Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu Naca 4415 dan analisa perbandingan menggunakan variasi jumlah sudu dan sudut PITCW

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H

DENGAN PROFIL SUDU NACA 4415 DAN ANALISA

PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN

VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ANDINATA SITEPU

NIM. 080401060

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

Abstrak

Turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H dapat mengekstrak angin dari segala arah dan dapat digunakan pada kecepatan angin yang relatif rendah yang merupakan pertimbangan untuk mekakukan penelitian ini dengan kondisi angin di Indonesia.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap daya dan putaran turbin angin tipe Darrieus H. Jumlah sudu yang digunakan pada pengujian ini adalah 3, 4, 5. Jenis airfoil yang digunakan adalah airfoil NACA 4415 dengan panjang chord 30 cm dengan kecepatan angin pada pengujian adalah 3,85 m/s, dan sudut pitch sudu yang diuji mulai dari 00, 20, 40, 60, 80, 100,120. Dengan kecepatan angin 3,85 m/s turbin ini dapat diaplikasikan di provinsi Nusa Tenggara Timur kabupaten Sumba Timur di daerah Kamanggih. Langkah langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pembuatan dan pengujian turbin dengan mengkopel dengan generator listrik tipe aksial dengan jumlah kutub 24 buah. Dari data hasil pengujian turbin angin Darrieus H dengan bentuk sudu airfoil NACA 4415 menghasilkan efisiensi maksimal sebesar 11.37%, 12.19%, 14,69% pada beban bola lampu 10 Watt yaitu dengan jumlah sudu masing masing 3, 4, 5 buah dan efisiensi maksimal ini didapat pada saat sudut pitch sudu turbin diatur sebesar 8 0

. Dengan besar daya turbin maksimal yang dihasilkan turbin dengan jumlah sudu 3 buah sebesar 8, 46 Watt, untuk jumlah sudu 4 buah didapat daya maksimal sebesar 9, 07 Watt, dan pada turbin dengan jumlah sudu 5 buah didapat daya maksimal sebesar 10, 93 Watt.

Kata kunci : Turbin angin Darrieus H, airfoil NACA 4415, sudut pitch, jumlah sudu

(3)

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 4415 DAN ANALISA PERBANDINGAN 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. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT, selaku dosen pembanding I dan Bapak Tulus Burhanudin Sitorus ST, MT, selaku dosen pembanding II yang memberikan masukan kepada penulis.

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

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

7. Kedua orang tua penulis, M. Sitepu dan M. br Siregar yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

(4)

8. Rekan-rekan satu tim kerja, Ekawira K Napitupulu dan Libert Sijabat yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

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

10. Abang Nopran Tanio Sitepu, Radumta Sitepu, adik Meriah Rosantio Sitepu dan tak terlupakan Hasianku Melvi Handayani Lumbanraja, SE yang telah banyak memberi semangat, motivasi dan sabar membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

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, September 2013

(5)

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 ... 2

1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ... 2

1.3.1 Rumusan Masalah ... 2

1.3.2 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

1.6 Metode Pengumpulan Data ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Potensi Angin ... 6

2.2 Energi Angin... 9

2.3 Wind Shear………... 10

2.4 Pengertian Turbin Angin... 11

2.5 Jenis jenis Turbin Angin... 12

2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)... 12

2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)... 14

2.6 Airfoil NACA …... 17

2.6.1Airfoil NACA seri 4 digit... 17

2.7 _{Sudut serang}_{(angle of attack)}_{dan sudut}pitch……… ₁₈

(6)

2.9 Prinsip Konversi Energi Angin... 24

2.9.1 Teori Momentum Betz... 24

2.9.2 Tip Speed Ratio... 28

2.10 Generator……… 29

BAB III METODOLOGI PENELITIAN………...…… 30

3.1Tempat Penelitian………. 30

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian………... 30

3.3 Pelaksanaan Penelitian………. 41

3.3.1 Tahap Persiapan………. 41

3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data……… 41

3.4 Diagram Alir Penelitian………... 44

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA……… 45

4.1 Hasil Pengujian……… 45

4.1.1 Pengukuran kecepatan angin……….. 45

4.1.2 Data pengujian tanpa beban………... 48

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt………. 49

4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt………. 49

4.1.η Data pengujian beban 10 Watt………... 50

4.2 Analisa Data……… 50

4.2.1 Perhitungan daya angin (Pangin)……….. 50

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio (λ)………... 51

4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin (Ƞt)……… 51

4.3 Grafik Pengujian……….. 56

4.3.1 Grafik pengujian tiga sudu………. 56

4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu………. 58

4.3.3 Grafik pengujian η sudu………. 60

4.4 Perbandingan turbin angin Savonius dengan turbin angin Darrieus H………... 63

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………. 66

η.1 Kesimpulan……….. 66

η.2 Saran………. 67

(7)

LAMPIRAN……… 69

L1. Data Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 70

L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ... 82

L3. Tabel Sifat Udara ... 83

(8)

DAFTAR SIMBOL AoA angle of attack, (0)

TSR tip speed ratio

VAWT vertical axis wind turbine

HAWT horizontal axis wind turbine

NACA National Advisory Committee of Aeronautics

rpm revolution per minute

a interference factor

A luas sapuan rotor, m2

c panjang chord sudu, m

C’ kecepatan relatif 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

(9)

̇ 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)

θ sudut azimuthal sudu, (0) tip speed ratio

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia………... Gambar 2.2 Aliran angin melalui silinder dengan luas A... Gambar 2.3 Wind shear dan Jenisnya………... Gambar 2.4 Perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian... Gambar 2.5 Gaya aerodinamis rotor turbin ketika dilalui udara…... Gambar 2.6 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu………... Gambar 2.7 Turbin angin jenis upwind dan downwind………... Gambar 2.8 Savonius wind turbine ……… ... Gambar 2.9 Darrieus wind turbine... Gambar 2.10 Giromill wind turbine helical... Gambar 2.11 Turbin angin Darieuss H-Rotor... Gambar 2.12 Airfoil Naca 441η………... Gambar 2.13 Arah sudut pitch...……….... Gambar 2.14 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio,

sudut azimuth, dan sudut pitch……... Gambar 2.15 Perubahan sudut serang... Gambar 2.16 Koefisien gaya resultan aerodinamis pada sudu……… ... Gambar 2.17 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin... ... Gambar 2.18 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin………... Gambar 2.19 Koefisien performansi vs rasio kecepatan... Gambar 2.20 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz... Gambar 3.1 Koefisien daya dari berbagai macam rotor turbin

Gambar 3.2 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H……….. ... Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 441η………… ... Gambar 3.4 Digital Multimeter ………...

Gambar 3.5 Digital Tachometer……….... ...

Gambar 3.6 Thermo-Anemometer……….... ...

Gambar 3.7 Motor listrik……….. ...

Gambar 3.8 Permanent Magnet Generator(PMG)……… ……….. ... Gambar 3.9 Busur………. ...

7 9 10 11 13 13 14 15 15 16 16 17 18 19 20 22 23 25 27 27 32 35 36 37 38 38 39 39 40

(11)

Gambar 3.10 Prosedur Pengujian………...……... Gambar 3.11 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan…...

Gambar 3.12 Diagram alir penelitian………... Gambar.4.1 Pengukuran kecepatan angin………... Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi... Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah………... Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap tip speed ratio

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

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah……... Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah……... Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudutpitch (ϕ) terhadap tip speed ratio

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah…...…….

Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu η buah……... Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap efisiensi

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu η buah……... Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap tip speed ratio

turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah……...….. Gambar 4.11 Grafik sudut pitch(ϕ) vs ɳpada turbin dengan jumlah sudu 3, 4, 5

dan yang dilakukan pada pembebanan 3, η, 10 Watt………...

Gambar 4.12 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum... 42 43 44 45 56

62 63

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Proyeksi Energi Primer Indonesia menurut Skenario RIKEN………...

Tabel.2.2 Sepuluh negara di dunia yang menggunakan turbin angin……….

Tabel 3.1 Daya angin dengan dimensi turbin yang berbeda... Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H………...

Tabel.3.3 Spesifikasin sudu...………... Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter………... Tabel 3.η Spesifikasi anemometer……….

