Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu Naca 0012 Dan Analisa Perbandingan Efisiensi Menggunakan Variasi Jumlah Sudu Dan Sudut Pitch

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA

PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

EKAWIRA K NAPITUPULU NIM. 080401061

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H.

Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam

mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 60

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

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

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

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

3. Bapak Ir. Tekad Sitepu dan Tulus B Sitorus ST, MT selaku dosen penguji yang memberikan masukan kepada penulis.

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

5. Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian.

6. Kedua orang tua penulis, J. Napitupulu dan R. br Purba yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

7. Rekan-rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Libert Sijabat yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Mungkin masih ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini. Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, 6 September 2013

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ...i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 1

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Energi Angin ………... 4

2.1.1 Kondisi angin….. ... 4

2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan…... 5

2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah…... 6

2.2 Potensi Angin di Indonesia…... 6

2.3 Turbin Angin ... 8

2.3.1 Jenis-jenis turbin angin... 9

2.3.2 Teori elemen momentum Betz... 10

2.4 Turbin Angin Darrieus... 14

2.4.1 Airfoil………... 14

2.4.2 Turbin angin Darrieus-H... 16

2.4.3 Sudut serang dan sudut pitch... 18

2.5.1 Generator…..……... 22

2.5.2 Sistem penyimpanan energi listrik... 23

BAB III METODE PENELITIAN ... 25

3.1Tempat Penelitian ... 25

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ... 25

3.2.1 Objek penelitian……... 25

3.2.2 Alat penelitian……... 29

3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 33

3.3.1 Tahap persiapan ... 33

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ... 33

3.4 Diagram Alir Penelitian ... 35

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ... 36

4.1Hasil Pengujian ... 36

4.1.1 Pengukuaran kecepatan angin………... 36

4.1.2 Data pengujian tanpa beban………... 37

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt ………... 38

4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt …………... 38

4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt …………... 38

4.2 Analisis Data ... 39

4.2.1 Perhitungan daya Aangin ... 39

4.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 39

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ... 40

4.3 Perbandingan turbin angin Savonius dengan Darrieus-H... 49

4.4 Mengapa prototipe turbin Darrieus-H ini kurang efisien?... 50

4.5 Usaha dan tantangan untuk meningkatkan efisiensi turbin angin Darrieus-H... 51

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 53

5.1 Kesimpulan ... 53

5.2 Saran……... 53

DAFTAR PUSTAKA... 55

LAMPIRAN L1. Ketidakpastian dan data hasil pengujian... 57

L2. Skema pengujian ………... 72

L3. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 73

L4. Data kecepatan angin di Indonesia…... 74

L5. Data kecepatan angin Sumut tahun 2011... 75

L6. Koordinat airfoil NACA 0012…. ... 76

L7. Nilai ekonomis berbagai sumber daya... 77

L8. Taksasi biaya………... 78

DAFTAR SIMBOL

AoA angle of attack, (0)

TSR tip speed ratio

VAWT vertical axis wind turbine HAWT horizontal axis wind turbine

NACA National Advisory Committee for Aeronautics rpm revolution per minute

a interference factor

A luas sapuan rotor, m2

c panjang chord sudu, m

C kecepatan absolut elemen sudu

CD koefisien drag CL koefisien lift

Cp koefisien daya

Cp,max koefisien daya maksimum

d diameter turbin, m

D gaya drag, N

F gaya, N

Fmax gaya maksimum, N

Ek energi kinetik angin, J

H tinggi turbin, m

I kuat arus, A

L gaya lift, N

m massa, kg

aliran massa, kg/s putaran, 1/s

n koefisien kekasaran permukaan tanah

N jumlah sudu daya angin, J/s

Pa daya angin, J/s daya turbin, J/s

radius turbin, m

Re bilangan Reynold waktu, s

V∞ kecepatan angin, m/s

V’ kecepatan angin tepat pada turbin, m/s tegangan, Volt

tegangan rata – rata, Volt

U’ kecepatan tangensial elemen sudu, m/s

Z ketinggian, m

kecepatan sudut rotor, rad/s kerapatan angin, kg/m3

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

tip speed ratio

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia………... 7

Gambar 2.2 Pengelompokan turbin angin... 9

Gambar 2.3 Pemodelan aliran Betz………... 10

Gambar 2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan... 13

Gambar 2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz…... 13

Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu………... 14

Gambar 2.7 Nomenklatur airfoil………. ... 15

Gambar 2.8 Contoh airfoil……… ... 16

Gambar 2.9 Gaya-gaya aeodinamik pada sudu turbin... 17

Gambar 2.10 Sudu turbin pada beberapa kondisi sudut…... 18

Gambar 2.11 Arah sudut pitch………... 19

Gambar 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi TSR, sudut azimuth dan sudut pitch.………... 20

Gambar 2.13 Perubahan sudut serang………... 21

Gambar 2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai………... 24

Gambar 3.1 Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin... 26

Gambar 3.2 Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu... 28

Gambar 3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012... 29

Gambar 3.4 Anemometer dan Tachometer….….... 30

Gambar 3.5 Multimeter…….... 31

Gambar 3.6 Busur derajat………... 31

Gambar 3.7 Motor penggerak fan………... 32

Gambar 3.8 Permanent magnet generator (PMG)………... 32

Gambar 3.9 Prosedur pengujian………... 34

Gambar 3.10 Diagram alir penelitian………... 35

Gambar 4.1 Pengukuran kecepatan angin………... 36

Gambar 4.2 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah……….…………... 44

Gambar 4.3 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu tiga buah ………... 44

Gambar 4.4 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

tiga buah………...………... 45 Gambar 4.5 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

empat buah……….………... 45 Gambar 4.6 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu

empat buah……….………... 46 Gambar 4.7 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

empat buah………..………... 46 Gambar 4.8 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima

buah………... 47 Gambar 4.9 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu lima

buah……….………... 47 Gambar 4.10 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu

lima buah………... 48 Gambar 4.11 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum... 48

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kondisi angin………... 4

Tabel 2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah………….5

Tabel 2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah... 6

Tabel 2.4 Potensi energi terbarukan di Indonesia... 7

Tabel 2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang... 8

Tabel 3.1 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H... 28

Tabel 3.2 Spesifikasi sudu………... 28

Tabel 3.3 Spesifikasi anemometer……. ... 29

Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……….. ... 30

Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik... 37

Tabel 4.2 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu…... 37

Tabel 4.3 Data pengujian beban3 Watt……... 38

Tabel 4.4 Data pengujian beban 5 Watt..…... 38

Tabel 4.5 Data pengujian beban 10 Watt..…... 38

Tabel 4.6 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt... 41

Tabel 4.7 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 41

Tabel 4.8 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 41

Tabel 4.9 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt... 42

Tabel 4.10 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 42

Tabel 4.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt... 42

Tabel 4.12 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 42

Tabel 4.13 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 43

Tabel 4.14 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 43

Tabel 4.15 Perhitungan turbin angin Savonius…... 49

Tabel 4.16 Perhitungan turbin angin Darrieus-H... 49

Tabel 4.17 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dan Darrieus... 50

Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban... 60

Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt... 61

Tabel L.4 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt... 63

Tabel L.5 Data pengujian 4 sudu tanpa beban... 64

Tabel L.6 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt... 65

Tabel L.7 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt... 66

Tabel L.8 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt... 67

Tabel L.9 Data pengujian 5 sudu tanpa beban... 68

Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt... 69

Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt... 70

Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt... 71

Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir... 73

Tabel L.14 Relatif rata-rata Kec.Angin Sumut... 75

Tabel L.15 Koordinat airfoil NACA 0012……... 76

Tabel L.16 Nilai ekonomis berbagai sumber energi... 77

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H.

Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam

mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 60

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Di Indonesia terdapat beberapa sumber energi terbarukan seperti energi air, matahari, angin, dan geothermal. Khususnya energi angin masih sangat sedikit pemanfaatanya yaitu dengan kapasitas terpasang 0.5 MW dari jumlah yang tersedia 9.29 GW di seluruh Indoesia (DESDM,2005). Dilihat dari data angin untuk daerah tertentu khusunya daerah – daerah pesisir di Indonesia, bahwa daerah tersebut memiliki kapasitas angin yang cukup besar dan memungkinkan untuk dikembangkan pembangkit listrik tenaga bayu/angin (PLTB).

Dari data kecepatan angin pada Lampiran IV, dapat dilihat bahwa potensi angin di Indonesia dapat dikembangkan khususnya untuk Indonesia bagian Timur yang memiliki potensi angin yang lebih besar. Ini menunjukkan bahwa pemanfaatan energi angin di daerah timur Indonesia sangat mungkin untuk dikembangkan untuk skala mikro dan skala mini. Hal ini mendorong penulis untuk membuat turbin angin skala kecil serta melakukan serangkaian pengujian performansi turbin angin tersebut.

Prototipe turbin angin yang dibuat akan diuji performansinya pada kecepatan angin 3,85 m/s. Hal yang mendasari pemilihan kecepatan angin ini adalah karena penulis mengharapkan turbin angin ini nantinya dapat diaplikasikan di daerah Kamanggih, Kab. Sumba Timur NTT dengan kecepatan angin rata-rata tahunan 3,80 m/s seperti pada Lampiran IV.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah: 1. Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap performansi turbin

angin.

