Karakteristik Model Turbin Angin Untwisted Blade Dengan Menggunakan Tipe Airfoil Nrel S833 Pada Kecepatan Angin Rendah
KARAKTERISTIK MODEL TURBIN ANGIN UNTWISTED
BLADE DENGAN MENGGUNAKAN TIPE AIRFOIL NREL S833 PADA KECEPATAN ANGIN RENDAH SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : MUHAMMAD FARIEDL FAQIHUDDIN NIM. I0408051 -JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2013
KARAKTERISTIK MODEL TURBIN ANGIN UNTWISTED BLADE
DENGAN MENGGUNAKAN TIPE AIRFOIL NREL S833 PADA
KECEPATAN ANGIN RENDAH
Muhammad Fariedl FaqihuddinJurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta Indonesia E-mail : fazzia18@gmail.com
Abstrak Kebutuhan energi yang terus meningkat dari waktu ke waktu menyebabkan kelangkaan energi di berbagai negara. Untuk mengatasi kelangkaan energi ini beberapa negara berpacu untuk membangkitkan energi dari sumber- sumber energi baru terbarukan. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan. Pada daerah berkecepatan angin rendah turbin angin skala kecil dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik.
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik model turbin angin yang bekerja pada kecepatan angin rendah. Model turbin angin yang digunakan berupa turbin angin sumbu horizontal tiga sudu dengan diameter rotor 70 cm. Sudu turbin angin berbentuk untwisted, terbuat dari bahan fiberglass dan memiliki penampang airfoil NREL S833. Angin yang digunakan pada penelitian ini berasal dari kipas angin yang berfungsi sebagai sumber angin dengan variasi kecepatan angin 2,43 m/s, 2,98 m/s dan 3,23 m/s.
Dari hasil penelitian didapat bahwa model turbin angin bekerja maksimal pada sudut pitch 10 . Pada sudut pitch tersebut didapat grafik karakteristik daya terhadap kecepatan putar dan koefisien daya (c ) terhadap Tip Speed Ratio
p
pada setiap variasi kecepatan angin. Daya maksimum yang diperoleh pada setiap variasi kecepatan angin 2,43 m/s, 2,98 m/s dan 3,23 m/s berturut-turut adalah 0,605 W pada 406 rpm dengan c
p
dengan c =6,3; dan 1,673 W pada 561 rpm dengan c =0,21 pada
p p
Kata kunci: turbin angin, sudut pitch, koefisien daya, Tip Speed Ratio
CHARACTERISTICS OF THE NREL S833 UNTWISTED BLADE WIND
TURBINE MODEL WORKING ON LOW WIND SPEED Muhammad Fariedl FaqihuddinDepartement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia E-mail : fazzia18@gmail.com
Abstract Increasing energy needs from time to time lead to scarcity of energy in many countries. To overcome this energy shortages several countries race to generate energy from new sources of renewable energy. Wind is one of the renewable energy source that is environmentally friendly. In the area of low wind speed small scale wind turbines can be used to generate electrical energy.
This research was conducted to find out the characteristics of the wind turbine model working on low wind speed. Model of the wind turbine used is a three bladed horizontal axis wind turbine with a rotor diameter of 70 cm. The Wind turbine has untwisted blades, made of fiberglass and has a cross-section of airfoil NREL S833. The wind used in this study came from a fan that serves as the source of the wind with wind speed variation of 2,43 m/s, 2,98 m/s and 3,23 m/s.
The result of the study showed that the wind turbine model works the best at pitch angle of 10 . On the 10 pitch angle, the characteristics of the power to rotation speed and the power coefficient (c
p
wind speed variation were derived. The maximum power derived at wind speed of = 6.3.
Keywords: wind turbine, pitch angle, power coefficient, tip speed ratio
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta hidayah kepada penulis sehingga mampu melaksanakan dan menyelesaikan
Untwisted Blade Dengan Menggunakan Tipe Airfoil NREL S833 Pada Kecepatan
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam mengerjakan skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada semua pihak atas segala bantuan dan perhatian selama penulis menyelesaikan skripsi ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Prof. Muhammad Nizam, ST., MT., Ph.D selaku Dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D selaku Dosen Pembimbing II yang turut serta memberikan motivasi, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Dr. Dwi Aries Himawanto, ST., MT., Bapak Zainal Arifin, ST., MT., dan Bapak Jaka Sulistya Budi, ST. selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.
4. Bapak Eko Prasetyo Budiana, ST., MT. selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin
6. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT. selaku koordinator Tugas Akhir.
7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Seluruh staf karyawan administrasi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan kemudahan dalam hal administrasi.
9. Staf laboratorium Proses Produksi, Mas Arifin dan Mas Endri yang telah banyak memberi arahan dalam manufacturing and troubleshooting alat.
10. Ayah, Ibu dan adik- material dan spiritual dalam menyelesaikan skripsi.
11. Rekan-rekan seperjuangan di Cosinus 08, kakak tingkat dan adik tingkat di Jurusan Teknik Mesin UNS, M-solidarity forever!!
12. Special thanks to Mazzia Mega Rizki Izzatika, makasih atas kesabarannya menunggu dan buat segala perhatian serta pengertiannya ^_^.
13. Dan semua pihak yang telah mendukung kelancaran skripsi penulis yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
Pada akhirnya penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak supaya menjadi masukan yang sangat berguna bagi penulis untuk memperbaiki dan menyempurnakan penulisan lain yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap semoga laporan skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, 19 September 2013 Penulis
DAFTAR ISI
6 2.2.2. Klasifikasi Kecepatan Angin ....................................
22 3.2. Alat dan Bahan ...................................................................
21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian ...............................................................
20 2.2.6. Daya Poros ...............................................................
