : H : Head total pompa (m)

ha : Head statis total (m)

hp : Perbadaan head tekanan pada kedua permukaan air (m)

v2/2g : Head kecepatan keluar (m)

g : Percepatan gravitasi ( = 9.8 m/s2)

Head statis total (ha) adalah perbedaan tinggi antara muka air disisi keluar

dan sisi isap ; tanda positif (+) dipakai apabila permukaan air pada sisi keluar

lebih tinggi daripada sisi isap. Adapun hubungan antara tekanan dan head tekan

dapat diperoleh dari rumus:

ℎU = 10 × _{Y [8] … … …… … … . … …… … . (2.33)}6

apabila tekanan diberikan dalam kPa dapat dipakai rumus berikut:

ℎU =_{9.8 . … … … …… … … . … …… … . (2.34)}1

Dimana: hp = head tekan (m)

Pa = tekanan permukaan air (Pa)

ρ = Rapat massa (kg/l)

γ = Berat jenis air yang di pompa (kgf/l)

Head losses (hl) yaitu head untuk mengatasi kerugian-kerugian yang terdiri

atas head losses di dalam pipa-pipa, dan head losses di dalam belokan-belokan,

katub-katub, dsb.

a. Head losses dalam pipa (kerugian mayor)

Untuk menghitung kerugian gesek di dalam pipa dapat dipakai rumus berikut ini:

ℎZ = A[_{82 [8] … … … …… … … . … …… … . (2.35)}\ 6

Dimana: va = Kecapatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)

hf = Head losses dalam pipa (m)

g = Perceptan gravitasi (9,8 m/s2)

L = Panjang pipa (m)

d = Diameter dalam pipa (m)

Selanjutnya, untuk aliran yang laminer dan yang turbulen, terdapat rumus

yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminer atau turbulen,

dipakai bilangan reynold:

]^ = 6_{_ [8] … … …… . . … …… … … . … …… … . (2.36)}8

]^ = _{_ [8] … … …… . . … …… … … . … …… … . (2.37)}68

Dimana: Re = bilangan reynold (tak berdimensi)

v = kecepatan rata-rata aliran di dala pipa (m/s)

d = diameter dalam pipa (m)

υ = visikositas kinematik zat cair (m2/s)

µ = viskositas absolut (kgf/m2)

Faktor gesekan tergantung dari bilangan renoldnya. Jika alira dalam pipa

tersebut laminar maka harga faktor gesekan (f ) dapat dicari dengan rumus:

` =_{]O [8] … … …… . . … …… … … . … …… … . (2.38)}64 Untuk aliran laminar, Re mempunyai harga maksimum sebesar 2000. Bila

bilangan reynold (Re) >2300 aliran dalam pipa adalah turbulen, maka faktor

gesekan f di dapat dari diagram moody. Head losses dalam jalur (kerugian minor).

2. Head losses pada perlengkapan pipa (kerugian minor)

Head losses pada perlengkapan pipa adalah kehilagan tekanan akibat

v1 v2

v1 v2

D1

D2

D2

D1

penampang yang tidak konstan. Kerugian head di tempat ini dapat dinyatakan

secara umum dengan rumus:

ℎZ = F × `_{2 [8] … …… . . … …… … … . … …… … . (2.39)}6

Dimana: f = koefisien kerugian

g = Percepatan grafitasi

hf = Kerugian head (m)

n = jumlah perlengkapan pipa

Untuk koefisien kerugian pembesaran penampang pipa secara mendadak,

kerugian head dapat dihitung dengan rumus:

ℎZ = `( )₂ [8] … . . … …… … … . … …… … . (2.40)

Dimana f≈ 1

Gambar 2.20 Koefisien kerugian pada pembesaran mendadak [8]

dan kerugian head untuk pengecilan pipa secara mendadak dapat dinyatakan

dengan rumus:

ℎZ = ` 2 [8]……..……….………….(2.41)

Tabel 2.3 Koefisien kerugian pada pengecilan mendadak [8]

(D2/D1) 2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Untuk mendapat hasil penelitian yang akurat dan presisi, penelitian

tentunya harus memenuhi metode penelitian dan metode pelaksanaan yang terarah

dan terintergrasi serta pelaksanaanya dilakukan dari step awal ke spep berikutnya

yang saling mendukung dan relevan dengan maksud dan tujuan penelitian.

