UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 4415 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH SKRIPSI
UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 4415 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDINATA SITEPU NIM. 080401060 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
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 0 , 2 , 4 , 6 , 8 , 10 ,12 . 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
. 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
suduKATA 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.
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 Andinata Sitepu
DAFTAR ISI
ABSTRAK KATA PENGANTAR…………………………………………………….. i DAFTAR ISI …………………………………………………………......... iii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... viii DAFTAR TABEL .......................................................................................... x2.2 Energi Angin..................................................................................... 9
pitch……………………… 18
2.7 Sudut serang (angle of attack) dan sudut
17
2.6 Airfoil NACA …............................................................................. 17 2.6.1Airfoil NACA seri 4 digit..........................................................
14
12 2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV).....................................
2.5 Jenis jenis Turbin Angin................................................................. 12 2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH).................................
2.4 Pengertian Turbin Angin................................................................ 11
2.3 Wind Shear…………………………............................................. 10
2.1 Potensi Angin .................................................................................. 6
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................... 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................ 6
1.6 Metode Pengumpulan Data ............................................................. 5
1.5 Sistematika Penulisan ...................................................................... 4
1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................... 3
1.3.2 Batasan Masalah ..................................................................... 3
1.3.1 Rumusan Masalah .................................................................. 2
1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ....................................................... 2
1.2 Tujuan Penelitian ............................................................................. 2
1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1
2.8 Gaya Aerodinamis pada sudu........................................................... 21
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
4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt………………………………... 50
4.2 Analisa Data……………………………………………………… 50
4.2.1 Perhitungan daya angin (P angin )……………………………….. 50
4.2.2 Perhitungan
tip speed ratio (λ)………………………………... 51
4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin )
(Ƞ t
……………………………… 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 5 sudu………………………………………. 60
4.4 Perbandingan turbin angin Savonius dengan turbin angin Darrieus H…………………………………... 63
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
……………………………………. 66
5.1 Kesimpulan……………………………………………………….. 66
5.2 Saran………………………………………………………………. 67
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................... 68
LAMPIRAN………………………………………………………………… 69
L1. Data Pengujian Turbin Angin Darrieus H ....................................... 70 L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H .................................... 82 L3. Tabel Sifat Udara ............................................................................ 83 L4. Koordinat NACA 4415 ................................................................. 84
DAFTAR SIMBOL
AoA angle of attack , ( ) 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
2
luas sapuan rotor, m
A c panjang chord sudu, m
kecepatan relatif elemen sudu
C’ C koefisien drag D
C L koefisien lift C koefisien daya p
C p,max koefisien daya maksimum D diameter turbin, m D gaya drag, N F gaya, N F gaya maksimum, N max
E k 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
P daya angin, J/s a
daya turbin, J/s radius turbin, m
Re bilangan Reynold
waktu, s
V kecepatan angin, m/s ∞
kecepatan angin tepat pada turbin, m/s
V’
tegangan, Volt tegangan rata
- – rata, Volt
( )
kecepatan tangensial elemen sudu, m/s
U’ Z ketinggian, m
kecepatan sudut rotor, rad/s
3
kerapatan angin, kg/m sudut serang (angle of attack), ( ) sudut azimuthal sudu, ( )
θ tip speed ratio
rasio kepadatan sudu (solidity)
σ
DAFTAR GAMBAR
19
9
10
11
13
13
14
15
15
16
16
17
18
20
Gambar 3.9 Busur……………………………………………. ................................22
23
25
27
27
32
35
36
37
38
38
39
39
7
Gambar 3.8 Permanent Magnet Generator (PMG)…………… ……….. ...............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 ju mlah 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 N aca 4415…………………………………............................Gambar 2.13 Arah sudut pitch...........Gambar 2.14 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut azimuth, dan sudut pitchGambar 3.7 Motor listrik…………………………………………….. ....................…….............................................
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 turbinGambar 3.2 Prototype Turbin Angin Tipe Darrieus- H………………….. ...............Gambar.3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H de ngan profil NACA 4415………… ...
Gambar 3.4 Digital Multimeter …………………………………...........................Gambar 3.5 Digital Tachometer ……………………………………….... ...............Gambar 3.6 Thermo-Anemometer ……………………………….... .......................40
Gambar 3.10 Prosedur Pengujian………………………...…….................................56
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah…….................…..
Gambar 4.11 Grafik sudut pitch(ϕ) vs ɳ pada turbin dengan jumlah sudu 3, 4, 5 dan yang dilakukan pada pembebanan 3, 5, 10 Watt………...................
Gambar 4.12 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum...................................42
43
44
45
57
Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut pitch (57
58
59
59
60
61
61
62
ϕ) terhadap tip speed ratio
turbin angin Darrieus H dengan jumlah sud u 5 buah……....................
Gambar 3.11 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan ….........turbin angin Darrieus H dengan jumlah su du 3 buah………..................
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 s udu 3 buah……….................
Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut pitch (ϕ) terhadap tip speed ratio
Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah suduϕ) terhadap efisiensi
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 sudu5 buah……....................
Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut pitch (63
DAFTAR TABEL
38
54
54
54
53
53
53
52
50
49
49
48
47
47
46
36
Tabel 2.1 Proyeksi Energi Primer Indonesia menurut Skenario RIKEN………...6 Data pengujian beban 5 Watt………………………………………… Tabel.4.7 Data pengujian beban 10 watt………………………………………..
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 3.5 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 5 sudu……………………………………… Tabel.4.5 Data pengujian beban 3 Watt………………………………………… Tabel.4.
Tabel.4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt…………………………………. Tabel.4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt………………………………….
36
Tabel.4.10 Data pengujian 5 sudu beb an 3 Watt………………………………... Tabel.4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt………………………………...
Tabel.4.12 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt………………………………... Tabel.4.13 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt………………………………... Tabel.4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt………………………………. Tabel.4.15 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt……………………………….
8
8
31
35
55
Tabel.4.16 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt………………………………. Tabel.4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu lurus dan jumlah sudu 6 buah dengan sudu pengarah……....……….
Tabel.4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil NACA 4415 dan jumlah sudu 5 buah beban 10 W ...........…………. Tabel.4.19 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dengan Darrieus –H.....
55
64
65
65