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah

1.3.1 Rumusan masalah

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

1. Pengaruh jumlah sudu terhadap performansi turbin angin.

Tip speed ratio optimal bergantung pada jumlah sudu turbin. Biasanya turbin yang mempunyai sudu yang lebih sedikit akan berputar lebih cepat dan mengekstrak energi angin dengan lebih maksimal (M.Ragheb, 2011) 2. Pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin.

Gaya liftyang dihasilkan sudu merupakan fungsi dari sudut serang (α) dan

sudut serang tergantung pada sudut pitch(φ), sudut azimuthsudu (θ) dan tip speed ratio(λ).

1.3.2 Batasan masalah

Ruang lingkup penelitian turbin angin tipe Darrieus-H ini adalah sebagai berikut:

1. Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H: Diameter rotor : 1,5 m

Tinggi rotor : 1,5 m

Profil sudu : NACA 0012

Chord : 0.3 m 2. Variasi dalam pengujian adalah:

Jumlah sudu : 3, 4, 5

Sudut pitch(φ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 3. Kecepatan angin : 3.85 m/s

Tempat : Lt. IV Departemen Teknik Mesin USU

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari:

1. Aspek akademis, penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Mekanika Fluida, Mesin Konversi Energi, sehingga dengan dilakukannya penelitian ini dapat menambah wawasan tentang turbin angin serta

mengembangkan pola pikir tentang pemanfaatan energi angin dengan menggunakan turbin angin sehingga timbul gagasan yang lebih baik. 2. Aspek praktik atau implementasi

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

1.5 Sistematika Penulisan

Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I. PENDAHULUAN

Berisi tentang hal – hal yang melatarbelakangi dan awal sudut pandang penulis sehingga melakukan suatu penelitian.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tentang teori – teori pendukung untuk melakukan pendekatan – pendekatan teoritis dalam menganalisis data hasil pengujian.

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

Berisi tentang metode penelitian, alat-alat yang digunakan dan spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H

BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA

Berisikan data hasil pengukuran daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin. Kemudian dilakukan analisa data pengukuran untuk memperoleh efisiensi.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Merupakan jawaban dari tujuan penelitian.

1.6 Metode Pengumpulan Data

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

1. Studi literatur dan studi lapangan

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

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Angin

Energi angin berasal dari matahari melalui reaksi fusi nuklir hidrogen (H) menjadi helium (He) pada inti matahari. Reaksi ini menimbulkan panas dan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ke segala arah. Meskipun hanya sebagian kecil dari radiasi ini yang diterima oleh bumi, tetapi hampir menyediakan seluruh kebutuhan energi di bumi. Total energi matahari yang diterima oleh bumi diperkirakan sekitar 1,8 x 1011 MW. Hanya 2% (3,9 x 109 MW) yang dikonversikan menjadi energi angin. Dan sekitar 35% energi angin ini dihamburkan pada ketinggian 1000m dari permukaan bumi. Oleh karena itu, energi angin yang tersedia hanya sekitar 1,26 x 109 MW. (Wei Tong, 2010)

Angin timbul akibat sirkulasi di atmosfer yang dipengaruhi oleh aktivitas matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Dengan demikian, daerah khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di daerah kutub, atau dengan kata lain, suhu udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu udara di daerah kutub. Perbedaan suhu dan tekanan udara inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara inilah yang didefinisikan sebagai angin.

2.1.1 Kondisi angin

Dahulu sebelum ada alat pengukur kecepatan angin, angin ditaksir dengan skala kekuatan angin yang dikemukakan oleh Beaufort dan disebut menjadi skala Beaufort. Kondisi kecepatan angin dibagi menurut kelas angin seperti pada tabel berikut.

Tabel.2.1 Kondisi angin

Kelas Angin

V (m/s) V (km/jam) V (knot/jam)

1 0,3 - 1,5 1 - 5,4 0,58 - 2,92 2 1,6 - 3,3 5,5 - 11,9 3,11 - 6,42 3 3,4 - 5,4 12,0 - 19,5 6,61 - 10,5

4 5,5 - 7,9 19,6 - 28,5 10,7 - 15,4 5 8,0 - 10,7 28,6 - 38,5 15,6 - 20,8 6 10,8 - 13,8 38,6 - 49,7 21 - 26,8 7 13,9 - 17,1 49,8 - 61,5 27 - 33,3 8 17,2 - 20,7 61,6 - 74,5 33,5 - 40,3 9 20,8 - 24,4 74,6 - 87,9 40,5 - 47,5 10 24,5 - 28,4 88,0 -102,3 47,7 - 55,3 11 28,5 - 32,6 102,3 - 117,0 55,4 -63,4 12 > 32,6 > 118 > 63,4

Sumber: nugrohoadi.wordpress.com

Tabel.2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah

Kelas angin

V (m/s) Kondisi alam di daratan

1 0,00 - 0,02 ---

2 0,3 - 1,5 angin tenang, asap lurus ke atas 3 1,6 - 3,3 asap bergerak mengikuti angin

4 3,4 - 5,4 wajah terasa dingin, daun-daun bergoyang pelan,

petunjuk arah angin bergerak

5 5,5 - 7,8 debu jalan, kertas beterbangan,

ranting pohon bergoyang

6 8,0 - 10,7 ranting pohon bergoyang, bendera berkibar 7 10,8 - 13,8 ranting pohon besar bergoyang,

air plumpang berombak kecil

8 13,9 - 17,1 ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga 9 17,2 - 20,7 jalan berat melawan arah angin

10 20,8 - 24,4 dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh 11 24,5 - 28,4 dapat merubuhkan rumah, menimbulkan kerusakan 12 28,5 - 32,6 menimbulkan kerusakan parah

13 > 32,6 tornado

Sumber: nugrohoadi.wordpress.com 2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan

Energi kinetik yang terkandung dalam udara yang bergerak dengan kecepatan v dapat dihitung dari persaman berikut,

Ek = ½ mv2

dimana m adalah massa udara. Daya angin dapat diperoleh dengan mendiferen-sialkan energi kinetik angin terhadap waktu.

P = dEk / dt

P = ½ v2= ½ ρAv3 (W) (2.1) dimana pada persamaan diatas dapat kita lihat bahwa energi angin (P ; Watt) bergantung terhadap faktor-faktor seperti aliran massa udara ( ; kg/s), kecepatan angin (v ; m/s), densitas udara (ρ ; kg/m3), dan luas permukaan area efektif turbin (A ; m2 ).

2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh ketinggiannya dari permukaan tanah. Semakin mendekati permukaan tanah, kecepatan angin semakin rendah karena adanya gesekan antara permukaan tanah dengan angin. Berikut adalah rumus menghitung kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya dan jenis permukaan tanah di sekitarnya.

V = V1 (Z/Z1)1/n (2.2)

V = kecepatan angin pada ketinggian Z V1 = kecepatan angin pada ketinggian Z1

n = nilai n dipengaruhi oleh permukaan tanah

Tabel.2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah

Jenis pemukaan tanah n 1/n

padang rumput datar 7,0 - 10,0 0,10 - 0,14 pesisir pantai 7,0 - 10,0 0,10 - 0,14 sawah dan perkebunan 4,0 - 6,0 0,17 - 0,25 daerah perkotaan 2,0 - 4,0 0,25 - 0,50

Sumber: indone5ia.wordpress.com

2.2 Potensi Angin di Indonesia

Sumberdaya energi angin suatu lokasi sangat ditentukan oleh besarnya rata-rata kecepatan angin di lokasi tersebut karena daya yang dapat dibangkitkan energi angin merupakan kelipatan pangkat tiga (kubik) dari kecepatan angin. Sumberdaya energi angin dikategorikan mulai dari kelas 1 (kecepatan angin kurang 3 m/s pada ketinggian 10 m) hingga kelas 7 (kecepatan angin lebih besar

dari 7 m/s pada ketinggian 10 m). Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/s pada ketinggian 24 meter di atas permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara keseluruhan, potensi energi angin Indonesia diperkirakan mencapai 9.290 MW. Wilayah yang mempunyai potensi angin cukup besar adalah Nusa Tenggara, Sumatera Selatan, Jambi dan Riau. Saat ini pemanfaatan energi angin untuk pembangkit listrik masih terbatas pada pilot projects dengan kapasitas terpasang sekitar 500 kW. Berdasarkan data kecepatan angin Indonesia yang relatif rendah, aplikasi tenaga angin Indonesia sesuai untuk pengembangan dengan skema Pembangkit Skala Kecil tersebar dengan kapasitas maksimum sekitar 100 kW per turbin (Indonesia Energy Outlook, 2010).