Metode penelitian yang penulis lakukan yaitu Metode Penelitian Eksperimen.

Penelitian eksperimen dapat didefinisikan sebagai metode sistematis guna

membangun hubungan yang mengandung fenomena sebab akibat, yaitu pengaruh

kecepatan angin terhadap daya dan putaran turbin serta debit air yang di hasilkan

dengan tinggi pemonpaan yang berbeda. Sebelum melakukan penelitian, penulis

terlebih dahulu melakukan perancangan kemudian membangun objek penelitian.

3.2 STUDI LITERATUR

Sebelum pemilihan jenis turbin dan pompa yang akan dirancang, terlebih

dahulu penulis melakukan studi literatur dan studi pustaka. Studi literatur yang

penulis lakukan yaitu mencari referensi teori yang relevan dengan penelitian atau

permasalahan yang akan di bahas sehingga tujuan dari penelitian ini tercapai.

Adapun referensi yang di cari berisikan tentang:

1. Turbin angin secara umum

2. Pompa secara umum

3. Turbin angin jenis vertikal axis savonius

4. Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump) khususnya pompa

piston

Referensi ini dapat dicari dari buku, jurnal, artikel dan situs-situs internet.

khusus untuk data kondisi cuaca dan kecepatan angin, diperoleh dari Badan

Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Medan Sumatera Utara. Output

dari studi litaratur ini yaitu terkoleksinya referensi yang relevan terhadap kasus

atau permasalahan yang ditemukan. Tujuan dilakukannya studi literatur ini yaitu

untuk memperoleh dasar teori yang kuat dan relefan terhadap permasalahan serta

memberikan gambaran pengujian yang akan dilakukan. Dengan berpedoman

pada beberapa literatur dan data kondisi cuaca dan kecepatan angin daerah

Sumatera Utara maka penulis memilih tubin jenis vertikal axis savonius dan

pompa piston. Alasan penulis memilih jenis turbin dan pompa ini yaitu:

- Turbin angin vertikal axis savonius dapat memanfaatkan potensi kecepatan

angin dari segala arah dan dapat menghasilkan momen daya yang besar.

Hanya saja turbin ini tidak mampu menghasilkan putaran yang tinggi.

- Pompa piston dapat beroprasi pada putaran rendah dan mudah di buat

3.3 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN

Berdasarkan studi literatur dan teori yang mendukung pada tinjauan

pustaka, turbin yang akan dirancang adalah turbin angin jenis vertikal axis

savonius dan pompa piston dengan rincian:

3.1.1 Turbin

Spesifikasi elemen yang digunakan pada Turbin Angin Savonius adalah

a. Sudu Turbin

Sudu merupakan bagian dari rotor turbin yang mengekstrak sebahagian

dari total energi angin yang melalui area sapuan rotor. Adapun rancangan desain

sudu turbin dapat dilihat pada lampiran dengan spesifikasi sebagai berikut:

Tabel 3.1 Spesifikasi sudu turbin

No Spesifikasi Keterangan

1 Tipe sudu Lengkung + sisi lurus

2 Bahan Aluminium

3 Tinggi 900 mm

4 Lebar 500 mm

5 Tebal 0,2 mm

6 Kelengkungan/ radius R200 mm/ 1100

7 Sisi lurus 170 mm

8 Junlah sudu 3

Rangka sudu Plat strip 2x20 mm

b. Rotor Turbin

Rotor merupakan elemen utama turbin angin karena pada rotor inilah

sudu turbin diasembly. Karena pada rotor ini terdapat sudu turbin maka rotor

dibuat dengan konstruksi yang kuat sehingga pada saat angin kencang bagian

rotor tidak mengalami kegagalan terutama dalam hal memanfaatkan energi aliran

yang melaluinya. Adapun rancangan rotor turbin dapat dilihat dalam lampiran

Tabel 3.2 Spesifikasi rotor turbin

No Spesifikasi Keterangan

1 Tipe rotor Sumbu vertical

2 Diameter rotor 1000 mm

3 Tinggi 900 mm

4 Lengan Besi siku 20x20mm

5 Diameter/ panjang/ bahan poros 20 mm/ 1400 mm/ st37

6 Diameter/ tebal/ bahan hub 75 mm/ 5 mm/ st37

c. Bantalan (bearing)