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

Tabel. 4.2 Hasil Pendekatan teoritis ……… Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum……… Tabel.4.4 Data pengujian 3, 4, dan η sudu……… Tabel.4.η Data pengujian beban 3 Watt………

Tabel.4.θ Data pengujian beban η Watt………

Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt……….. Tabel.4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt………. Tabel.4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt……….

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

Tabel.4.11 Data pengujian 3 sudu beban η Watt………... Tabel.4.12 Data pengujian 4 sudu beban η Watt………... Tabel.4.13 Data pengujian η sudu beban η Watt………... Tabel.4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt………. Tabel.4.1η Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt……….

8 8 31 35 36 36 38 46 47 47 48 49 49 50 52 53 53 53 54 54 54 55

(13)

Tabel.4.1θ Data pengujian η sudu beban 10 Watt……….

Tabel.4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu

lurus dan jumlah sudu θ buah dengan sudu pengarah……....………. Tabel.4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil

NACA 441η dan jumlah sudu η buah beban 10 W ...…………. Tabel.4.19 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dengan Darrieus –H...

65 65

(14)

Abstrak

Kata kunci : Turbin angin Darrieus H, airfoil NACA 4415, sudut pitch, jumlah sudu

(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia saat ini menghadapi masalah energi, salah satunya adalah masalah penyediaan energi listrik. Indonesia cenderung masih memanfaatkan bahan bakar fosil seperti batu bara dan gas alam sebagai bahan bakar pada pembangkit listrik. Namun bahan bakar fosil suatu saat pasti akan habis. Oleh karena itu pemanfaatan energi terbarukan seperti energi angin, air, surya, dan geotermal sangat perlu dikembangkan. Energi yang dihasilkan angin memang tidak sebesar energi air. Namun pemanfaatan energi angin bisa dilakukan dalam skala kecil.

Untuk mendapatkan energi dari angin, manusia membuat sistem konversi energi angin. Sistem konversi energi angin yang digunakan dapat dibagi dalam dua jenis, yaitu sistem konversi energi angin sumbu mendatar dan sistem konversi energi angin sumbu tegak . Pemilihan sistem konversi energi angin yang akan digunakan utamanya didasarkan pada ukuran kecepatan angin yang tersedia di lokasi tempat sistem konversi energi angin tersebut digunakan. Disini penulis memilih sistem konversi energi angin sumbu tegak yaitu turbin angin Darrieus tipe-H untuk dirancang dan diuji. Pemilihan turbin angin Darrieus tipe-H (gyromill) pada penelitian ini didasarkan pada pertimbangan bahwa efisiensi turbin angin Darrieus tipe H cukup besar. Hal ini bisa dilihat pada grafik faktor daya untuk berbagai jenis turbin angin. Turbin angin tipe Darrieus H dapat dioperasikan pada kecepatan angin relatif rendah. Hal ini sangat sesuai dengan kondisi kecepatan angin yang ada di Indonesia dimana kecepatan angin masih relatif rendah. Di daerah Indonesia bagian timur tepatnya di provinsi Nusa Tenggara Timur Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih mempunyai kecepatan angin sebesar 3,85 m/s. Kecepatan angin di daerah Kamanggih ini yaitu sebesar 3,85 m/s dapat kita gunakan sebagai pembangkit listrik dengan menggunakan turbin angin tipe Darrieus H. Turbin Darrieus tipe H hasil penelitian ini diharapkan dapat diaplikasikan di masyarakat.(LAPAN,2013)

(16)

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian tentang turbin angin Darrieus tipe-H ini adalah:

1. Untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin.

2. Untuk mengetahui pengaruh sudut pitch(ϕ) terhadap daya dan putaran yang dihasilkan turbin.

1.3. Rumusan dan Batasan Masalah 1.3.1. Rumusan masalah

Dalam penelitian turbin angin Vertikal Axis tipe Darrieus H yang terkonsentrasi pada pengaruh jumlah sudu, bentuk sudu, dan pengaruh sudut pitch

terhadap daya dan putaran yang dapat dibangkitkan turbin ini yang kemudian dikonversikan dalam bentuk energi listrik. Daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin tentu bervariasi terhadap penggunaan jumlah dan profil sudu yang digunakan serta kecepatan angin yang akan melalui turbin ini.

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

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

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

(17)

1.3.2 Batasan masalah

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

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

b. Tinggi rotor : 1,5 m

c. Profil sudu : NACA 4415 d. Panjang chord : 30 cm 2. Variasi dalam pengujian adalah:

a. Jumlah sudu : 3, 4, 5

b. Sudut pitch(ϕ) : 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 3. Kecepatan angin 3,85 m/s

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini dapat ditinjau dari:

1. Aspek keilmuan atau akademis

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

(18)

2. Aspek praktik atau implementasi

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

1.5. Sistematika Penulisan

Penulis menyusun hasil penelitian ini dengan sistematis penulisan sebagai berikut:

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

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

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

BAB IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA: Bab ini berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari pengukuran daya dan putaran yang dihasilkan turbin angin. Kemudian dilakukan analisa data hasil penelitian untuk membandingkan hasil perhitungan dengan hasil pengujian.

(19)

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN: Bab ini berisikan jawaban dari tujuan dilakukannya penelitian dan merupakan kesimpulan dan saran dari hasil analisa serta permasalahan yang ada pada skripsi ini.

1.6. Metodologi Pengumpulan Data

Metodologi merupakan tahapan-tahapan pengerjaan skripsi yaitu:

1. Studi literatur

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

(20)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Angin

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi. Salah satu dari berbagai jenis energi tersebut adalah energi angin. Perpindahan molekul udara memiliki energi kinetik, sehingga secara lokal jumlah molekul udara berpindah melalui luasan selama selang waktu tertentu menentukan besarnya daya.

Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah katulistiwa, udaranya menjadi panas mengembang dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin. Sebaliknya daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah.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 tinggi. Angin dapat bergerak secara horizontal maupun vertikal dengan kecepatan yang dinamis dan fluktuatif.

Dalam sebuah presentasi yang diadakan sebuah perusahaan yang bernama WhyPgen dan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) pada tanggal 14 Mei 2013 , Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki potensi untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin. Potensi tenaga angin yang tersedia di Indonesia mencapai 9.286 MW akan tetapi sampai saat ini energi angin yang telah digunakan lebih kurang sebesar 2 MW (BMKG, 2013).

(21)

Berikut ini akan ditampilkan peta prakiraan aliran dan kecepatan angin diseluruh Indonesia.

Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia (Sumber: http://www.bmkg.go.id)

Angin di wilayah Indonesia pada umumnya bergerak dari arah timur menuju arah barat daya dengan kecepatan angin antara 2.5 m/s sampai dengan 7.5 m/s. Kecepatan angin 7.5 m/s di Indonesia terdapat di daerah Samudera Hindia Selatan Jawa hingga Selatan Nusa Tenggara Timur, Laut Jawa, Laut Bali, Laut Banda, Laut Flores dan Perairan Selatan Merauke.

Pada tabel dibawah ini ditunjukkan besarnya proyeksi energi yang akan didapat dari berbagai sumber energi yang terdapat di Indonesia. Potensi Energi Baru Terbarukan (EBT) masih relatif kecil jika dibandingkan dengan sumber energi lainnya. Berikut ini akan ditampilkan proyeksi energi Indonesia sampai tahun 2025 menurut skenario RIKEN.

(22)

Tabel 2.1 Proyeksi Energi Primer Indonesia menurut Skenario RIKEN

Dalam Juta SBM

Jenis Energi 2005 2010 2015 2020 2025

Minyak Bumi 524 550.7 578 605.8 638.9

Batubara 160.4 210.3 349.7 743.8 1099.4

Gas Bumi 212.8 363.7 382.5 477.1 832

CBM 0 0 23 74.6 127.8

Tenaga Air 34 41.7 56.6 60.5 65.8

Panas Bumi 23.7 23.7 61.8 115.8 167.5

Nuklir 0 0 0 27.9 55.8

EBT lainnya 1.6 3.5 7.4 11.7 17.4

Biofuel 0 32.5 89 102.4 166.9

Bahan Bakar Batubara Cair 0 0 14.2 47.4 80.5

TOTAL 956.5 1226.1 1562.1 2266.9 3252.2

(Sumber :Blueprint pengelolaan energi nasional 2005-2025)

Kebutuhan akan energi di dunia setiap tahunnya mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Untuk memenuhi akan kebutuhan energi tersebut negara negara di dunia ini berusaha mencari sumber energi yang dapat dikembangkan. Sumber energi yang dapat di kembangkan ini adalah salah satunya energi angin. Berikut ini adalah sepuluh negara di dunia yang telah menggunakan turbin angin pada tahun 2012.