Tabel.2.4 Potensi energi terbarukan di Indonesia

Jenis energi Sumber daya Setara Kapasitas terpasang

Air 845 x 106 BOE 75,7 GW 4200 MW

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

Mini/Mikrohidro 458 MW 458 MW 84 MW

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

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

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

Keterangan: BOE = Barrel Oil Equivalent Sumber: DESDM, 2005

Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup dari arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah selatan khatulistiwa bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera bagian selatan dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara. Kecepatan angin umumnya berkisar antara 5 – 15 knots (9 – 27 km/jam).

Kecepatan angin ≥15 knot (≥27 km/jam):

- Samudera Hindia sebelah barat Sumatera - Samudera Pasifik Timur Filippina

- Samudera Hindia Selatan Jawa hingga Nusa Tenggara

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

Tabel.2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang

No Negara Kapasitas total (MW) (akhir tahun 2012)

1 China 75,564

2 United States 60,007

3 Germany 31,332

4 Spain 22,796

5 India 19,051

6 United Kingdom 8,445

7 Italy 8,144

8 France 7,196

9 Canada 6,200

10 Portugal 4,525

Lainnya 39,852

Total 282,482

Sumber: Global Wind Statistic, 2012

2.3 Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu yang berputar untuk mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti menggerakkan pompa maka turbin disebut windmill. Jika energi mekanik digunakan untuk

menggerakkan generator yang menghasilkan energi listrik, maka turbin ini disebut

wind generator atau wind energy converter (WEC). 2.3.1 Jenis-jenis turbin angin

Turbin angin dapat digolongkan berdasarkan prinsip aerodinamika yang bekerja pada rotornya, yaitu:

- Jenis drag, memanfaatkan selisih koefisien drag pada sudu

- Jenis lift, memanfaatkan gaya lift yang terjadi pada sudu akibat aliran udara

Berdasarkan letak sumbu porosnya, turbin angin dapat dibedakan menjadi dua kelompok.

- Turbin angin sumbu horizontal (TASH) - Turbin angin sumbu vertikal (TASV)

TASH

Turbin angin satu sudu (single bladed)

Turbin angin dua sudu (double bladed)

Turbin angin tiga sudu (three bladed)

Turbin angin bersudu banyak (multi bladed)

Berdasarkan jumlah sudu

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin

Upwind : rotor menghadap arah datangnya angin

Downwind : rotor membelakangi arah datangnya angin

TASV

Turbin angin Savonius

Turbin angin Darrieus

Sudu lurus Sudu lengkung

Darrieus (Eggbeater)

Darrieus-H (giromill)

2.3.2 Teori elemen momentum Betz

Energi kinetik udara dengan massa m yang bergerak dengan kecepatan v

dirumuskan dengan:

E = ½ m v2 (N.m) (2.3)

Dengan menganggap bahwa udara ini melewati suatu saluran dengan luas penampang A dengan kecepatan v, maka volume udara yang melewati saluran dalam satu satuan waktu dinyatakan dengan:

Q = vA (m3/s) (2.4)

dan laju aliran massa udara dengan kerapatan ρ:

= ρAv (kg/s) (2.5)

Energi yang terkandung di dalam massa udara yang bergerak ini dinyatakan dengan:

P = ½ ρAv3

(W) (2.6)

Pertanyaannya adalah berapa banyak energi yang dapat diekstrak dari energi udara yang bergerak ini oleh turbin. Energi kinetik udara ini akan diubah menjadi energi mekanis, dengan catatan laju aliran massa udara yang melewati turbin ini tidak berubah. Artinya, variabel yang berubah adalah kecepatan udara saat meninggalkan turbin ini.

Gambar.2.3 Pemodelan aliran Betz (Erich Hau,2006)

v1 adalah kecepatan udara sebelum melewati turbin dan v2 adalah kecepatan udara setelah melewati turbin. Dari persamaan kontinuitas diperoleh:

ρv1A1= ρv2A2 (2.7) Selisih energi angin di titik (1) dengan titik (2) dapat dituliskan dengan:

P = ½ ρ A1 v13–½ ρ A2 v23= ½ ρ (A1 v13– A2 v23) (2.8) Dengan memasukkan persamaan (2.3)

P = ½ ρ A1 v1 (v12– v22) atau

P = ½ (v12– v22) (W) (2.9) Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa energi yang di ekstrak akan maksimum jika v2 = 0 ,artinya udara di belakang turbin tidak bergerak. Jika kecepatan udara di belakang turbin tidak bergerak maka udara di depan turbin juga tidak akan bergerak dan tidak ada aliran.

Dari hukum konservasi momentum, besarya gaya udara yang mendesak turbin dituliskan dengan:

F = ma

F = m dV/dt = m Δv F = ρAv (v1– v2)

F = (v1– v2) (N) (2.10)

Berdasarkan hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi sama dengan gaya reaksi, gaya F ini mendapat reaksi dari turbin dengan besar yang sama dan meneruskannya ke aliran udara sehingga mengurangi kecepatan aliran. Akibat gaya reaksi ini, kecepatan aliran turun menjadi v’. Daya yang dibutuhkan untuk ini adalah:

P = F v’ = (v1– v2) v’ (W)

Dengan demikian, daya mekanis yang diekstrak dari udara dapat diperoleh dari perubahan energi udara sebelum dan setelah melewati turbin.

½ (v12– v22) = (v1– v2) v’

v’ = ½ (v1 + v2) (m/s) (2.11) Dengan demikian, kecepatan aliran melalui turbin ekivalen dengan rata-rata penjumlahan v1 dan v2 :

v’ = (v1 + v2) /2 (m/s) (2.12) laju aliran udara menjadi:

= ρAv’_{= ½ ρA (v}

1 + v2) (kg/s) (2.13)

sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan:

P = ¼ ρA (v12– v22) (v1 + v2) (W) (2.14)

Daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang tersedia di dalam udara,

Po= ½ ρAv3 (W)

maka diperoleh koefisien performansi turbin:

Cp = P/Po =

(2.15)

Cp = (2.16)

Koefisien performansi ini merupakan rasio antara energi yang terkandung di dalam udara dengan energi yang dapat diekstrak dari udara tersebut. Oleh karena itu, Cp bergantung pada rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah melewati turbin.

Gambar dibawah merupakan plot hasil iterasi Cp dengan memvariasikan rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah meninggalkan turbin (v2/v1). Dari hasil plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada v2/v1 =

1/3 sehingga diperoleh:

Gambar.2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan (Erich Hau, 2006)

Gambar.2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz (Erich Hau, 2006) Gambar diatas menunjukan variasi kecepatan aliran dan tekanan statik. Saat udara mendekati turbin, udara terhambat sehingga kecepatannya berkurang sampai ke nilai minimum di belakang turbin.

Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini disebut dengan Betz limit.

Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada rasio kecepatan v2/v1 = 1/3 maka kecepatan aliran tepat di depan turbin,

v’ = 2/3 v1 (2.17)

dan kecepatan udara setelah melewati turbin,

v2 = 1/3 v1 (2.18)

2.4 Turbin angin Darrieus

Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin sumbu horizontal dengan bentuk melengkung (troposkien: tali yang berputar, bahasa Yunani). Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges J.M 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 angin. Sudu turbin ini berbentuk airfoil.

Gambar. 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu (www.wintufel.net)

2.4.1 Airfoil

Airfoil adalah bentuk aerodinamik yang dianggap sangat efektif untuk menghasilkan gaya angkat (lift). Sebagai contoh sebuah airfoil adalah penampang potongan sayap pesawat. Sayap adalah bagian pesawat terbang yang berfungsi

untuk menghasilkan gaya angkat. Gaya angkat yang dihasilkan itu akan terjadi karena gaya tekanan dibawah lebih besar daripada gaya tekanan diatas airfoil. Sayap juga dinamai penguat gaya dorong (thrust amplifier), karena gaya angkat yang dihasilkan dapat beberapa kali lebih besar daripada gaya tahan (drag) yang harus diatasi oleh gaya dorong motor propulsi. Nomenklatur dan cara menggambar airfoil dapat dilihat pada gambar dibawah.

Gambar.2.7 Nomenklatur airfoil (Arismunandar, 2000)

Garis kamber rata-rata (mean camber line) adalah tempat kedudukan dari titik-titik tengah antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil; yaitu tempat kedudukan titik tengah dari garis tegak lurus, pada garis kamber rata-rata itu sendiri, yang menghubungkan permukaan atas dan permukaan bawah. Garis kamber rata-rata menjadi ciri utama sebuah airfoil. Titik terdepan dan titik terbelakang dari garis kamber rata-rata, berturut-turut dinamai tepi depan (leading edge) dan tepi belakang (trailing edge). Garis korda (chord line) adalah garis lurus yang menghubungkan tepi depan dan tepi belakang, korda (chord) adalah panjangnya garis korda antara tepi depan dan tepi belakang. Ukuran airfoil biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari korda c. kamber (maksimum) adalah jarak maksimum antara garis kamber dengan garis korda, diukur pada garis tegak lurus dari korda. Letak kamber maksimum dari tepi depan sangat penting dalam menentukan karakteristik aerodinamika sebuah airfoil. Banyak usaha dilakukan untuk menggeser letak kamber maksimum ke depan untuk menaikkan gaya angkat

sangat menentukan karakteristik gaya angkat dan momen airfoil. Tebal maksimum sebuah airfoil adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah (Arismunandar, 2000).