18 2.2.5. Prony Brake ..............................................................
7 2.2.4. Sudut Pitch ...............................................................
6 2.2.3. Turbin Angin ............................................................
6 2.2.1. Energi Angin ............................................................
Halaman Halaman Judul........................................................................................... i Surat Penugasan ........................................................................................ ii Halaman Pengesahan ................................................................................ iii Motto ......................................................................................................... iv Persembahan ............................................................................................. v Abstrak .................................................................................................... vi Kata Pengantar ........................................................................................ viii Daftar Isi .................................................................................................. x Daftar Gambar .......................................................................................... xii Daftar Tabel .............................................................................................. xiv Daftar Notasi ............................................................................................ xv
4 2.2. Dasar Teori .........................................................................
3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................
3 1.5. Sistematika Penulisan ........................................................
2 1.4. Tujuan dan Manfaat ...........................................................
2 1.3. Batasan Masalah .................................................................
1 1.2. Perumusan Masalah ...........................................................
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ...................................................................
22
3.3. Prosedur Penelitian .............................................................
25 BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Data Hasil Pengujian ..........................................................
31 4.2. Perhitungan Data ................................................................
35 4.3. Karakteristik Model Turbin Angin Untwisted Blade .........
37 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ........................................................................
42 5.2. Saran ...................................................................................
42 DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................
43
DAFTAR GAMBAR
21 Gambar 3.1 Profil airfoil NREL S833...................................................
27 Gambar 3.11 Titik-titik pengukuran kecepatan angin .............................
26 Gambar 3.10 Instalasi alat penelitian ......................................................
25 Gambar 3.9 Skema instalasi alat penelitian...........................................
25 Gambar 3.8 Variasi beban .....................................................................
24 Gambar 3.7 Busur derajat dan jarum penunjuk.....................................
24 Gambar 3.6 Timbangan digital pada mekanisme prony brake .............
24 Gambar 3.5 Tachometer digital.............................................................
23 Gambar 3.4 Anemometer digital ...........................................................
23 Gambar 3.3 Kipas angin ........................................................................
22 Gambar 3.2 Model turbin angin ............................................................
20 Gambar 2.11 Prony brake .......................................................................
Halaman
18 Gambar 2.10 Kecepatan dan gaya yang bekerja pada penampang sudu turbin angin........................................................................
17 Gambar 2.9 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi aliran udara......................
16 Gambar 2.8 Nilai koefisien daya dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin........................................................................
14 Gambar 2.7 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara ......
11 Gambar 2.6 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas ........................................................................
10 Gambar 2.5 Berbagai jenis turbin angin vertikal ..................................
8 Gambar 2.4 Turbin angin jenis Upwind dan Downwind .......................
7 Gambar 2.3 Turbin angin jenis drag dan lift .........................................
6 Gambar 2.2 Flagging (efek dari angin yang kuat pada vegetasi dapat menentukan kelas kekuatan angin) dan indeks deformasi Griggs-Putnam...................................................................
Gambar 2.1 Klasifikasi kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah ..................................................................................28
Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan putar poros dan sudut pitch pada variasi kecepatan angin ............................................37 Gambar 4.2 Grafik hubungan daya poros dan sudut pitch pada variasi kecepatan angin .................................................................
38 Gambar 4.3 Grafik hubungan daya dan putaran poros pada sudut
pitch 10 .............................................................................
39 Gambar 4.4 Grafik hubungan Cp dan TSR pada sudut pitch 10 ..........
40
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1 Data kecepatan angin rata-rata I ........................................
31 Table 4.2 Data kecepatan angin rata-rata II.......................................
32 Table 4.3 Data kecepatan angin rata-rata III .....................................
32 Tabel 4.4 Data putaran poros (N) dan beban total (m) dengan pembebanan 0,073 Kg pada variasi sudut pitch ................
33 Table 4.5 Data putaran poros (N) dan beban total (m) pada sudut
pitch 10 dengan variasi pembebanan ...............................
34 Table 4.6 Daya maksimal dan putaran rotor optimal model turbin angin ..................................................................................
40 Table 4.7 c maksimal dan TSR model turbin angin .........................
41
p
DAFTAR NOTASI
= Gaya drag (N) F
= Radius poros (m)
s
) m = Massa udara (kg) N = Kecepatan putar rotor (rpm) P = Daya mekanik rotor (W) P = Daya total yang tersedia dalam angin (W) r = Jarak elemen sudu dari pusat rotasi (m) R e = Radius efektif (m) R
2
= Thrust g = Gaya gravitasi (m/s
T
= Gaya lift (N) F r = Torsi (Nm) F s = Gaya yang terukur pada pegas (N) F
L
= Gaya efektif (N) F
e
A = Luas sapuan rotor (m
2
= Koefisien lift C D = Koefisien drag c p = Koefisien daya D = Diameter rotor (m) E = Energi kinetik (J) F = Gaya (N) F
L
C
) a = Faktor induksi aksial = Faktor induksi tangensial c = Panjang chord sudu (m)
2
2 = Luas penampang aliran udara setelah melewati rotor (m
) A
2
= Luas penampang aliran udara sebelum melewati rotor (m
1
) A
D R = Radius tali (m)
r
T = Torsi (Nm) V = Laju volume udara (m3/s) v = Kecepatan angin (m/s) v = Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor (m/s)
1
v = Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s)
2
= Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s) W = Kecepatan angin relatif (m/s)
= Laju aliran massa udara (kg/s)
3
= Massa jenis udara (kg/m ) = Tip Speed Ratio (TSR) = Kecepatan angin yang datang dari arah tegak lurus bidang rotor (m/s)
w
= Kecepatan angular sudu (rad/s) = Sudut serang ( ) = Sudut pitch ( ) = Sudut antara resultan kecepatan relatif dengan arah tangensial ( )