Tabel.2.2 Sepuluh negara di dunia yang menggunakan turbin angin

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

(23)

2.2 Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh adanya perbedaan suhu udara akibat terjadinya pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Udara yang bergerak ini memiliki kecepatan tertentu, sehingga udara tersebut memiliki energi kinetik.

Daya P0 yang dikandung oleh angin dengan massa m, dalam volum silinder yang mempunyai luas A, dalam waktu t, dengan kerapatan udara ρ, dan volume silinder Vo adalah merupakan energi kinetik (Ek) angin dibagi waktu, secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

t mu P 2 0 2 1 k 0 t E 

 (2.1)

L A V0  .

L

A

V

m





₀





.

Substitusi nilai massa m ke persamaan 2.1. Kecepatan angin, u0 = L/t,

melalui luasan A selama waktu t, sehingga persamaan daya diperoleh :

3 0 2 0 2 0 2 1 k

0 . .

2 1 . 2 1 . . . t E u A u t L A t u L A

P     

        (2.2) Daya per satuan luas, sebagai potensi daya angin atau kerapatan daya angin (wind power density), yaitu :

3 0 0 . 2 1 u P  

(2.3)

Gambar 2.2 Aliran angin melalui silinder dengan luas A

(24)

2.3 Wind Shear

Wind shear adalah perubahan arah atau kecepatan angin saat melalui jarak tertentu. Wind shear dapat terjadi secara horizontal maupun vertical. Perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian(horizontal wind shear)merupakan faktor utama dalam memperkirakan produksi energi melalui turbin angin. Telah dilakukan pengukuran perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian yang disebabkan perbedaan kondisi atmosfer.

Gambar 2.3 Wind shear dan jenis-jenisnya (Sumber: Vaughn Nelson )

Metode umum yang memperkirakan kecepatan angin untuk ketinggian yang lebih tinggi dengan mengetahui kecepatan angin pada ketinggian yang lebih rendah disebut power law. Power law untuk wind shear adalah:

       

0 0

H H u u

(2.4)

Dimana :

u0 = kecepatan angin yang telah diukur pada ketinggian tertentu H0 = ketinggian pada kecepatan angin u0

H = ketinggian.

Eksponen wind shear α, berkisar 1/7 (0.14) untuk atmosfer dalam kondisi stabil. Bagaimanapun nilai α berubah – ubah tergantung pada daerah dan kondisi

(25)

atmosfer. Dari persamaan (2.4) perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian dapat diperkirakan seperti pada gambar 2.3, dengan catatan nilai α= 0,14.Dimana eksponen wind shear 0,14 merupakan standard dunia yang diukur pada ketinggian 10 m dan pada saat pengukuran kondisi cuaca stabil, sehingga dengan menggunakan data eksponen wind shear α pada ketinggian 10 m ini, kita dapat memperkirakan potensi daya angin sampai pada ketinggian 50 m.

Gambar 2.4 Wind shear, perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian. Dihitung untuk kecepatan angin 10 m/s pada ketinggian 10 m, α= 0,14.

(Sumber: Vaughn Nelson )

2.4 Pengertian Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin konversi energi dengan sudu berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Energi mekanik digunakan langsung sebagai penggerak seperti pompa atau grinding stones, maka dalam hal ini (turbin) disebut windmill.

Ekstraksi potensi angin pada mulanya digunakan untuk menggerakkan kapal dengan tenaga angin, dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk menyuplai kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi energi dan memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin.

(26)

2.5 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. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)

2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya paralel terhadap permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara dan diarahkan menuju dari arah datangnya angin untuk dapat memanfaatkan energi angin. Rotor turbin angin kecil diarahkan menuju dari arah datangnya angin dengan pengaturan baling – baling angin sederhana sedangkan turbin angin besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah rotor turbin mengarah pada angin. 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 ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift, seperti terlihat pada gambar 2.5.

(27)

Gambar 2.5 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara. (Sumber: Eric Hau. 2006. Wind Turbine)

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 2.6 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu (Sumber: Sathyajith Mathew , hal 17)

(28)

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

1. Upwind

2. Downwind

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

Upwind Downwind

Gambar 2.7 Turbin angin jenis upwind dan downwind

(Sumber://http.www. google.com)

2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin poros vertikal atau yang lebih dikenal dengan vertical axis wind turbine (VAWT) memiliki ciri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah. TASV terdiri dari beberapa tipe yang paling umum dijumpai yaitu: Savonius Rotor, Darrieus Rotor, Giromill, dan H-Rotor.

a. Savonius Rotor

Turbin angin ini mempunyai konstruksi sederhana yang ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius (1922). Turbin yang termasuk dalam kategori TASV ini memiliki rotor dengan bentuk dasar setengah silinder. Konsep turbin angin savonius cukup sederhana, prinsip kerjanya berdasarkan

(29)

lagi berbentuk setengah silinder tetapi telah mengalami modifikasi guna peningkatan performance dan efisiensi.

Gambar 2.8 Savonius wind turbine (Sumber:// http.www. wikipedia.org) b. Darrieus Rotor

Merupakan salah satu TASV dengan efisiensi terbaik serta mampu menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan kecepatan angin yang tinggi. Turbin angin Darrieus mengaplikasikan blade dengan bentuk dasar aerofoil NACA. Mengacu pada bentuk blade, prinsip kerja turbin angin Darrieus memanfaatkan gaya lift yang terjadi ketika permukaan airfoil NACA dikenai aliran angin. Kelemahan utama dari turbin angin Darrieus yaitu yakni memiliki torsi awal berputar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan self start. Pada aplikasiya, Darrieus wind turbin selalu membutuhkan perangkat bantuan untuk melakukan putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa motor listrik atau umumnya lebih sering menggunakan gabungan turbin angin Savonius pada poros utama.

Gambar 2.9 Darrieus wind turbine (Sumber:// http.www. wikipedia.org)

(30)

c. Giromill

Bentuk pengembangan lanjut turbin angin Darrieus dengan latar belakang untuk meminimalisasi kekurangan. Turbin angin Giromill memiliki tiga konfigurasi bentuk blade, yaitu: straight, helical twisted V, atau curved bladed.

Gambar 2.10 Giromill wind turbin helical (Sumber://http.www. google.com) d. Turbin angin Darieuss H-Rotor

Bentuk pengembangan lanjut dari turbin angin tipe Darrieus dengan keperluan produksi daya yang kecil. 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.

Gambar 2.11 Turbin angin Darieuss H-Rotor (Sumber : Dokumen penulis)

(31)

2.6.Airfoil NACA

NACA airfoil adalah bentuk airfoil sayap pesawat udara yang dikembangkan oleh National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Sampai sekitar Perang Dunia II, airfoil yang banyak digunakan adalah hasil riset Gottingen. Selama periode ini banyak pengujuan arifoil dilakukan diberbagai negara, namun hasil riset NACA lah yang paling terkemuka. Bentuk dari airfoil ditentukan oleh seri digit yang sesuai ketentuan NACA airfoil, parameter penomorannya dalam persamaan yang lebih tepat untuk perhitungan potongan melintang airfoil.

2.6.1 Airfoil NACA seri 4 digit

Pada airfoil NACA seri empat digit, digit pertama menyatakan persen maksimum chamber terhadap chord. Digit kedua menyatakan persepuluh posisi maksimum chamber pada chord dari leading edge. Sedangkan dua digit terakhir menyatakan persen ketebalan airfoil terhadap chord. Contohnya air foil yang digunakan pada penelitian ini adalah airfoil NACA 4415. Airfoil NACA 4415 ini memiliki arti sebagai berikut:

 Maksimum chamber 4 %.