Bantalan berfungsi untuk menumpu beban poros. Sehingga gerakan

bolak balik atau putaran poros tersebut dapat berlangsung secara halus, aman dan

mengurangi gesekan sehinga dapat bertahan lama. Bantalan harus cukup kokoh

untuk memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik. Jika

bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh sistem akan menurun

atau tak dapat bekerja secara semestinya.

Tabel 3.3 Spesifikasi bantalan turbin

Jenis Spesifikasi Keterangan

Radial Tipe Ball bearing

Bahan Baja karbon

Nomor 6204

Aksial Tipe Ball bearing

Bahan Baja karbon

3.1.2 Pompa

Pompa yang digunakan pada penelitian ini adalah pompa piston, karna

keterbatasan dana maka penulis penulis merancang sendiri dengan spesifikasi:

Tabel 3.4 Spesifikasi rotor turbin

No Spesifikasi Keterangan

Tipe Pompa piston

1 Bahan silinder Stainles steel

2 Diameter silinder 30 mm

3 Panjang langkah 80 mm

4 Katup hisap Check valve ½ inch

5 Katub buang Check valve ¾ inch

6 Bahan seal pompa Kulit

3.1.3 Sistem perpipaan

Untuk mengalirkan suatu fluida dari suatu tempat ketempat lain dengan

menggunakan pompa diperlukan sistem perpipaan agar fluida yang di alirkan

dapat di arahkan sesuai dengan yang di inginkan dalam pengujian. Diagram alir

perpipaan dapat dilihat pada lampiran.

Tabel 3.5 Spesifikasi sispem perpipaan

No Spesifikasi Keterangan

1 Ukuran/ bahan pipa ½ inch/ PVC

2 Ukuran/bahan elbow ½ inch/ PVC

3.4 WAKTU DAN TEMPAT PENGUJIAN

Proses produksi elemen-eleme turbin savonius dilakukan dengan cara

manual (handmade). Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai,

pengujian turbin angin dapat dilakukan. Semua proses penelitian dilakukan di

Laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara.

3.5ALAT DAN BAHAN 3.5.1 alat

Adapun Alat-alat yang digunakan dalam pengujian ini terdiri dari:

objek penelitian yaitu:

a. prototype turbin angin savonius sebagai obek penelitian yang telah di

rancang seperti pada gambar 3.1.

b. Pompa berfungsi untuk memanfaatkan (mengkonversikan) energi yang

diserap rotor turbin untuk mengalirkan fluida melalui sistem perpipaan

yang telah di buat.

Gambar 3.3 Prototype pompa piston yang digunakan

c. Digital Thermo Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran

udara sebelum dan sesudah melewati turbin serta mengukur temperatur

sekitar.

Gambar 3.4 Digital Thermo Anemometer

Dimensi : 163 x 45 x 34 mm

Ukuran tampilan : 26.7 x 25.4 mm

Diameter kipas : 27.2mm

Berat : 257 gr

Tabel 3.6 Spesifikasi Digital Thermo Anemometer

spesifikasi Range Resolution

m/s 1 – 30 0.01

ft/menit 196 – 5900 1

km/h 3.6 – 108 0.1

MPH 2.2 – 67.0 0.1

Knot 1.9 – 58 0.1

d. Digital Tachometer berfungsi untuk mengukur putaran rotor turbin angin.