Gambar.2.8 Contoh airfoil NACA 4 digit (Sumber: Dokumen Penulis) Radius lingkaran yang melalui tepi depan merupakan ukuran ketajaman tepi depan; biasanya 0-2% korda. Titik pusat lingkaran tersebut berada pada garis singgung garis kamber rata-rata yang melalui tepi depan. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka ukuran dan bentuk airfoil dinyatakan dengan nomor seri seperti contoh diatas.

2.4.2 Turbin angin Darrieus-H

Turbin angin Darrieus memiliki torsi rotor yang relatif rendah tetapi putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan energi awal yang lebih besar untuk mulai berputar. Turbin angin Darrieus biasanya akan mulai berputar pada kecepatan angin 2,5 m/s dan dapat menghasilkan daya pada kecepatan angin 3 m/s. Turbin angin Darrieus memiliki sudu dengan penampang berbentuk airfoil. Efisiensi maksimum turbin angin tipe Darrieus-H untuk saat ini masih berada pada 42 %, sedangkan turbin angin tipe horizontal mempunyai efisiensi maksimum sebesar 50 %. Hal ini mengakibatkan

turbin angin tipe Darrieus-H jarang dipakai untuk pembangkit listrik dengan kapasitas yang besar.

Gambar.2.9 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin (Sumber: Dokumen Penulis)

Keterangan gambar:

L = gaya lift sudu (N)

D = gaya drag sudu (N)

ω = kecepatan sudut elemen sudu (rad/s)

r = radius turbin (m)

α = sudut serang sudu (0),

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

c = v’{(λ + cos )2_{+ (sin )}2

}1/2 (2.19)

v’ = kecepatan angin (m/s)

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

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

- gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c

Turbin angin Darrieus-H menggunakan sudu berbentuk airfoil. Sudu ini diatur sedemikian rupa dengan sudut tertentu yang disebut dengan sudut serang

(angle of attack). Sudut serang merupakan sudut antara garis referensi (garis korda c) dengan arah aliran, sudut ini merupakan sudut serang lokal. Pada saat turbin berputar, sudut serang sudu berubah terhadap posisi sudut ( ) sudu dan merupakan fungsi dari tip speed ratio λ.

α = arc tan [sin / (λ + cos )] dimana, α = sudut serang (2.21)

Gambar.2.10 Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium, dan tinggi (Sumber: Dokumen Penulis)

Besarnya sudut serang tidak boleh melebihi sudut serang kritis sudu karena pada saat sudut serang melebihi sudut serang kritis akan terjadi stall. Stall

merupakan kondisi dimana terjadi pemisahan aliran udara diatas sudu dan timbul gelombang (wake) udara yang tidak beraturan. Pada kondisi stall, sudu hanya mempunyai koefisien lift yang sangat kecil.

2.4.3 Sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch

Sudut serang pada turbin Darrieus-H merupakan sudut antara garis chord

sudu dengan garis komponen kecepatan relatif. Pada turbin angin Darrieus-H ini, besarnya sudut serang dipengaruhi oleh beberapa hal seperti, tip speed ratio, sudut

azimuth sudu, dan sudut pitch sudu. Semakin besar tip speed ratio maka sudut serang akan semakin kecil, hal ini dapat dilihat dari persamaan di bawah ini.

dimana: λ = tip speed ratio

θ = sudut azimuth sudu

R

Menuju pusat rotasi

Menjauhi pusat rotasi (-) φ (+) φ

Garis Chord ω

Gambar. 2.11 Arah sudut pitch (Sumber: Dokumen Penulis)

Untuk sudut pitchφ = 0, maka nilai sudut serang tidak berubah, tetapi jika

sudut pitch φ > 0, maka sudut serang akan berubah sesuai dengan besarnya

perubahan sudut pitch.

α = {arc tan [sin / (λ + cos )]} - φ  00> θ < 1800

α = {arc tan [sin / (λ + cos )]} + φ  1800 > θ < 3600

φ

α

Garis korda (chord)

θ = 45 θ = 135

θ = 225

θ = 315 Angin

α

α

α

φ

φ

φ φ

Komponen kecepatan angin dan kecepatan tangensial

α

Komponen kecepatan relatif

Gambar. 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut

Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi sudut

azimuth sudu.

v’ c u’

c

c c

c

c c

c

v’ v’

v’ v’

v’

v’

v’

u’

u’ u’

u’

u’ u’

u’

ω

θ

1 2

3

4

5

6

7

8 Angin

α

Gambar.2.13 Perubahan sudut serang (Sumber: Dokumen Penulis) Kecepatan angin V = 3.85 m/s

Radius Turbin r = 0.75 m

Kcepatan Sudut ω = 2πn/θ0= 2π.50/60 = 5.666 rad/s Kecepatan Tangensial u’ = ω.r = (5.666)(0.75) = 4.24 m/s

Tip speed ratio λ = ω.r/v = (5.666)(0.75)/3.85 = 1.103 Untuk tiap titik diperoleh:

1. θ = 00 α = 00 c = 8.09 m/s

2. θ = 450 α = 21.370 c = 7.48 m/s

3. θ = 900 α = 42.190 c = 5.72 m/s

4. θ = 1350 α = 60.750 c = 3.17 m/s

5. θ = 1800 α = 00 c = 0.39 m/s

6. θ = 2250 α = -60.750 c = 3.17 m/s

7. θ = 2700 α = -42.190 c = 5.72 m/s

8. θ = 3150 α = -21.370 c = 7.48 m/s

2.5 Sistem Kelistrikan

2.5.1 Generator

Turbin angin yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik tentu memerlukan generator yang berguna mengubah energi mekanik gerak rotasi rotor menjadi energi listrik. Terdapat beberapa jenis generator yang digunakan. Berdasarkan arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1. Generator arus searah (Direct Current - DC)

2. Generator arus bolak – balik (Alternating Current - AC)

Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan jika dihubungkan dengan beban akan menghasilkan arus searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan energi listrik pada putaran tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan sistem transmisi untuk menaikkan putaran (speed increasing).

Generator arus bolak – balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak – balik dan jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak – balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantun pada spesidikasi generator itu sendiri.

Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam generator.

n = (2.22)

dimana: n : putaran (rpm)

p : jumlah kutub

f : frekuensi (Hz)

Semakin banyak jumlah kumparannya maka semakin kecil putaran minimal dan putaran kerjanya. Jumlah kumparan merupakan kelipatan dari jumlah kutub yang dimiliki generator.

Untuk putaran turbin yang memiliki putaran yang relatif rendah, digunakan jenis generator magnet permanen dengan variasi jumlah kutub, semakin banyak jumlah kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk membangkitkan listrik dan sebaliknya. Untuk generator yang menggunakan magnet permanen sebagai penginduksi kumparannya disebut generator magnet permanen.

2.5.2 Penyimpanan energi listrik

Penyimpanan energi listrik pada turbin angin skala kecil biasanya digunakan baterai penyimpan. Sistem penyimpanan baterai ini terdapat pada turbin angin yang relatif sederhana dan ditempatkan secara tersendiri. Penggunaan baterai ini diperuntukkan untuk meningkatkan efisiensi dan efektivitas pemakaian energi karena sumber daya yang dihasilkan tidak tetap setiap saat atau tidak cukup untuk melayani permintaan beban pada saat itu. Sebagai contoh, untuk penerangan dan peralatan lainnya sering memerlukan daya pada saat angin tidak berhembus.

Pada dasarnya sistem penyimpanan baterai merupakan pembangkit pengisian baterai. Generator mengisi suatu baterai dengan daya DC melalui pengatur tegangan (voltage regulator). Pengatur tegangan berfungsi untuk menjaga baterai dari kelebihan pengisian (over charger) yang dapat merusak baterai. Disamping itu pengatur tegangan juga membatasi tegangan pengisian dan menurunkan arus yang melewati sel baterai saat mencapai pengisian puncak.

Inverter 12 Volt DC ke

AC

Baterai 12V Turbin

Angin

Circuit Breaker

Voltmeter DC Ground

Charger Controller

Sekring

Dump Load Digunakan untuk keperluan tertentu

Konverter AC ke DC

Gambar.2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai (Sumber: Dokumen Penulis)

Jenis baterai penyimpanan biasanya menggunakan jenis baterai asam timbal (tipe industri). Mengingat kecepatan angin berfluktuasi maka produksi energi turbin angin bisa melebihi atau kurang dari kebutuhan. Untuk menghindari keadaan tersebut, penggunaan baterai penyimpan tambahan dapat berguna untuk menghindari kelebihan daya yang dibangkitkan oleh turbin angin. Dimana baterai akan mensupplai sistem pada saat energi angin rendah dan mengisi baterai tambahan saat energi angin melebihi kebutuhan. Jika tidak ada baterai penyimpan tambahan, kadang kala pada sistem pembangkit tenaga angin ini dilengkapi dengan dump load berupa resistansi pemanas yang berfungsi sebagai proteksi terhadap beban lebih pada saat daya yang dibangkitkan turbin melebihi permintaan beban (termasuk baterai penyimpan).