 Posisi maksimum chamber berada 40 % dari panjang chord diukur dari leading edge.

 Dan memiliki ketebalan maksimum 15 % dari panjang chord.

Gambar 2.12 Airfoil Naca 4415 (Sumber :http://www.accessscience.com)

(32)

2.7 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.

α = arc tan [sinθ / (λ + cosθ)] (2.5) dimana: λ = tip speed ratio

= sudut azimuth sudu

Menuju pusat rotasi

Menjauhi pusat rotasi (-) φ (+) φ

Garis Chord ω

Gambar. 2.13 Arah sudut pitch

(Sumber: Ekawira K Napitupulu)

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 [sinθ / (λ + cosθ)]} - φ  00> < 1800

(33)

Pada sudut azimuth = 00 _{dan = 180}0

, nilai sudut serang sama dengan sudut

pitch.

α = φ  = 00, dan = 1800

φ α

Garis Chord

= 45 = 135

= 225

= 315 Angin

α φ

φ φ

Komponen Kec angin dan Kec. Tangensial

Komponen Kec. Relatif

Gambar. 2.14 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut

azimuth, dan sudut pitch (Sumber: Eka wira K Napitupulu)

(34)

Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi sudut azimuth sudu.

v’

u’

c c

v’ v’

v’

u’

u’ u’

u’

u’ u’

u’

1 2

8 Angin

Gambar.2.15 Perubahan sudut serang (Sumber: Eka wira K Napitupulu)

(35)

Kecepatan angin v’ = 3.85 m/s Putaran Turbin n = 60 rpm Radius Turbin r = 0.75 m

Kecepatan Sudut ω = 2πn/60= 2π.θ0/θ0 = θ.284 rad/s Kecepatan Tangensial u’ = ω.r = (6.284)(0.75) = 4.713 m/s

Tip speed ratio λ = ω.r/v = (6.284)(0.75)/3.85 = 1.224

c = v’{(λ + cosθ)2_{+ (sinθ)}2 }1/2

Untuk tiap titik diperoleh:

1. = 00 α = 00 c = 8.56 m/s 2. = 4η0 α = 20.110 c = 7.91 m/s 3. = 900 α = 39.240 c = 6.08 m/s 4. = 13η0 α = η3.830 c = 3.37 m/s 5. = 1800 α = 00 c = 0.86 m/s 6. = 22η0 α = -53.830 c = 3.37 m/s 7. = 2700 α = -39.240 c = 6.08 m/s 8. = 3150 α = -20.110 c = 7.91m/s

2.8Gaya Aerodinamis pada sudu

Gaya resultan aerodinamis yang bekerja pada sudu biasanya dibagi menjadi dua komponen, yaitu komponen gaya lift dan komponen gaya drag. Untuk analisis turbin Darrieus, resultan komponen gaya lift dan gaya drag diuraikan menjadi komponen gaya normal dan gaya tangensial pada garis chord sudu tersebut. Koefisien gaya untuk komponen ini adalah C_N dan C_T, masing-masing dapat dinyatakan sebagai:

CN= CL.Cos α + CD. Sin α (2.6)

CT = CL. Sin α – CD. Cos α (2.7)

Namun, CN dan CT hanya berguna untuk menentukan torsi yang dihasilkan oleh sudu pada saat sudut pitch sudu itu pada posisi nol derajat. Ketika

(36)

sudut pitch sudu tidak bernilai nol, CN dan CT relatif terhadap acuan kerangka sudu, di mana pada kondisi ini CN dan CT bukan komponen gaya tangensial dan radial (normal) sudu pada rotor.

Resultan gaya aerodinamika (CResultant) perlu diurai untuk memperhitungkan lokasi sudu relatif terhadap arah angin dan sudut pitchnya Pada kondisi ini, koefisien gaya radial (CRAD) dan koefisien gaya melingkar (CCirc) digunakan sebagai pengganti CN dan CT. Secara perumusan matematika dapat dituliskan sebagai berikut:

CCirc = CT.Cos ϕ - CN. Sin ϕ (2.8) CRad = CT. Sin ϕ + CN. Cos ϕ

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini

Gambar 2.16 Koefisien gaya resultan aerodinamis pada sudu (Sumber : Dhruv Rathi, hal 20)

(37)

Gambar.2.17 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin 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 + cosθ)2_{+ (sinθ)}2

}1/2 (2.9)

v’ = kecepatan angin (m/s)

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

u’ = rω (2.10)

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

(38)

2.9 Prinsip Konversi Energi Angin 2.9.1 Teori Momentum Betz

Energi angin dilihat dari energi kecepatan aliran angin, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan energi kinetik (Ek) :

(2.11) Dimana: m = massa angin yang mengalir (kg)

v = kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik angin inilah yang diekstrak sudu turbin angin untuk diubah menjadi energi mekanis.

Dilihat dari pemodelan Betz’, kecepatan angin v, dan kerapatan ρ dengan luas sapuan rotor turbin A, daya angin yang dapat diekstrak turbin angin adalah:

(2.12)

Dimana C_padalah faktor efisiensi disebut juga koefisien daya. Catatan bahwa daya P_T_{adalah sebanding dengan luas penampang A dan kecepatan angin} v pangkat tiga. Dengan demikian, dengan menggandakan luas penampang A menghasilkan daya dua kali, dan menggandakan kecepatan angin menghasilkan potensial daya delapan kali. Koefisien daya C_p juga berubah dengan perubahan kecepatan angin. Saat distribusi kecepatan angin tidak merata, pada suatu waktu tertentu kemungkinan besar kecepatan angin lebih rendah dari pada kecepatan angin rata – rata. Oleh karena itu, harus didesain rotor dan generator yang optimal untuk mengekstrak pada kecepatan angin rendah.

Untuk menganalisis seberapa besar energi yang dapat dimanfaatkan turbin angin, digunakan teori memontum elementer Betz’.

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 2.18. Berkurangnya kecepatan

.

2

1 v

m

E



3 1. .

. 2 1

v A C P_T  _p 

(39)

aliran udara disebabkan karena sebagian energi kinetik angin diekstrak oleh rotor turbin angin.

Gambar 2.18 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin

(Sumber : Eric Hau)

Maka besarnya daya P yang dapat diekstrak oleh turbin adalah:

P = ṁ (v12– v22) (2.13)

Persamaan ini menunjukkan bahwa daya maksimum yang akan didapat adalah jika v2 bernilai nol yang berarti angin berhenti setelah melalui rotor turbin. Ini tidak akan mungkin terjadi karena tidak sesuai dengan hukum kontinuitas.

Sehingga kita harus membutuhkan persamaan momentum untuk dapat mengetahui besarnya daya.

F = ṁ (v1–v2) (2.14) Dimana:

F = Gaya (Newton)

ṁ = laju aliran massa udara (kg/s)

Berdasarkan prinsip hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi akan sama dengan gaya reaksi yaitu dimana gaya yang diberikan oleh angin terhadap rotor turbin akan sama besarnya dengan gaya hambat yang dilakukan rotor dan menekan angin pada arah yang berlawanan. Akibat adanya perlawanan ini maka

(40)

kecepatan angin v1 akan turun menjadi v’. Sehingga daya yang dibutuhkan adalah:

P = F. v’ = ṁ(v1–v2)v’ Watt (2.15) dimana:

v’ = Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)

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) (2.16)

Dengan demikian, kecepatan aliran melalui turbin ekivalen dengan rata-rata penjumlahan v1 dan v2 :

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

̇= ρAv’_{= ½ ρA (v}_{1 + v2)} _{(kg/s) (2.17)}

sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan:

P = ¼ ρA (v12– v22) (v1 + v2) (W) (2.18)

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

Po = ½ ρAv3 (W) (2.19) maka diperoleh koefisien performansi turbin:

Cp = P/Po =

(2.20)

C

=

|

| |

|

(2.21)

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

(41)

hasil plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada

v2/v1 = 1/3 sehingga diperoleh: Cp = 16/27 = 0,593

Gambar.2.19 Koefisien performansi vs rasio kecepatan (Erich Hau, 2006)

Gambar.2.20 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,

(42)

u r n u

u 60.