Gambar 3.5 Digital Tachometer

Pabrikan : Krisbow

Dimensi : 210 x 74 x 32 mm

Type : Display 5 digital 18 mm (0.7” LCD)

Accuracy : ± (0.05% + 1 digital)

Sampling time : 0.8 sec (over 60 rpm)

Rang select : Auto range

Time base : Quartz crystal

Detecting distance : 50 mm – 500 mm (photo)

Power : 4 x 1.5 VAA size battery or 6V direct

current stable voltage power

Power cunsuntion : approx 65 Ma

e. Fan berfungsi untuk menghasilkan aliran udara buatan untuk

menggerakkan rotor turbin angin.

Pabrikan :

Diameter : 62

Power :550 W

Voltage : 220 V

Cycle : 50 Hz

RPM : 960

f. Stopwatch berfungsi untuk menghitung lamaya waktu untuk satu kali

pengujian pada satu kondisi.

g. Gelas ukur berfungsi untuk mengukur debit air yang dipompakan untuk

satu kali pengujian.

Gambar 3.7 Gelas ukur

h. Bak dan ember berfungsi untuk tempat menampung air sebelum dan

sesudah dipompakan.

3.4.2 Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai

berikut:

a. Air sebagai fluida yang akan di pompakan

b. Baut dan mur untuk mengikat sudu rotor turbin, karna sudu rotor turbin

3.6SKEMA PENGUJIAN

Pengujian dilakukan dengan mengunakan angin buatan yang dihasilkan

sebuah kipas (fan). Kecepatan yang dihasilkan fan diukur dengan menggunakan

anemometer kemudian disesuai dengan kecepatan angin yang diinginkan dengan

cara mengubah jarak fan dengan objek penelitian yaitu prototype turbin angin.

Variasi angin yang diinginkan yaitu dalam 6, 7, dan 8 m/s.

Gambar.3.8 Skema Pengujian

3.7 PELAKSANAAN PENELITIAN 3.5.1 Tahap Persiapan

Pada tahap ini, penulis melakukan persiapan sebelum melakukan

penelitian. Adapun persiapan yang dilakukan yaitu:

1. Memasang rotor turbin dengan 3 sudu sudu lengkung dan mengatur tinggi

2. Melakukan inspeksi pada setiap objek penelitian, alat pengujian dan jalur

perpipaan apakah dalam keadaan baik 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.

3.5.2 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 siap uji yang ditempakan pada titik angin yang

telah ditentukan sebelumnya.

2. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan yang telah

ditentukan sesuai kecepatan angin yang ditentukan.

3. 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 dengan tiga variasi kecepatan

angin yaitu 6; 7; 8 m/s. Adapun data yang diambil meliputi putaran poros rotor

dilakukan semua alat di-off-kan untuk menghindari hal-hal tidak diinginkan,

seperti motor listrik terbakar karena terlalu panas.

4. Kemudian pada kondisi turbin yang sama poin 1 dan 2 diulang, pengujian

dilakukan dengan beban tinggi pemompaan 2 meter dengan variasi kecepatan

angin 6; 7; dan 8 m/s. Adapun data yang diambil meliputi debit air yang

dihasilkan pompa, putaran poros rotor turbin dan kecepatan udara setelah

melewati turbin.

5. Dengan cara yang sama pada poin satu dan 2, pengujian untuk selanjutnya

dengan beban tinggi pemompaan 5 meter dengan variasi kecepatan angin 6: 7;

dan 8 m/s.

Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan

kesimpulan sementara, pada saat keadaan bagaimanakah kecepatan angin, jumlah

sudu yang lebih efektif dalam memanfaatkan potensi angin yang ada. Pengujian

dilakukan dalam ruang untuk mencegah pengaruh udara luar sehingga hasil yang

BAB IV

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 DATA HASIL PENGUJIAN

Penelitian ini dilakukan dengan cara eksperimen. Setelah dilakukan pengujian sesuai tahap-tahap yang telah ditentukan, diperoleh data-data hasil pengujian dibawah ini:

4.1.1 Pengujian turbin angin tiga sudu tanpa beban (normal)

Setelah dilakukan pengujian pada turbin savonius dengan tiga sudu tanpa diberi pembebanan pada rotor turbin diperoleh seperti di bawah ini:

Tabel 4.1 Data hasil pengujian turbin angin tiga sudu tanpa beban (normal) V1

(m/s)

Putaran turbin/ n (rpm) n(avg) (rpm)

V2(avg) (m/s)

I II III

6.0 62.75 63.25 61.97 62.66 2.39

7.0 65.42 65.82 65.21 65.48 2.79

8.0 67.89 69.05 69.25 68.73 3.21

Dari tabel diatas putaran rotor turbin berbanding lurus dengan kecepatan angin. Putaran terbesar pada rotor turbin tiga sudu dengan pengujian tanpa beban adalah 68.7 rpm pada kecepatan angin 8.0 m/s

4.1.2 Pengujian turbin angin tiga sudu dengan tinggi pemompaan 2 meter

Setelah dilakukan pengujian pada turbin savonius tiga sudu, dimana pada rotor turbin dibebani pompa yang menaikkan air setinggi 2 meter dan diperoleh data seperti di bawah ini:

PERINCIAN BIAYA

JENIS BIAYA JUMLAH HARGA

SATUAN

HARGA TOTAL I. Biaya pembuatan alat

Besi siku 40 7 Rp. 40.000 Rp. 280.000

Besi siku 20 7 Rp. 25.000 Rp. 175.000

Bearing aksial 1 Rp. 20.000 Rp. 20.000

Bearing radial 2 Rp. 35.000 Rp. 70.000

Besi poros (20x1400mm) 1 Rp. 90.000 Rp. 90.000

Hub Poros (50x 120mm) 1 Rp. 125.000 Rp. 125.000

Baut - Rp. 30.000 Rp. 30.000

Kawat las 1 kotak Rp. 125.000 Rp. 125.000

Plat aluminium 3 lembar Rp. 100.000 Rp. 300.000

Ball joint 1 Rp. 40.000 Rp . 40.000

Check valve (sunction, discharge) 2 Rp. 145.000 Rp. 145.000

Plat strip 4 Rp. 20.000 Rp. 80.000

Subtotal biaya pembuatan alat Rp. 1.480.000

II. Biaya pembuatan instalasi pompa

Tube pompa 1 Rp. 40.000 Rp. 40.000

Pipa ½ inchi 6 meter Rp. 15.000 Rp. 90.000

Elbow ½ inchi 8 Rp. 3.000 Rp. 24.000

T – Joint 1 inchi 1 Rp. 10.000 Rp. 10.000

Subtotal biaya pembuatan instalasi pompa Rp. 164.000

III. Biaya Upah kerja

Upah pembubutan Rp. 850.000

Upah pengelasan Rp. 400.000

Subtotal Upah Kerja Rp. 1.250.000

IV. Biaya sewa

Sewa alat ( Kipas Angin ) Rp. 250.000

Sewa Tempat (Lab Motor Bakar) Rp. 300.000

Subtotal biaya sewa Rp. 550.000

V. Pembelian Alat Ukur

Anemometer ( Krisbow ) 1 Rp. 850.000

Subtotal pembelian alat ukur Rp. 850.000

DAFTAR SIMBOL

Keterangan Simbol Satuan

Kecepatan angin V1 m/s

Kecepatan angin belakang turbin V2 m/s

Putaran Turbin N rpm

Lebar rotor l m

Tinggi Rotor h m

Luas Spauan Rotor A m^2

Massa Jenis Udara

ρ

kg/m^3

Massa Jenis Air

ρa

kg/m^3

Head Statis H m

Debit Aliran Q l/menit

Langkah Stroke s m

Diameter Pompa Dp m

Debit teoritis Qt l/menit

Efisiensi Pompa ηp %

Efisiensi Total ηt %

Daya Angin Po W

Daya Turbin Pt W

Daya Pompa Ph W

Tip Speed Ratio λ

Koefisien Daya Cp

V1

Head statik Putaran Turbin (N) Debit air (Q) Kecepatan angin keluar (v2)