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian

Proses pembuatan komponen - komponen turbin angin Darrieus-H dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik Departemen Teknik Mesin. Sementara proses penelitian dilakukan di Lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian

3.2.1 Objek Penelitian

Sebelum penulis membuat komponen-komponen turbin angin Darrieus, penulis terlebih dahulu menentukan dimensi bagian utama turbin.

1. Menentukan kecepatan angin pengujian

Sebelum menentukan dimensi utama turbin, penulis terlebih dahulu mempertimbangkan kondisi kecepatan angin pengujian. Potensi sumber daya angin di Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/s pada ketinggian 24 m diatas permukaan tanah (Indonesia Energy Outlook, 2010). Sementara turbin angin Darrieus akan menghasilkan daya pada kecepatan angin (v ≥ 3 m/s). Dari data

kecepatan angin di berbagai wilayah di Indonesia, penulis mengharapkan turbin angin ini nantinya dapat diaplikasikan di daerah Kamanggih, Kab. Sumba Timur NTT dengan kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar v = 3,85 m/s (lihat Lampiran IV). Sehingga kecepatan angin dalam pengujian turbin angin ini disesuaikan dengan kondisi kecepatan angin di lapangan. Maka penulis menyimpulkan bahwa pengujian turbin angin Darrieus akan dilakukan pada kecepatan angin v = 3,85 m/s.

2. Menentukan geometri turbin dan perhitungan daya maksimum rotor

Menurut aturan Betz, turbin angin hanya mampu mengekstrak energi angin sebesar 59,3% dari total daya angin yang melalui luas sapuan turbin dengan

asumsi aliran tidak viskos, arah aliran angin tegak lurus terhadap turbin dan tidak ada turbulensi. Sementara untuk kondisi aktual hal ini tidak bisa tercapai dan untuk turbin angin Darrieus berkisar antara 25 – 40 %.

Gambar.3.1 Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin (Erich Hau, 2006) Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh energi angin yang tersedia, baik untuk kegunaan elektrikal maupun mekanikal. Perkiraan diameter rotor ini tidak terlalu eksak. Kompromi dapat dilakukan dalam rangka optimisasi dengan kekuatan struktur sudu dan juga biaya pembuatan. Dengan efisiensi rotor dan kondisi angin yang sama, semakin besar diameter rotor semakin besar pula energi angin yang dapat diekstrak. Oleh karena itu ukuran rotor menggambarkan berapa besar kapasitas suatu sistem konversi energi angin (Daryanto, 2007).

Untuk turbin angin Darrieus dengan diameter rotor 1.5 m dan tinggi rotor 1.5 m, daya maksimum yang dapat diekstrak dari angin dengan temperatur udara 320 C adalah sebagai berikut.

ρ = 1.1594 kg/m3

v = 3.85 m/s

Pa = ½ ρAv3

Pa = ½ (1.1594)(2.25)(3.85)3 = 74.43 W

PT = (0.25 s/d 0.4) Pa = (18.60 s/d 29.77) W 3. Menentukan tipe airfoil sudu

Tipe airfoil berhubungan dengan karakteristik koefisien liftCL dan koefisien

drag CD terhadap besarnya sudut serang (α). Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat baik biasanya menghasilkan geometri sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang kompleks tentu akan mempertinggi tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan. Dengan demikian pertimbangan aerodinamik yang tepat diharapkan dapat memberikan rekomendasi bentuk sudu dan rotor yang tepat yang memiliki efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu (baik mekanikal maupun elektrikal), sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi untuk desain dan pembuatan (Daryanto, 2007). Selain itu ketersediaan data koefisien lift dan koefisien drag airfoil tersebut harus diperhatikan. Atas per-timbangan di atas, maka penulis memilih profil sudu NACA 0012 dengan panjang

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

σ = N c/d

c (m) D (m) Jumlah sudu (N) σ

0.3 1.5 3 0.6

0.3 1.5 4 0.8

0.3 1.5 5 1

Berikut ini adalah spesifikasi bagian-bagian utama alat uji turbin angin Darrieus-H.

a) Rotor, merupakan elemen utama turbin angin yang berfungsi mengekstrak energi angin menjadi energi mekanis.

Tabel.3.1 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H

No Spesifikasi Keterangan

1 Jenis Sumbu vertikal 2 Diameter 1500 mm

3 Tinggi 1500 mm

4 Lengan Rectangular tube 50x25x1.5 5 Jumlah sudu 3, 4, 5

Gambar. 3.2 Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu b) Sudu

Tabel.3.2 Spesifikasi sudu

No Spesifikasi Keterangan

1 Profil Sudu NACA 0012 2 Chord (c) 300 mm

4 Bahan Pelat aluminium 0.3 mm 5 Jumlah sudu 3, 4 dan 5

Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012 3.2.2 Alat-alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut:

1. Thermo-Anemometer, digunakan untuk mengukur temperatur dan kecepatan angin, dengan data teknis sebagai berikut:

Tabel.3.3 Spesifikasi anemometer

Specification Range Resolution Basic Accuracy m/s 0.6 – 30 0.01 ±3%±0.2m/s km/h 3.6 – 108 0.1 ±3%±0.8km/h ft/min 196 – 5900 0.1 ±3%±40ft/min

MPH 2.2 – 67 0.1 ±3%±0.4MPH

Knots 1.9 – 58 0.1 ±3%±0.4knots Temperature

(0C / 0F)

Gambar. 3.4 Thermo-Anemometer dan Digital Tachometer

2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin angin Darrieus-H, dengan data teknis sebagai berikut:

Type : Display 5 digital18 mm (0,7” LCD) Accuracy : ± (0,05 % + 1 digital)

Sampling time : 0,8 sec (over 60 rpm)

Range select : Auto range Time base : Quartz crystal

Detecting distance : 50mm---500mm (photo)

Power : 4 x 1,5 VAA size battery or 6V direct current Power cunsumtion : approx 65 mA

3. Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan

Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter

Function Range Accuracy (%rdg + digits)

DC Voltage V 326m, 3.26, 32.6, 326, 1000 ± (0.5% + 2d) AC Voltage V 3.26, 32.6, 326, 750 ± (1.2% + 4d) DC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.2% + 3d)

AC Current A 326u, 3260u, 32.6m, 326m, 10 ± (1.5% + 5d) Resistance Ω 326, 3.26K, 32.6K, 326K,

3.26M, 32.6M

± (2.0% + 4d)

Frequency Hz 320,3200,32K ± (1.5% + 4d)

Gambar.3.5 Multimeter

4. Busur derajat, digunakan untuk mengatur besar sudut pitch sudu turbin angin Darrieus-H.

5. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut: Daya : 2 hp

Putaran : 1500 rpm Tegangan : 220-240 V

Gambar.3.7 Motor penggerak fan 6. Permanent magnet generator

Tipe : Permanet magnet generator (PMG)

Cogging torque : zero cogging torque

Rpm : very low rpm (20 s/d 500 rpm) : 0.7

3.3 Pelaksanaan Penelitian

3.3.1 Tahap Persiapan

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

1. Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4 dan 5 sudu.

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

3. Menempatkan fan pada jarak 5 m dari turbin dan menentukan titik dimana kecepatan angin sesuai untuk pengujian.

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

3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data

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

1. Turbin angin dengan 3, 4 atau 5 sudu yang siap uji ditempakan pada titik angin yang telah ditentukan sebelumnya.

2. Fan dijalankan untuk menghasilkan angin dengan kecepatan tertentu sesuai kecepatan angin pengujian.

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. Adapun data yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros rotor turbin.

4. Kemudian pada kondisi turbin yang sama, pengujian dilakukan dengan beban. Variasi beban ditentukan pada saat pengujian.

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

6. Dengan cara yang sama pada poin satu sampai enam, pengujian untuk selanjutnya dengan variasi sudut serang, jumlah sudu, dan beban.

Mulai

Persiapan Fan

- Diatur jumlah sudu (3, 4 atau 5 buah) - Diatur sudut pitch (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120) - Diukur kecepatan angin fan (3,85 m/s) - Diatur pembebanan (tanpa beban dan dengan beban 3W, 5W, dan 10W)

- Diukur dan dicatat putaran pada porosturbin angin

- Diukur dan dicatat tegangan dan kuat arus listrik sampai didapatkan daya maksimum

Dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanyak 10 kali

Berhenti

Selesai

3.4 Diagram Alir Penelitian

MULAI

STUDI LITERATUR

PENGAMBILAN DATA ANGIN (untuk menentukan kecepatan angin pengujian)

PEMBUATAN ALAT UJI

PENGUJIAN ALAT

DAPAT DITERIMA

(berputar dengan baik dan mempunyai respon yang baik tehadap angin)

PENGAMBILAN DATA

ANALISA DATA

PEMBAHASAN

KESIMPULAN

SELESAI

Tidak

Ya

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengujian

4.1.1 Pengukuran kecepatan angin

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

x ≈ (1.35 r )+ r

dimana:

x = jarak pengukuran dari pusat turbin (m)

r = radius turbin (m)

x≈ 1.35(0.75) + 0.75  1.0125 + 0.75 = 1.7625m ≡ 1.75 m Metode pengukuran kecepatan angin dilakukan dengan cara mengukur kecepatan angin di berbagai titik antara kipas dengan turbin seperti gambar dibawah.