. . 2

. 

 

  

v’ = 2/3 v1 (2.22)

dan kecepatan udara setelah melewati turbin,

v2 = 1/3 v1 (2.23)

2.9.2 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 ratioλ dihitung dengan persamaan :

(2.24)

Dimana :

n = putaran rotor (rpm) r = radius rotor (m) u = kecepatan angin (m/s)

(43)

2.10 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 bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.

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. Generator yang dipakai pada penelitian ini adalah permanent magnet generator tipe axial. Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam generator.

=

(2.25) dimana n = putaran (rpm)

p = jumlah kutub generator f = frekwensi (Hz)

(44)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian

Proses pembuatan turbin angin tipe darrieus-H dilakukan dengan cara manual (handmade). Setelah pembuatan dan assembly objek penelitian selesai, pengujian turbin angin dapat dilakukan. Proses penelitian dilakukan di Laboratorium Proses Produksi dan lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian

Adapun objek penelitian yaitu turbin angin tipe Darrieus-H seperti gambar 3.2 dengan desain rancangan ada pada lampiran.

1. Prototype Turbin Angin

Turbin angin ini diharapkan dapat digunakan di wilayah dengan kecepatan angin rata rata sebesar 3,85 m/s. Potensi kecepatan angin di Indonesia dengan kecepatan angin rata rata sebesar 3,85 m/s terdapat di provinsi Nusa Tenggara Timur Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih ( Lampiran XVII ). Perhitungan yang dilakukan penulis pada prototype Turbin angin tipe Darrieus H dengan profil sudu NACA 4415 yaitu:

1. Perhitungan dimensi rotor

Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh energi angin yang tersedia, baik itu untuk kegunaan mekanikal maupun elektrikal, dengan mempertimbangkan efisiensi rotor dan juga efisiensi sistem mekanik. 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)

(45)

Penentuan dimensi rotor pada umumnya dilakukan dengan mempertimbangkan berapa sebenarnya daya yang akan dihasilkan turbin dan kecepatan angin rata rata yang terjadi. Dimensi rotor yang dipilih dengan kecepatan angin yang terdapat di daerah provinsi Nusa Tenggara Timur Kabupaten Sumba Timur daerah Kamanggih, kecepatan angin rata rata sebesar 3,85 m/s. Maka dimensi rotor yang akan dibuat adalah:

D = 1,5 m L = 1,5 m

A = D x L = 1.5 x 1.5= 2.25 m2 2. Perhitungan Daya angin

Perhitungan daya angin dilakukan untuk dapat memperkirakan besarnya energi output yang akan dihasilkan oleh turbin angin. Besarnya daya angin dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

P = 0.η. ρ .A. v3

Dengan kecepatan angin sebesar 3,85 m/s dan massa jenis udara ρ = 1.1594 kg/m3 yaitu di ukur pada suhu 32 0 C. Maka dapat dihitung daya angin yang tersedia yaitu:

P = 0.5 x 1.1594 x 2.25 x 3.853 P = 74,43 Watt

Tabel 3.1 Daya angin dengan dimensi turbin yang berbeda

v (m/s) D(meter) L(meter)

(kg/m3) A(m2) Daya (P)

3.85 0.5 0.5 1.15946 0.25 8.270809

3.85 1 1 1.15946 1 33.08323

3.85 1.5 1.5 1.15946 2.25 74.43728

3.85 2 2 1.15946 4 132.3329

3.85 2.5 2.5 1.15946 6.25 206.7702

3.85 3 3 1.15946 9 297.7491

3.85 3.5 3.5 1.15946 12.25 405.2696

(46)

Menurut teori efisiensi Betz efisiensi turbin angin maksimal adalah sebesar 59,26% dengan syarat aliran angin seragam, aliran angin tegak lurus terhadap sudu turbin dan aliran tidak turbulence. Sedangkan pada kondisi aktual, efisiensi Turbin angin Darrieus yang telah di pabrikasi secara presisi adalah antara 25% sampai dengan 40% seperti ditampilkan pada grafik berikut.

Gambar 3.1. Koefisien daya dari berbagai macam rotor turbin (Sumber : Eric Hau)

Dari gambar diatas, didapat bahwa koefisien daya (Cp) Turbin angin tipe Darrieus rotor adalah antara 0.25 sampai dengan 0.4. Sehingga energi angin yang dapat kita manfaatkan dengan menggunakan turbin angin Darrieus adalah:

Pturbin= 0.η x Cp x ρ x A x v3

(47)

Pturbin= 18,60 Watt Cp = 0.25 Pturbin= 29,77 Watt Cp = 0.40 3. Perhitungan Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu,

tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift

akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag. Tipe speed ratio dihitung dengan persamaan:

λ =

dimana: λ = tipe speed ratio

r = jari- jari rotor (m) n = putaran rotor (rpm) v = kecepatan angin (m/s)

Dengan mengasumsikan bahwa putaran rotor yang akan dihasilkan turbin adalah sebesar 80 rpm maka maka tip speed ratio dari turbin angin Darrieus dengan profil sudu NACA 4415 adalah sebagai berikut:

λ = λ = 1,631

4. Perhitungan Daya turbin Teoritis

Gaya gaya yang bekerja pada turbin angin Darrieus H yang disebabkan oleh adanya kecepatan angin adalah gaya lift (Fl) dan gaya drag (Fd).

Fl = cl x x ρ x A x v’2 Fd = cd x x ρ x A x v’2 FT = ct x x ρ x A x v’2 ct = cl sin α - cd cos α

(48)

dimana: Fl = Gaya lift (N) Fd = Gaya drag (N) FT = Gaya tangensial (N) ct = Koefisien gaya tangensial cl = Koefisien gaya lift

cd = koefisien gaya drag

v’ = Kecepatan angin pada sudu (m/s) Sehinggga torsi turbin T adalah:

T = N x FT x R

dimana: N = Jumlah sudu turbin Daya teoritis turbin adalah:

P = T .

ω

Sehingga efisiensi teoritis turbin adalah:

ɳ

teoritis =

(49)

Gambar 3.2 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus-H

Tabel.3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H

No Spesifikasi Keterangan

1 Jenis Sumbu vertikal

2 Diameter 1500 mm

3 Tinggi 1500 mm

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

2. Sudu

Profil sudu NACA 4415 dibuat dari bahan kayu. Pemilihan bahan kayu didasarkan pada pertimbangan kemudahan pembuatan. Selanjutnya profil sudu dari bahan kayu ini dilapisi dengan pelat aluminium setebal 0,5 mm. Alasan pemilihan bahan pelat aluminium ini disebabkan oleh massa jenisnya yang ringan yaitu sebesar 2700 kg/m3dan supaya mudah dibentuk mengikuti profil airfoil yang telah dibuat. Berikut ini spesifikasi dari sudu yang dibuat.

(50)

Tabel 3.3 Spesifikasi sudu

No Spesifikasi Keterangan

1 Tipe Sudu NACA 4415

2 Tinggi 1500 mm

3 Tebal aluminium 0.50 mm

4 Bahan Plat alumunium

5 Jumlah Sudu 3, 4, dan 5 6 Berat 1 buah sudu 3,2 kg

7 Panjang chord 300 mm

Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 4415 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian adalah

1. Digital Multimeter, digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan

yang mengalir pada beban, dengan data teknis sebagai berikut:

Pabrikan : Krisbow

Tabel.3.4 Spesifikasi multimeter

Function satuan 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

(51)

Resistance Ω 326, 3.26K, 32.6K, 326K, 3.26M, 32.6M

± (2.0% + 4d)

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

Gambar 3.4 Digital Multimeter

2. Digital Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros rotor turbin savonius, dengan data teknis sebagai berikut:

Pabrikan : Krisbow

Dimension : 210 x 74 x 37 (mm)

Type : Display 5 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 stable voltage power

(52)

Gambar 3.5 Digital Tachometer

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

Pabrikan : Extech

Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer

Specification Range Resolution

m/s 0.6 – 30 m/s 0.01 m/s

ft/min 196 – 5900 ft/min 1 ft/min

km/h 3.6 – 108 km/h 0.1 km/h

MPH 2.2 – 67 MPH 0.1 MPH

Knots 1.9 – 58 knots 0.1 knots

Temperature 14 – 140 °F (-10 – 60 °C) 0.1 °F / °C

(53)

4. Motor listrik, berfungsi sebagai penggerak propeller fan untuk menghasilkan angin buatan dengan data teknis sebagai berikut:

Daya : 1,5 kW / 2 Hp

Putaran :1480 rpm

Tegangan : 220/380

Φ : 0,81

Gambar 3.7 Motor listrik

5. Permanent Magnet Generator (PMG)

Type : Permanet magnet generator (PMG) Cogging torque : zero cogging torque

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

Ƞ : 0.7

Rotor Stator

(54)

6. Busur

Busur digunakan untuk mengatur sudut pitch pada sudu turbin.