(m/s) (rpm) (Liter/m) (m/s)

(m) I II III Rata2 I II III Rata2 I II II Rata2 6.0

Tanpa Beban

62.75 63.25 61.97 62.66 - - - - 2.41 2.24 2.53 2.39 7.0 65.42 65.82 65.21 65.48 - - - - 2.80 2.72 2.84 2.79 8.0 67.89 69.05 69.25 68.73 - - - - 3.24 3.18 3.22 3.21 6.0 2 38.14 39.67 40.84 39.55 2.02 2.08 2.12 2.07 2.17 2.14 2.13 2.15 7.0 2 45.13 43.97 44.53 44.54 2.51 2.38 2.45 2.45 2.33 2.38 2.28 2.33 8.0 2 47.98 48.76 49.64 48.79 2.86 2.87 2.90 2.88 2.41 2.45 2.43 2.43 6.0 5 30.08 28.84 31.54 30.15 1.56 1.45 1.60 1.54 1.73 1.80 1.70 1.74 7.0 5 32.81 33.01 32.72 32.85 1.78 1.83 1.80 1.80 2.46 2.34 2.43 2.41 8.0 5 35.46 37.67 36.16 36.43 2.03 2.15 2.06 2.08 2.66 2.61 2.63 2.63

ρ

1.1666 kg/m^3

ρ

a

1000 kg/m^3

l

1 m

h

0,9 m

s 0.08 m

Dp 0.035 m

A 0.9 m^2

INPUT OUTPUT

Daya angin Daya turbin Debit teori Eff pompa Daya Pompa Eff Total

Cp Tip speed ratio

Po Pt Qt ηp Ph ηt

Watt Watt Liter/menit % % %

113.393520 66.692875 _{‒ ‒ ‒ ‒} 0.5882 0.54678

180.064710 105.925349 _{‒ ‒ ‒ ‒} 0.5883 0.48981

268.784640 157.981830 _{‒ ‒ ‒ ‒} 0.5878 0.44984

113.393520 67.127576 3.04412 68.07 0.99441 0.876958 0.5920 0.34514 180.064710 106.704973 3.42846 71.36 1.11996 0.621978 0.5926 0.33318 268.784640 159.048033 3.75558 76.60 1.22682 0.456433 0.5917 0.31935 113.393520 66.993095 2.32087 66.21 1.89538 1.671506 0.5908 0.26314 180.064710 106.683295 2.52818 71.33 2.06468 1.146630 0.5925 0.24569 268.784640 159.275130 2.80398 74.18 2.28992 0.851953 0.5926 0.23843

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00

50 70 90 110 130 150 170

Pu ta ra n T u rb in ( rp m )

Daya turbin (W)

Daya turbin Vs Putaran Turbin

tanpa beban beban 2 meter Beban 5 meter

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

K a p a si ta s a li ra n ( li te r/ m e n it )

Kecepatan angin (m/s)

Kecepatan angin Vs Kapasitas aliran

Beban 2 meter Beban 5 meter

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

Pu ta ra m T u tb in ( rp m )

Kecepatan angin (m/s)

Kecepatan Angin Vs Putaran Turbin

tanpa beban Beban 2 meter Beban 5 meter

0.000 0.250 0.500 0.750 1.000 1.250 1.500 1.750 2.000

5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

E fe si e n si s is te m ( η )

Kecepatan angin (m/s)

Kecepatan angin Vs Efesiensi Sistem

Beban 2 meter

Beban 5 meter

Poly. (Beban 2 meter) Poly. (Beban 5 meter)

0.550 0.555 0.560 0.565 0.570 0.575 0.580 0.585 0.590 0.595 0.600 0.605 0.610

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60

K

o

ef

is

ie

n

D

a

y

a

(

C

p

)

Tip Speed Ratio (λ)

Tipe speed-ratio Vs Koefisien daya

Tanpa Beban Beban 2 meter Beban 5 meter Poly. (3 sudu)