Tabel.4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik

Titik V (m/s)

V1 V2 V3 Vave

0 13.02 13.15 12.83 13.00

1 9.55 9.70 9.38 9.54

2 7.73 7.87 7.82 7.81

3 6.67 6.48 6.46 6.54

4 5.23 4.97 5.13 5.11

4.a 4.42 4.57 4.64 4.54 _4.70 4.b 4.37 4.51 4.48 4.45

5 4.85 4.57 4.45 4.62

5.a 4.35 4.40 4.38 4.38 _4.41 5.b 4.41 4.12 4.15 4.23

6 4.38 4.32 4.45 4.38

6.a 3.55 3.46 3.56 3.52

6.b 3.83 3.88 3.92 3.88 _3.85 6.c 3.90 3.87 3.85 3.87

6.d 3.52 3.58 3.61 3.57

7 2.35 2.41 2.36 2.37

7.a 1.95 2.02 1.97 1.98

7.b 2.21 2.16 2.13 2.17 _2.12 7.c 2.15 2.10 2.13 2.13

7.d 1.98 1.90 2.05 1.98

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

V∞ = 3.85 m/s

4.1.2 Data pengujian tanpa beban

Tabel.4.2 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu

φ

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) nave (rpm) Vave (V) nave (rpm) Vave (V) nave (rpm) 0 24.46 63.4 21.68 56.2 20.55 53.3 2 27.31 70.8 25.60 66.4 24.50 63.5 4 28.53 74.1 26.84 69.6 25.73 66.7

6 32.60 84.5 30.93 80.2 29.78 77.2 8 30.11 78.3 28.40 73.7 27.27 70.7 10 26.26 68.1 24.55 63.7 23.41 60.7 12 24.67 64.0 22.90 59.4 21.77 56.5 Tegangan hasil pengukuran adalah tegangan AC (alternating current)

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt

Tabel.4.3 Data pengujian beban3 Watt

φ

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 16.48 0.119 42.7 15.16 0.107 40.5 15.11 0.103 39.3 2 18.96 0.137 49.2 16.81 0.113 42.8 16.27 0.111 42.4 4 21.32 0.154 55.3 17.42 0.121 45.7 16.83 0.112 42.8 6 23.49 0.170 60.9 23.60 0.164 61.8 22.57 0.154 58.9 8 23.13 0.167 60.0 18.52 0.132 49.7 17.47 0.124 47.3 10 17.21 0.125 44.6 16.33 0.112 42.1 15.89 0.108 41.1 12 16.78 0.121 43.5 15.76 0.108 40.9 15.46 0.106 40.6

4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt

Tabel.4.4 Data pengujian beban 5 Watt

φ

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 14.68 0.254 42.3 12.69 0.221 35.8 11.64 0.195 29.6 2 15.68 0.268 44.6 14.66 0.251 42.7 14.27 0.244 37.0 4 16.92 0.287 47.8 15.78 0.268 45.4 14.97 0.257 39.0 6 20.75 0.346 57.7 18.35 0.301 54.4 18.62 0.284 48.2 8 18.82 0.316 52.7 16.08 0.295 48.6 15.71 0.282 43.2 10 15.65 0.267 44.5 14.82 0.254 42.3 13.34 0.227 34.5 12 15.00 0.257 42.8 13.11 0.227 38.4 12.50 0.216 32.9

4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt

Tabel.4.5 Data pengujian beban 10 watt

φ

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm)

0 10.18 0.401 26.6 9.21 0.357 23.8 8.83 0.324 22.1 2 10.42 0.408 26.9 10.64 0.413 27.5 10.14 0.374 25.5 4 11.78 0.461 30.6 11.65 0.456 30.4 10.62 0.404 27.5 6 14.56 0.569 37.8 12.62 0.497 32.6 12.56 0.477 32.5 8 12.99 0.509 33.7 12.07 0.474 31.6 11.32 0.462 31.5 10 10.83 0.423 28.0 10.37 0.401 26.8 9.64 0.380 25.9 12 10.46 0.409 27.1 9.68 0.386 25.7 9.34 0.367 25.0

4.2 Analisa Data

4.2.1 Perhitungan daya angin (Pangin)

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

T = 320C = 305 K  ρudara = 1.1594 kg/m3 T

(K)

ρ

(kg/m3) 300 1.1774 305 1.1594 350 0.998

Kecepatan angin pada saat pengujian adalah 3,85 m/s, sehingga daya angin yang melewati luas rotor turbin menjadi:

Dturbin = 1.5 m

Hturbin = 1.5 m

A = Dturbin x Hturbin = 1.5 x 1.5 = 2.25 m2

Pangin = ½ ρ A v3

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

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio (λ)

Tip speed ratio (TSR, λ) merupakan rasio keepatan ujung rotor turbin

bilangan tanpa dimensi menunjukkan besarnya putaran turbin terhadap kecepatan angin.

λ = ω.r/v∞  ω = 2πn/θ0

Sebagai contoh perhitungan, diambil data 3 sudu pembebanan 3 Watt pada sudut serang 60.

n = 60.9 rpm

ω = 2π (60.9)/60

= 6.374 rad/s

λ = (6.374 x 0.75) / 3.85 = 1.24

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel. 4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ( t)

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

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

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

Vave = 23.49 Volt

Iave = 0.17 Ampere

Pturbin = (23.49 x 0.17) / 0.7 = 5.704 Watt

Hasil perhitungan setiap data dibuat dalam bentuk tabel. Tabel.4.6 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 16.48 0.119 1.96 2.81 _{74.43 3.77 42.7} 4.47 _0.87 2 18.96 0.137 2.60 3.72 _{74.43 4.99 49.1} 5.14 _1.00 4 21.32 0.154 3.29 4.70 _{74.43 6.31 55.3} 5.78 _1.13 6 23.49 0.170 3.99 5.71 _{74.43 7.67 60.9} 6.37 _1.24 8 23.13 0.167 3.87 5.53 _{74.43 7.43 59.9} 6.27 _1.22 10 17.21 0.125 2.14 3.06 _{74.43 4.12 44.6} 4.67 _0.91 12 16.78 0.121 2.04 2.91 _{74.43 3.91 43.5} 4.55 _0.89

Tabel.4.7 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 15.16 0.107 1.63 2.32 _{74.43 3.12 40.4} 4.23 _0.82 2 16.81 0.113 1.91 2.72 _{74.43 3.66 42.7} 4.48 _0.87 4 17.42 0.121 2.11 3.01 _{74.43 4.05 45.7} 4.78 _0.93 6 23.60 0.164 3.86 5.52 _{74.43 7.41 61.7} 6.46 _1.26 8 18.52 0.132 2.44 3.48 _{74.43 4.68 49.6} 5.20 _1.01 10 16.33 0.112 1.82 2.60 _{74.43 3.50 42.1} 4.41 _0.86 12 15.76 0.108 1.71 2.44 _{74.43 3.28 40.9} 4.28 _0.83

Tabel.4.8 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 15.11 0.103 1.56 2.23 _{74.43 2.99} 39.3 _{4.12 0.80} 2 16.27 0.111 1.81 2.58 74.43 3.47 42.4 _{4.44 0.86} 4 16.83 0.112 1.89 2.70 _{74.43 3.62} 42.8 _{4.48 0.87} 6 22.57 0.154 3.48 4.98 _{74.43 6.69} 58.9 _{6.17 1.20} 8 17.47 0.124 2.16 3.09 _{74.43 4.15} 47.3 _{4.95 0.96} 10 15.89 0.108 1.71 2.45 _{74.43 3.29} 41.1 _{4.30 0.84} 12 15.46 0.106 1.64 2.35 _{74.43 3.15} 40.6 _{4.25 0.83}

Tabel.4.9 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 14.68 0.254 3.73 5.32 _{74.43 7.15} 42.2 _{4.43 0.86} 2 15.68 0.268 4.19 5.99 _{74.43 8.05} 44.5 _{4.67 0.91} 4 16.92 0.287 4.85 6.93 _{74.43 9.31} 47.7 _{5.00 0.97} 6 20.75 0.346 7.19 10.27 _{74.43 13.79} 57.7 _{6.04 1.18} 8 18.82 0.316 5.95 8.50 _{74.43 11.42} 52.7 _{5.52 1.07} 10 15.65 0.267 4.18 5.97 _{74.43 8.02} 44.4 _{4.66 0.91} 12 15.00 0.257 3.85 5.50 _{74.43 7.39} 42.7 _{4.48 0.87}