(55)

3.3 Pelaksanaan Penelitian 3.3.1 Tahap Persiapan

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

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

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

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

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

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

3.3.2 Tahap Pengujian dan Pengambilan Data

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

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

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

sesuai kecepatan angin pengujian.

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

(56)

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

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

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

Mulai

Persiapan Fan

- Diukur kecepatan angin fan (4 m/s) - Diukur dan dicatat putaran pada poros turbin angin

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

Dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanak 10 kali

Berhenti

Selesai

(57)

Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan kesimpulan sementara pada saat keadaan bagaimanakah jumlah sudu dan sudut

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

Sketsa pengujian dapat dilihat seperti pada gambar di bawah:

(58)

3.4 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.12 Diagram alir penelitian MULAI

STUDI LITERATUR

PENGAMBILAN DATA ANGIN

PEMBUATAN TURBIN

PENGUJIAN TURBIN

PENELITIAN DAN PENGAMBILAN DATA

ANALISIS DATA

PEMBAHASAN

KESIMPULAN

(59)

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 + 0.75 dimana:

x = jarak pengukuran dari pusat turbin (m)

r = radius turbin (m)

x ≈ 1.35(0.75) + 0.75 = 1.76 m ≈ 1.75 m

(60)

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 sebesar 3,85 m/s.

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

(61)

Hasil perhitungan dibuat dalam tabel berikut:

Tabel. 4.2 Hasil pendekatan teoritis

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

9.54 2.25 1.15946 1133.73 7.81 2.25 1.15946 620.59 6.54 2.25 1.15946 364.32 4.70 2.25 1.15946 135.62 4.41 2.25 1.15946 111.79 3.85 2.25 1.15946 74.43 2.12 2.25 1.15946 12.51

8.76% 9.40% 10.36% 11.61% 14.69% 10.71% 9.86%

251.04 269.38 296.89 332.71 420.98 306.92 282.56 99.21 106.46 117.33 131.49 166.37 121.29 111.67 54.43 58.41 64.38 72.14 91.28 66.55 61.27 31.96 34.30 37.80 42.36 53.60 39.08 35.98 11.86 12.73 14.03 15.72 19.89 14.50 13.35 9.80 10.52 11.59 12.99 16.43 11.98 11.03

6.52 7.00 7.71 8.64 10.93 7.97 7.34

1.09 1.17 1.29 1.44 1.83 1.33 1.23

6.52 7.00 7.71 8.64 10.93 7.97 7.34

Tabel. 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum

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

0 10.73 0.425 4.56 6.52 74.43 8.76

2 11.11 0.441 4.90 7.00 74.43 9.40

4 11.67 0.463 5.40 7.71 74.43 10.36

6 12.35 0.490 6.05 8.64 74.43 11.61

8 13.90 0.551 7.65 10.93 74.43 14.69

10 11.86 0.470 5.58 7.97 74.43 10.71

12 11.38 0.451 5.13 7.34 74.43 9.86

Hasil pengukuran

(62)

Data diatas merupakan data turbin angin dengan menggunakan 5 sudu pembebanan 10 Watt. Dari perbandingan data tersebut dapat dilihat bahwa hasil teoritis mendekati dengan hasil pengukuran, sehingga kecepatan angin yang digunakan adalah kecepatan angin v = 3,85 m/s.

4.1.2 Data pengujian tanpa beban

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

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V)

nave (rpm)

Vave (V)

nave (rpm)

Vave (V)

nave (rpm) 0 20.34 56.51 21.23 60.05 23.57 66.80 2 21.56 59.93 23.77 67.24 25.29 71.66 4 23.47 65.22 24.84 70.27 27.03 76.60 6 25.93 72.07 26.44 74.78 29.07 82.38 8 29.17 81.08 30.03 84.95 31.59 89.51 10 28.30 78.66 27.61 78.10 29.16 82.64 12 27.01 75.07 25.65 72.56 28.25 80.06

(63)

Tegangan hasil pengukuran adalah tegangan AC (alternating current)

4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt

Tabel.4.5 Data pengujian beban 3 Watt

4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt

Tabel.4.6 Data pengujian beban 5 Watt

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 14.83 0.228 38.86 15.81 0.250 41.90 16.92 0.274 45.00 2 15.65 0.245 41.00 16.69 0.264 44.22 17.62 0.285 46.86 4 16.03 0.251 42.00 17.04 0.269 45.16 18.19 0.294 48.39 6 17.19 0.269 45.03 17.84 0.282 47.26 19.46 0.315 51.76 8 19.23 0.300 50.22 19.70 0.311 52.19 21.72 0.351 57.76 10 18.72 0.293 49.04 17.85 0.282 47.31 19.78 0.320 52.62 12 17.76 0.278 46.53 17.41 0.275 46.14 19.17 0.310 50.99

(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 16.19 0.119 42.57 16.86 0.124 44.35 18.10 0.134 47.61 2 16.94 0.125 44.56 17.78 0.131 46.75 19.22 0.142 50.56 4 17.67 0.130 46.47 18.86 0.139 49.60 19.99 0.148 52.57 6 19.05 0.141 50.11 19.37 0.143 50.94 21.37 0.158 56.20 8 19.70 0.145 51.82 20.90 0.154 54.98 23.06 0.171 60.63 10 18.88 0.139 49.66 19.38 0.143 50.98 21.03 0.156 55.31 12 18.78 0.139 49.40 17.75 0.131 46.67 20.42 0.151 53.70

(64)

4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt

Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt

(0)

3 SUDU 4 SUDU 5 SUDU

Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) Vave (V) Iave (A) nave (rpm) 0 9.73 0.387 26.15 10.17 0.404 27.67 10.73 0.425 28.54 2 10.27 0.400 27.63 10.90 0.432 29.64 11.11 0.441 29.56 4 10.79 0.420 29.00 11.35 0.451 30.88 11.67 0.463 31.04 6 11.56 0.453 31.07 11.56 0.459 31.45 12.35 0.490 32.85 8 12.31 0.481 33.09 12.65 0.502 34.41 13.90 0.551 36.96 10 11.58 0.454 31.15 11.49 0.456 31.25 11.86 0.470 31.56 12 11.50 0.452 30.93 11.06 0.439 30.09 11.38 0.451 30.27

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

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 T

(K)

(kg/m3) 300 1.1774 305 1.1594

(65)

Pangin = ½ ρ A v3

= 0.5 (1.1594)(2.25)(3.85) 3 = 74.43 Watt

4.2.2 Perhitungan tip speed ratio (λ)

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

dengan kecepatan angin yang melalui sudu rotor tersebut. TSR merupakan bilangan tanpa dimensi menunjukkan besarnya putaran turbin terhadap kecepatan angin.

λ = ω.r/v∞  ω = 2πn/60

Sebagai contoh perhitungan, diambil data 5 sudu pembebanan 3 Watt pada sudut pitch 80.

n = 60.63 rpm

ω = 2π (θ0.θ3)/θ0

= 6.345 rad/s

λ = (6.345 x 0.75) / 3.85 = 1.236

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

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) / Ƞg Ƞg = 0.7

Efisiensi turbin (Ƞt) = Pturbin / Pangin

Sebagai contoh perhitungan diambil data 5 sudu pembebanan 3 Watt pada sudut pitch 80.

(66)

Vave = 23.06 Volt Iave = 0.171 Ampere

Pturbin = (23.06 x 0.171) / 0.7 = 5.633 Watt

Ƞt = (5.633/ 74.43) x 100 % = 7.568 %

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

(0)

Vave (Volt)

Iave (A)

P (W)

Pt (W)

Pa (W)

(%) nave (rpm)

(rad/s) TSR

0 16.19 0.119 1.93 2.76 74.43 3.71 42.57 4.46 0.84 2 16.94 0.125 2.12 3.03 74.43 4.07 44.56 4.66 0.87 4 17.67 0.130 2.30 3.29 74.43 4.42 46.47 4.86 0.91 6 19.05 0.141 2.68 3.83 74.43 5.14 50.11 5.24 0.98 8 19.70 0.145 2.87 4.09 74.43 5.50 51.82 5.42 1.02 10 18.88 0.139 2.63 3.76 74.43 5.05 49.66 5.20 0.97 12 18.78 0.139 2.60 3.72 74.43 5.00 49.40 5.17 0.97

(67)

Tabel.4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt Φ

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa (W) Ƞ (%) nave (rpm) ω

(rad/s) TSR

0 16.86 0.124 2.10 3.00 74.43 4.03 44.35 4.64 0.87 2 17.78 0.131 2.33 3.33 74.43 4.48 46.75 4.89 0.92 4 18.86 0.139 2.62 3.75 74.43 5.04 49.60 5.19 0.97 6 19.37 0.143 2.77 3.95 74.43 5.31 50.94 5.33 1.00 8 20.90 0.154 3.22 4.61 74.43 6.19 54.98 5.75 1.08 10 19.38 0.143 2.77 3.96 74.43 5.32 50.98 5.34 1.00 12 17.75 0.131 2.32 3.32 74.43 4.46 46.67 4.88 0.92

Tabel.4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt Φ

(0) Vave(Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa (W) Ƞ (%) nave (rpm) ω

(rad/s) TSR

0 18.10 0.134 2.43 3.47 74.43 4.66 47.61 4.98 0.93 2 19.22 0.142 2.74 3.91 74.43 5.25 50.56 5.29 0.99 4 19.99 0.148 2.96 4.23 74.43 5.68 52.57 5.50 1.03 6 21.37 0.158 3.38 4.83 74.43 6.49 56.20 5.88 1.10 8 23.06 0.171 3.94 5.62 74.43 7.56 60.63 6.35 1.19 10 21.03 0.156 3.28 4.68 74.43 6.29 55.31 5.79 1.09 12 20.42 0.151 3.09 4.41 74.43 5.93 53.70 5.62 1.05

Tabel.4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt Φ

(0)

Vave (Volt) Iave (A) P (W) Pt (W) Pa (W) Ƞ (%) nave (rpm) ω

(rad/s) TSR

0 14.83 0.228 3.38 4.83 74.43 6.49 38.86 4.07 0.76 2 15.65 0.245 3.83 5.48 74.43 7.36 41.00 4.29 0.80 4 16.03 0.251 4.02 5.75 74.43 7.72 42.00 4.40 0.82 6 17.19 0.269 4.63 6.61 74.43 8.88 45.03 4.71 0.88 8 19.23 0.300 5.77 8.25 74.43 11.08 50.22 5.26 0.99 10 18.72 0.293 5.49 7.84 74.43 10.53 49.04 5.13 0.96 12 17.76 0.278 4.94 7.06 74.43 9.48 46.53 4.87 0.91

(1)

DATA SHEET HASIL PENGUJIAN TURBIN ANGIN DARRIEUS – H Kec. Angin : 3.85 .m/s

Profil Sudu : NACA 4415 Jlh. Sudu : 5 buah Beban : 10 Watt

(0) V (Volt)

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 Vave

0 10.64 10.70 10.76 10.81 10.79 10.81 10.68 10.71 10.62 10.76 10.73 2 11.05 10.99 11.29 11.12 10.98 11.19 11.11 11.24 11.15 11.02 11.11 4 11.62 11.40 11.60 11.98 11.78 11.56 11.40 11.77 11.53 12.07 11.67 6 12.04 12.13 12.25 12.60 12.41 12.46 12.17 12.22 12.65 12.57 12.35 8 13.95 14.07 13.87 13.89 13.97 13.76 13.83 13.81 13.93 13.87 13.90 10 12.25 12.46 12.32 11.76 11.83 11.43 11.84 12.07 11.22 11.43 11.86 12 11.57 11.54 11.43 11.24 11.49 11.41 11.31 11.25 11.21 11.36 11.38

I (Ampere)

I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 Iave

0.422 0.424 0.427 0.429 0.428 0.429 0.423 0.425 0.421 0.427 0.425 0.438 0.436 0.448 0.441 0.435 0.444 0.440 0.446 0.442 0.437 0.441 0.461 0.452 0.460 0.475 0.467 0.458 0.452 0.467 0.457 0.478 0.463 0.477 0.481 0.486 0.500 0.492 0.494 0.482 0.484 0.501 0.498 0.490 0.553 0.558 0.550 0.551 0.554 0.545 0.548 0.547 0.552 0.550 0.551 0.486 0.494 0.488 0.466 0.469 0.453 0.469 0.479 0.445 0.453 0.470 0.459 0.457 0.453 0.446 0.456 0.452 0.448 0.446 0.444 0.450 0.451

n (rpm)

n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 nave

28.30 28.46 28.62 28.75 28.70 28.76 28.41 28.49 28.25 28.63 28.54 29.39 29.23 30.03 29.58 29.21 29.77 29.55 29.90 29.66 29.31 29.56 30.91 30.32 30.86 31.87 31.33 30.75 30.32 31.31 30.67 32.11 31.04 32.03 32.27 32.59 33.52 33.01 33.14 32.37 32.51 33.65 33.44 32.85 37.11 37.43 36.89 36.95 37.16 36.60 36.79 36.73 37.05 36.89 36.96 32.59 33.15 32.78 31.29 31.47 30.41 31.50 32.11 29.85 30.41 31.56

(2)

DATA SHEET HASIL PENGUJIAN TURBIN ANGIN DARRIEUS – H Kec. Angin : 3.85 .m/s

Profil Sudu : NACA 4415 Jlh. Sudu : 5 buah Beban : 5 Watt

(0) V (Volt)

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 Vave

0 16.82 16.91 17.08 16.93 16.87 16.80 16.98 16.89 16.92 16.96 16.92 2 17.59 17.53 17.83 17.66 17.52 17.46 17.55 17.78 17.69 17.56 17.62 4 18.28 17.96 18.16 18.24 18.34 18.12 17.96 18.33 18.09 18.43 18.19 6 19.21 19.3 19.42 19.57 19.58 19.63 19.34 19.39 19.52 19.64 19.46 8 21.75 21.87 21.87 21.69 21.77 21.86 21.33 21.61 21.73 21.67 21.72 10 19.85 20.26 19.92 19.16 19.63 19.83 19.74 19.67 19.82 19.93 19.78 12 19.12 19.29 18.98 19.729 19.44 18.96 19.12 18.98 19.16 18.91 19.17

I (Ampere)

I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 Iave

0.272 0.274 0.276 0.274 0.273 0.272 0.275 0.273 0.274 0.274 0.274 0.285 0.284 0.289 0.286 0.284 0.283 0.284 0.288 0.286 0.284 0.285 0.296 0.291 0.294 0.295 0.297 0.293 0.291 0.297 0.293 0.298 0.294 0.311 0.312 0.314 0.317 0.317 0.318 0.313 0.314 0.316 0.318 0.315 0.352 0.354 0.354 0.351 0.352 0.354 0.345 0.350 0.352 0.351 0.351 0.321 0.328 0.322 0.310 0.318 0.321 0.319 0.318 0.321 0.323 0.320 0.309 0.312 0.307 0.319 0.315 0.307 0.309 0.307 0.310 0.306 0.310

n (rpm)

n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 nave

44.74 44.98 45.43 45.03 44.87 44.69 45.17 44.93 45.01 45.11 45.00 46.79 46.63 47.43 46.98 46.60 46.44 46.68 47.29 47.06 46.71 46.86 48.62 47.77 48.31 48.52 48.78 48.20 47.77 48.76 48.12 49.02 48.39 51.10 51.34 51.66 52.06 52.08 52.22 51.44 51.58 51.92 52.24 51.76 57.86 58.17 58.17 57.70 57.91 58.15 56.74 57.48 57.80 57.64 57.76 52.80 53.89 52.99 50.97 52.22 52.75 52.51 52.32 52.72 53.01 52.62 50.86 51.31 50.49 52.48 51.71 50.43 50.86 50.49 50.97 50.30 50.99