Tabel.4.10 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 14.16 0.215 3.04 4.35 _{74.43 5.84} 35.8 _{3.75 0.73} 2 16.43 0.256 4.21 6.01 74.43 8.08 42.6 _{4.47 0.87} 4 17.39 0.272 4.73 6.76 _{74.43 9.08} 45.3 _{4.75 0.92} 6 19.69 0.312 6.15 8.78 74.43 11.80 54.4 _{5.70 1.11} 8 17.58 0.290 5.10 7.29 _{74.43 9.79} 48.6 _{5.09 0.99} 10 16.33 0.254 4.15 5.92 _{74.43 7.96} 42.3 _{4.43 0.86} 12 14.62 0.230 3.37 4.81 _{74.43 6.46} 38.3 _{4.02 0.78}

Tabel.4.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 11.64 0.195 2.27 3.24 _{74.43 4.36} 29.6 3.10 _0.60 2 14.27 0.244 3.47 4.96 _{74.43 6.67} 37.0 3.87 _0.75 4 14.97 0.257 3.84 5.49 _{74.43 7.38} 39.0 4.09 _0.80 6 18.62 0.284 5.29 7.55 _{74.43 10.15} 48.2 5.04 _0.98 8 15.71 0.282 4.43 6.33 _{74.43 8.50} 43.2 4.52 _0.88 10 13.34 0.227 3.02 4.32 _{74.43 5.80} 34.5 3.61 _0.70 12 12.50 0.216 2.70 3.86 _{74.43 5.19} 32.9 3.44 _0.67

Tabel.4.12 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt

φ

(0) Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

2 10.42 0.407 4.24 6.06 _{74.43 8.15} 26.9 _{2.82 0.55} 4 11.78 0.461 5.43 7.75 _{74.43 10.41} 30.5 _{3.20 0.62} 6 14.56 0.569 8.29 11.84 _{74.43 15.91} 37.7 _{3.95 0.77} 8 12.99 0.508 6.60 9.42 _{74.43 12.66} 33.6 _{3.53 0.69} 10 10.83 0.423 4.58 6.54 _{74.43 8.78} 28.0 _{2.94 0.57} 12 10.46 0.409 4.27 6.11 _{74.43 8.20} 27.1 _{2.84 0.55}

Tabel.4.13 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt

φ

(0) Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) Ƞt (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 9.21 0.357 3.29 4.70 _{74.43 6.31} 23.8 2.49 _0.49 2 10.64 0.413 4.39 6.27 _{74.43 8.43} 27.5 2.88 _0.56 4 11.65 0.456 5.31 7.58 _{74.43 10.19} 30.3 3.18 _0.62 6 12.62 0.501 6.32 9.03 _{74.43 12.14} 32.6 3.42 _0.67 8 12.07 0.474 5.73 8.18 _{74.43 10.99} 31.6 3.31 _0.64 10 10.37 0.401 4.16 5.95 _{74.43 7.99} 26.7 2.80 _0.55 12 9.68 0.386 3.74 5.34 _{74.43 7.17} 25.7 2.69 _0.52

Tabel.4.14 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt

φ

(0)

Vave (V) Iave (A) Pgen (W) Pturbin (W) Pangin (W) t (%) nave (rpm) ω (rad/s) λ

0 8.83 0.324 2.86 4.09 _{74.43 5.50} 22.1 2.32 _0.45 2 10.14 0.374 3.79 5.42 _{74.43 7.28} 25.5 2.67 _0.52 4 10.62 0.404 4.29 6.13 _{74.43 8.23} 27.5 2.88 _0.56 6 12.56 0.477 5.98 8.55 _{74.43 11.49} 32.5 3.40 _0.66 8 11.32 0.462 5.23 7.47 _{74.43 10.04} 31.5 3.30 _0.64 10 9.64 0.380 3.67 5.24 _{74.43 7.04} 25.9 2.72 _0.53 12 9.34 0.367 3.43 4.90 _{74.43 6.58} 25.0 2.62 _0.51

Gambar.4.2 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu 3 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum turbin diperoleh pada pembebanan 10 Watt dengan sudut pitchφ = 60

Gambar.4.3 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu 3 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa nilai tip speed ratio maksimum pada pembebanan 3 Watt dengan sudut pitchφ = 60

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

0 2 4 6 8 10 12 14

η

φ

Sudut pitch vs Efisiensi

Beban 10W Beban 5W Beban 3W

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 2 4 6 8 10 12 14

T

S

R

φ

Sudut pitch vs tip speed ratio

Beban 10 W Beban 5 W Beban 3 W

Gambar.4.4 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu 3 buah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum pada pembebanan 10 Watt dengan tip speed ratioλ = 0.77

Gambar.4.5 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu 4 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum turbin diperoleh pada pembebanan 10 Watt dengan sudut pitchφ = 60

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

η

TSR

Tip speed ratio vs Efisiensi Beban 10 W

Beban 5 W Beban 3 W

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

0 2 4 6 8 10 12 14

η

φ

Sudut pitch vs Efisiensi

Beban 10W Beban 5 W Beban 3 W

Gambar.4.6 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu 4 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa nilai tip speed ratio maksimum pada pembebanan 3 Watt dengan sudut pitchφ = 60

Gambar.4.7 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudud 4 buah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum pada pembebanan 10 Watt dengan tip speed ratioλ = 0.67

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 2 4 6 8 10 12 14

T

S

R

φ

Sudut pitch vs Tip speed ratio

Beban 10 W Beban 5 W Beban 3 W

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

η

TSR

Tip speed ratio Vs Efisiensi Beban 10 W

Beban 5 W Beban 3 W

Gambar.4.8 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu 5 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum turbin diperoleh pada pembebanan 10 Watt dengan sudut pitchφ = 60

Gambar.4.9 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu 5 buah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa nilai tip speed ratio maksimum pada pembebanan 3 Watt dengan sudut pitchφ = 60

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

0 2 4 6 8 10 12 14

η

φ

Sudut pitch vs Efisiensi

Beban 10 W Beban 5 W Beban 3 W

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 2 4 6 8 10 12 14

T

S

R

φ

Sudut pitch vs Tip speed ratio Beban 10 W Beban 5 W Beban 3 W

Gambar.4.10 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu 5 buah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum pada pembebanan 10 Watt dengan tip speed ratioλ = 0.66

Gambar.4.11 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa efisiensi maksimum berada pada jumlah sudu tiga buah

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

η

TSR

Tip speed ratio vs Efisiensi Beban 10 W

Beban 5 W Beban 3 W

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

0 1 2 3 4 5 6

η

Jumlah sudu (N)

4.3 Perbandingan Turbin Darrieus-H Dengan Savonius

Sugiarto.M dan M.Alfian (2011) melakukan penelitian pada turbin angin Savonius dengan memvariasikan jumlah sudu, sudu pengarah dan kecepatan angin. Variasi pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:

Turbin angin Savonius Jumlah sudu 3, 4, 6

Bentuk sudu Sudu lurus dan sudu lengkung

Sudu pengarah tanpa sudu pengarah dan dengan sudu pengarah Kec. Angin 3.2 m/s, 4.0 m/s, 4.8 m/s, 5.4 m/s dan 6.0 m/s

Turbin angin Darrieus-H Jumlah sudu 3, 4, 5

Profil sudu NACA 0012, NACA 0018, NACA 4415 Sudut pitch 00, 20, 40, 60, 80, 100, 120

Kec. Angin 3.85 m/s

Tabel. 4.15 Perhitungan turbin angin Savonius untuk 6 sudu lurus dengan sudu pengarah pada berbagai kondisi kecepatan angin

v (m/s) P (Watt) (%) TSR

6 17.10 15.08 0.27

5.4 12.19 14.74 0.22

4.8 9.08 15.64 0.31

4 5.36 15.96 0.21

3.2 1.46 8.48 0.12

Tabel. 4.16 Perhitungan turbin angin Darrieus-H untuk jumlah sudu 3 buah dengan profil sudu NACA 0012 pada kec. angin 3.85 m/s

φ (0) P (Watt) (%) TSR

0 5.83 7.84 0.54

2 6.06 8.15 0.55

4 7.75 10.41 0.62

6 11.84 15.91 0.77

10 6.54 8.78 0.57

12 6.11 8.20 0.55

Kesimpulan:

 efisiensi maksimum turbin angin Savonius berada pada kecepatan angin

V = 4 m/s yaitu sebesar = 15,96 %

 efisiensi maksimum turbin angin Darrieus-H pada kecepatan angin

V = 3.85 m/s , sudut pitchφ = 60 yaitu sebesar = 15.91 %

Tabel. 4.17 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dengan Darrieus-H

Spesifikasi Savonius Darrieus-H

Tipe Drag Lift

Sumbu poros Vertikal Vertikal

Sudu Lurus dan lengkung Airfoil NACA 4 digit Tranmisi Speed increasing (ratio 1:10) Direct drive

Generator PMG DC @ 2250 rpm PMG @ 250 rpm @ 50 Hz

Dimensi turbin D = 1 m D = 1.5 m

H = 0.9 m H = 1.5 m

A = 0.9 m2 A = 2.25 m2

Sudu pengarah D = 2 m -

H = 1 m -

Bahan Sudu Plat seng 0.35 mm Plat aluminium 0.5 mm Dimensi sudu Lurus Lengkung H = 1.5 m

L = 0.485 m L = 0.385 m Chord = 0.3 m H = 0.9 m H = 0.9 m

4.4 Mengapa prototipe turbin Darrieus-H ini kurang efisien?

Berikut ini beberapa alasan atau kondisi mengapa prototipe turbin angin Darrieus-H ini kurang efisien:

1. Proses pembuatan komponen-komponen turbin yang belum professional, karena keterbatasan alat dan biaya.

2. Efisiensi bentuk sudu yang kecil karena plat aluminium sudu mengalami deformasi sehingga profil NACA 0012 tidak terbentuk sempurna, sehingga gaya lift yang dihasilkan sudu berkurang.