(3)

DATA SHEET HASIL PENGUJIAN TURBIN ANGIN DARRIEUS – H Kec. Angin : 3.85 .m/s

Profil Sudu : NACA 4415 Jlh. Sudu : 5 buah Beban : 3 Watt

ϕ(0

) V (Volt)

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 Vave

0 17.97 18.03 18.14 18.23 18.07 18.13 18.08 18.19 18.01 18.16 18.101 2 19.16 19.11 19.29 19.35 19.28 19.12 19.21 19.34 19.25 19.12 19.223 4 20.03 19.86 19.89 19.97 20.07 19.91 19.89 20.12 19.98 20.16 19.988 6 21.06 21.15 21.27 21.62 21.43 21.48 21.19 21.24 21.67 21.59 21.37 8 23.17 23.29 22.89 23.11 23.19 22.88 22.85 22.93 23.15 23.09 23.055 10 21.21 21.38 20.77 20.83 21.59 20.85 21.45 20.82 20.75 20.67 21.032 12 20.38 20.15 20.74 20.35 20.39 20.42 20.33 20.46 20.52 20.43 20.417

I (Ampere)

I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 Iave

0.133 0.134 0.134 0.135 0.134 0.134 0.134 0.135 0.133 0.135 0.134 0.142 0.142 0.143 0.143 0.143 0.142 0.142 0.143 0.143 0.142 0.142 0.148 0.147 0.147 0.148 0.149 0.147 0.147 0.149 0.148 0.149 0.148 0.156 0.157 0.158 0.160 0.159 0.159 0.157 0.157 0.161 0.160 0.158 0.172 0.173 0.170 0.171 0.172 0.169 0.169 0.170 0.171 0.171 0.171 0.157 0.158 0.154 0.154 0.160 0.154 0.159 0.154 0.154 0.153 0.156 0.151 0.149 0.154 0.151 0.151 0.151 0.151 0.152 0.152 0.151 0.151

n (rpm)

n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 nave

47.26 47.42 47.71 47.94 47.52 47.68 47.55 47.84 47.37 47.76 47.61 50.39 50.26 50.73 50.89 50.71 50.29 50.52 50.86 50.63 50.29 50.56 52.68 52.23 52.31 52.52 52.78 52.36 52.31 52.92 52.55 53.02 52.57 55.39 55.62 55.94 56.86 56.36 56.49 55.73 55.86 56.99 56.78 56.20 60.94 61.25 60.20 60.78 60.99 60.17 60.10 60.31 60.88 60.73 60.63 55.78 56.23 54.63 54.78 56.78 54.84 56.41 54.76 54.57 54.36 55.31 53.60 52.99 54.55 53.52 53.63 53.70 53.47 53.81 53.97 53.73 53.70

(4)

LAMPIRAN II

(5)

LAMPIRAN III

TABEL SIFAT-SIFAT UDARA

Tabel.L. 3 Sifat – sifat udara pada tekanan atmosfer antara 250 hingga 1000 K

Ta (K)

ρ (kg/m3)

Cp (kJ/kg.K)

µ (kg/m.s)

v (m2/s)

k (W/m.K)

(m2/s)

dPr

x 105 x 106 x104

250 1.4128 1.0053 1.488 9.49 0.02227 0.1316 0.772 300 1.1774 1.0057 1.983 15.68 0.02624 0.2216 0.708 350 0.9980 1.0090 2.075 20.76 0.03003 0.2983 0.697 400 0.8826 1.0140 2.286 25.90 0.03365 0.3760 0.689 450 0.7833 1.0207 2.484 28.86 0.03703 0.4222 0.683 500 0.7048 1.0295 2.671 37.90 0.04038 0.5564 0.680 550 0.6423 1.0392 2.848 44.34 0.04360 0.6532 0.680 600 0.5879 1.0551 3.018 51.34 0.04659 0.7512 0.680 650 0.5430 1.0635 3.177 58.51 0.04953 0.8578 0.682 700 0.5030 1.0752 3.332 66.25 0.05230 0.9672 0.684 750 0.4709 1.0856 3.481 73.91 0.05509 1.0774 0.686 800 0.4405 1.0978 3.625 82.29 0.05779 1.1951 0.689 850 0.4149 1.1095 3.765 90.75 0.06028 1.3097 0.692 900 0.3925 1.1212 3.899 99.30 0.06279 1.4271 0.696 950 0.3716 1.1321 4.023 108.20 0.06525 1.5510 0.699 1000 0.3524 1.1417 4.152 117.80 0.06752 1.6779 0.702

(6)

LAMPIRAN IV

KORDINAT AIRFOIL NACA 4415 NACA 4415

Point x y 67 0.3087 -0.0370 68 0.3393 -0.0355 69 0.3706 -0.0339 70 0.4025 -0.0323 71 0.4347 -0.0306 72 0.4673 -0.0289 73 0.5000 -0.0271 74 0.5327 -0.0253 75 0.5653 -0.0234 76 0.5976 -0.0215 77 0.6294 -0.0196 78 0.6607 -0.0177 79 0.6913 -0.0160 80 0.7211 -0.0143 81 0.7500 -0.0128 82 0.7778 -0.0114 83 0.8044 -0.0101 84 0.8297 -0.0089 85 0.8536 -0.0078 86 0.8759 -0.0067 87 0.8967 -0.0058 88 0.9157 -0.0050 89 0.9330 -0.0043 90 0.9484 -0.0036 91 0.9619 -0.0030 92 0.9735 -0.0023 93 0.9830 -0.0016 94 0.9904 -0.0009 95 0.9957 -0.0004 96 0.9989 -0.0001 97 1.0000 0.0000 Point x y

1 1.0000 0.0000 2 0.9989 0.0004 3 0.9957 0.0016 4 0.9904 0.0035 5 0.9830 0.0061 6 0.9735 0.0093 7 0.9619 0.0130 8 0.9484 0.0172 9 0.9330 0.0217 10 0.9157 0.0265 11 0.8967 0.0317 12 0.8759 0.0372 13 0.8536 0.0428 14 0.8297 0.0486 15 0.8044 0.0545 16 0.7778 0.0605 17 0.7500 0.0664 18 0.7211 0.0723 19 0.6913 0.0780 20 0.6607 0.0834 21 0.6294 0.0886 22 0.5976 0.0934 23 0.5653 0.0979 24 0.5327 0.1019 25 0.5000 0.1054 26 0.4673 0.1084 27 0.4347 0.1108 28 0.4025 0.1125 29 0.3706 0.1135 30 0.3393 0.1136 31 0.3087 0.1129 32 0.2789 0.1114 33 0.2500 0.1090

Point x y 34 0.2222 0.1058

35 0.1956 0.1019 36 0.1703 0.0973 37 0.1465 0.0920 38 0.1241 0.0861 39 0.1033 0.0797 40 0.0843 0.0728 41 0.0670 0.0654 42 0.0516 0.0575 43 0.0381 0.0494 44 0.0265 0.0412 45 0.0170 0.0330 46 0.0096 0.0249 47 0.0043 0.0165 48 0.0011 0.0083 49 0.0000 0.0008 50 0.0011 -0.0057 51 0.0043 -0.0110 52 0.0096 -0.0159 53 0.0170 -0.0206 54 0.0265 -0.0250 55 0.0381 -0.0292 56 0.0516 -0.0328 57 0.0670 -0.0358 58 0.0843 -0.0382 59 0.1033 -0.0399 60 0.1241 -0.0411 61 0.1465 -0.0417 62 0.1703 -0.0418 63 0.1956 -0.0415 64 0.2222 -0.0408 65 0.2500 -0.0397 66 0.2789 -0.0385

Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu Naca 4415 dan analisa perbandingan menggunakan variasi jumlah sudu dan sudut PITCW