3. Karena generator dibuat sendiri oleh penulis, sehingga efisiensinya sangat rendah, dan karena generator terdiri dari 1 fasa maka ketika dibebani terjadi getaran yang sangat tinggi yang mengurangi putaran dan daya turbin. Getaran ini disebabkan oleh perbedaan sudut fasa generator yang sangat besar yaitu sebesar 3600.

4.5 Usaha dan tantangan untuk meningkatkan efisiensi turbin angin Darrieus-H

1. Megurangi gaya drag sudu

Sudu merupakan komponen utama pada turbin angin. Pada saat sudu berputar, sudu menghasilkan gaya lift dan gaya drag. Semakin besar gaya lift

semakin baik, sebaliknya semakin kecil gaya drag semakin baik. Pada turbin angin Darrieus, gaya drag pada sudu biasanya paling besar pada bagian ujung sudu. Karena pada bagian ini terjadi aliran vortex udara sehingga timbul pusaran udara yang akan menghambat sudu. Untuk satu sudu turbin terdapat dua ujung sudu.

2. Pemilihan generator yang tepat

Sistem konversi energi angin yang mengkonversikan energi angin menjadi tenaga listrik menggunakan generator. Pemilihan generator yang tepat akan mempengaruhi efisiensi sistem turbin angin. Berikut ini merupakan perbandingan beberapa generator:

a) Doubly-fed Induction Generator with Three-stage Gearbox (DFIG3G) b) Direct Drive Synchronous Generator with electrical excitation (DDSG) c) Direct Drive Permanent Magnet Generator (DDPMG)

d) Permanent Magnet Generator with Single-stage Gearbox (PPMG1G) e) Doubly-fed Induction Generator with Single-stage Gearbox (DFIG1G)

Yang dibandingkan adalah biaya dan hasil energi tahunan yang dibangkitkan generator. DFIG3G merupakan solusi untuk biaya murah dengan menggunakan komponen-komponen standar. DFIG1G merupakan generator yang paling diminati karena perbandingan biaya dan hasil energi yang dibangkitkan. Sedangkan DDPMG merupakan generator dengan hasil energi tahunan yang

paling tinggi dan lebih murah dari DDSG, tetapi masih lebih mahal jika dibangdingkan dengan generator yang menggunakan gearbox (Polinder, 2006).

3. Pemilihan sistem transmisi

Jika untuk alasan biaya harus menggunakan generator dengan sistem transmisi, maka perlu diterapkan sistem transmisi dengan kecepatan variable (variable speed transmission). Karena kecepatan angin tidak konstan maka putaran yang dihasilkan turbin juga tidak konstan. Begitu juga dengan putaran generator akan terjadi fluktuasi, sehingga akan mengurangi efisiensi. Untuk itu perlu dikembangkan sistem tranmisi dengan kecepatan variabel. Dengan menggunakan sistem transmisi ini, meskipun putaran turbin terjadi fluktuasi, tetapi putaran generator akan konstan.

4. Penerapan sistem variable pitch

Pada turbin angin Darrieus, sudut serang sudu untuk satu putaran terus berubah-ubah seiring dengan perubahan sudut azimuth sudu (θ). Pada sudut azimuth tertentu, sudut serang sudu akan melewati sudut serang kritis sudu sehingga terjadi stall pada sudu (stall = kehilangan gaya angkat). Pada kondisi

stall, sudu akan menghasilkan gaya drag yang sangat besar sehingga akan mengurangi performansi turbin. Untuk mengatasi permasalahan ini, maka dikembangkan sistem yang disebut dengan variable pitch. Dengan sistem ini, sudut serang sudu akan sama untuk setiap sudut azimuth sudu. Tetapi sistem ini membutuhkan konstruksi yang lebih rumit. Ada dua jenis sistem variable pitch:

a) Passive variable pitch, dimana sistem variable pitch hanya berfungsi seiring dengan perubahan sudut azimuthsudu (θ).

b) Active variable pitch, dimana sistem variable pitch berfungsi seiring dengan perubahan sudut azimuthsudu (θ) dan tip speed ratio turbin (TSR). Sistem ini lebih baik dari sistem passive variable pitch, tetapi membutuhkan sistem yang lebih rumit.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan analisa data turbin angin Darrieus-H diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efisien mengekstrak energi angin daripada turbin angin dengan jumlah sudu 4 buah dan 5 buah. Efisiensi maksimum untuk tiap jumlah sudu yaitu:

 3 sudu, max = 15,91 %  4 sudu, max = 12,14 %  5 sudu, max = 11,49 %

Dengan penurunan putaran dari tanpa beban ke beban 10 W @ max:  3 sudu, dari nave = 84.5 rpm  nave = 37.8 rpm (turun 55.26%)  4 sudu, dari nave = 80.2 rpm  nave = 32.6 rpm (turun 59.35%)  5 sudu, dari nave = 77.2 rpm  nave = 32.5 rpm (turun 57.90%) 2. Turbin angin dengan profil sudu NACA 0012 lebih efektif mengekstrak

energi angin pada sudut pitch yang relatif rendah, hal ini disebabkan oleh berubahnya nilai sudut serang (angle of attack) sebagai fungsi dari sudut

azimuth (θ). Efisiensi maksimum untuk jumlah sudu 3, 4, dan 5 diperoleh

pada sudut pitchφ = 60 5.2 Saran

Pada saat penulis melakukan pembuatan serta pengujian prototipe turbin angin Darrieus-H, penulis mengalami banyak kendala. Untuk itu penulis memberikan beberapa saran di bawah ini.

1. Proses pembuatan alat uji sebaiknya dilakukan secara professional, misalnya, pembuatan mal sudu sebaiknya dibuat dengan mesin CNC agar profil sudu terbentuk dengan sempurna.

2. Pembuatan sudu turbin sebaiknya lebih presisi dan menghindari sambungan-sambungan seperti sambungan antar plat yang melapisi mal sudu yang dapat mengurangi performansi turbin angin.

3. Sebaiknya putaran turbin disesuaikan dengan putaran generator. Pada penelitian ini penulis mengkopel generator dengan poros turbin dengan sistem direct drive. Sementara spesifikasi generator untuk menghasilkan arus listrik dengan frekuensi 50 Hz pada putaran 250 rpm. Sedangkan prototipe turbin angin ini mempunyai putaran maksimum sebesar 87 rpm. Sehingga memerlukan sistem transmisi speed increasing untuk menyesuaikan putaran turbin dengan putaran generator.

4. Sebaiknya pemilihan material sudu agar diperhatikan, agar berat sudu tidak terlalu besar tetapi memiliki ketahanan yang tinggi terhadap beban. Untuk selanjutnya disarankan pembuatan material sudu dari fiber glass

atau dari carbon fiber.

5. Sebaiknya menggunakan generator tipe permanent magnet generator

dengan putaran rendah yang dibuat oleh pabrik agar efisiensinya tinggi yaitu antara 95 – 98%. Tetapi harganya lebih mahal dari generator tipe

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, Wiranto. 2000. Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi. Jakarta: Dirjen Dikti Depdiknas

Daryanto, Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Yogyakarta: Balai PPTAAG

DESDM. 2005. Blueprint Pengelolaan Energi Nasional (PEN) 2005 - 2025. Jakarta

Hau, Eric. 2006. WindTurbines: Fundamentals, Technologies, Applications, Economics. Edisi 2. Springer: Berlin, Germany

Magdi Ragheb dan Adam M. Ragheb.2011.Wind Turbines Theory – The Betz Equation and Optimal Tip Speed Ratio.Intech

KESDM. 2010. Indonesia Energy Outlook 2010. Jakarta

Paraschivoiu, Ion. 2002. Wind Turbine Design: With Emphasis on Darrieus Concept. Presses Internationales Polytechnique. Montreal, Canada Polinder, H. dan van der Pijl, F.F.A. dan de Vilder, G-J. dan Tavner, P.J. 2006.

Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines. IEEE trasnsactions on energy conversion

Tong, Wei. 2010. Wind Power Generation And Wind Turbine Design. Southampton: WIT Press

http://www.bmkg.go.id/ http://www.wintufel.net/

http://nugrohoadi.wordpress.com/ http://indone5ia.wordpress.com/ http://www.greenrhinoenergy.com/

89

90

91

92

93

94

Ekawira K Napitupulu