UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH SKRIPSI

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH SKRIPSI

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LIBERT SIJABAT NIM. 080401070 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

  

ABSTRAK

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang

mengonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin

  

Darrieus H merupakan salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal yang

memanfaatkan lift force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin

besar lift force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar.

  Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi

jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018

dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m

dan 1,5 m Pada pengujian ini, variasi sudut pitch adalah 0 , 2 , 4 , 6 , 8 , 10 ,

dan 12 .

  Hasil pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari

jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 6 masing – masing memiliki efisiensi

pada tip speed ratio yaitu = 16,56 %, = 0,79; = 16,18 %, = 0,77; dan

  = 13,03 %, = 0,69. Dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin

  

angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi

angin pada sudut pitch = 6 , sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih

efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch = 6 . Daya dan

putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah

diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

  

Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio,

efisiensi

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melakukan aktivitas terutama kegiatan penelitian dan menyusun tugas akhir sebagai pertanggungjawaban atas hasil penelitian yang telah dilakukan.

  Tugas akhir ini memuat Uji Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Dengan Profil Sudu NACA 0018 dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Jumlah Sudu dan Sudut Serang. Efektifitas sudu turbin dalam meng- ekstrak energi kinetik angin dapat dilihat dari besarnya daya output yang dapat dihasilkan. Besarnya daya output yang dihasilkan tergantung dari jumlah sudu dan sudut serang turbin angin. Hal ini dapat dilihat dari nilai koefisien daya dan tip

  speed ratio poros turbin angin.

  Proses pembuatan objek 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 sebagai dosen pembimbing yang memberikan bimbingan dan arahan sehingga penelitian ini berjalan dengan baik dan benar.

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

  3. Kedua orang tua penulis, Wilson Sijabat dan Rumi Situmorang 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. Saudara Kandung Penulis Silvia Christina Sijabat dan Willi Kaham Sijabat yang selalu memberikan dukungan.

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

  6. Rekan – rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Eka Wira Napitupulu yang telah bekerja bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

  7. Teman-teman seperjuangan dari tim Hidram, tim Pelton, tim Vortex dan tim lainnya yang turut membantu dan mendukung menyelesaikan skripsi ini.

  Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan 8. satu-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

  Teman-teman satu kos dari betlehem camp dan berdikari 94a yang turut 9.

memberikan dukungan moral dalam menyelesaikan skripsi ini.

  10. Irma Meliaki Simamora untuk kasih, doa, dan dukungan yang tidak terbatas kepada penulis. Penyusun menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik dari segi teknis dan materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan laporan ini, kritik dan saran pembaca sangat penulis harapkan, sehingga laporan akhir ini lebih sempurna.

  Medan, 20 Juli 2013 Libert Sijabat

  

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ............................................................................................ i

DAFTAR ISI ........................................................................................................... iii

DAFTAR SIMBOL ................................................................................................ vii

DAFTARGAMBAR ............................................................................................... ix

DAFTAR TABEL .................................................................................................. xi

  

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 ................................................................................... 4

  1.5 Sistematika Penulisan .............................................................................. 4

  1.6 Metode Pengumpulan Data ...................................................................... 5

  

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 6

  2.1 Energi Angin ........................................................................................... 6

  2.1.1 Asal energi angin ………………………………………………… 6

  2.1.2 Kandungan energi dalam angin ………………………………….. 7

  2.1.3 Pengukuran angin ……………………………………………….. 7

  2.2 Potensi Angin di Indonesia .......................................................................8

  2.3 Turbin Angin…………………………………………………………… 10

  3.3 Pelaksanaan Penelitian ............................................................................ 36

  4.1.3 Data pengujian beban 3 watt .......................................................... 44

  4.1.2 Data pengujian tanpa beban ............................................................ 44

  4.1.1 Pengukuran kecepatan angin .......................................................... 41

  4.1 Hasil Pengujian .........................................................................................41

  

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA .................................. 41

  3.4 Diagram Alir Penelitian ........................................................................... 40

  3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ......................................... 37

  3.3.1 Tahap persiapan ............................................................................. 36

  3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ...................................................... 25

  2.3.1 Defenisi dan Pengelompokan Turbin Angin ……………………... 10

  3.1 Tempat Penelitian ................................................................................... 25

  

BAB III METODE PENELITIAN ...................................................................... 25

  2.8 Generator .................................................................................................. 23

  2.7 Karakteristik Daya Rotor ......................................................................... 22

  2.6 Power Coefficient dan Tip Speed Ratio .................................................... 19

  2.5 Gaya Aerodinamik Pada Turbin Angin .................................................... 16

  2.4 Airfoil…………………………………………………………………… 14

  2.3.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal …………………………………… 12

  2.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal ……………………………........ 11

  4.1.4 Data pengujian beban 5 watt …………………….……………… 44

  4.1.5 Data pengujian beban 10 watt ........................................................ 45

  4.2 Analisa Data ............................................................................................. 45

  4.2.1 Perhitungan daya angin ................................................................. 45

  4.2.2 Perhitungan tip speed ratio ........................................................... 46

  4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ............................................................ 46

  4.3 Grafik Pengujian ...................................................................................... 50

  4.3.1 Grafik pengujian 3 sudu ……………………..…………………... 50

  4.3.2 Grafik pengujian 4 sudu ………………………………………... 53

  4.3.3 Grafik pengujian 5 sudu ………………………………………... 56

  4.4 Perbandingan Turbin Angin Savonius Dengan Turbin Angin Darrieus H………………………………………………………………………. 59

  

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 61

  5.1 Kesimpulan .............................................................................................. 61

  5.2 Saran ......................................................................................................... 61

  

DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................. 63

LAMPIRAN

  L1. Hasil Percobaan dan Ketidakpastian ...................................................... 63 L2. Skema Pengujian Turbin Angin Darrieus H ........................................... 77 L3. Tabel Sifat Udara ................................................................................... 78 L4. Koordinat NACA 0018 .......................................................................... 79 L5. Sudu Turbin Angin Darrieus H................................................................. 81

  L6. Rotor Turbin Angin Darrieus H ............................................................. 82 L7. Instalasi Turbin Angin Darrieus H …………….……………………… 83 L8. Hub Turbin Angin Darrieus H ……………………….……………….. 84 L9. Data Kecepatan Angin di Indonesia ………………………………….. 85 L10. Nilai Ekonomis Turbin Angin ……………………………………….. 86

  L11. Taksasi Biaya Pembuatan Turbin Angin ……………………………. 87

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 A luas sapuan rotor, m

  c panjang chord sudu, m C kecepatan absolut elemen sudu C D koefisien drag C koefisien lift

  L C p koefisien daya C p,max koefisien daya maksimum d diameter turbin, m D gaya drag, N F gaya, N F max gaya maksimum, N 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, rpm

  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 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

  3

  kerapatan angin, kg/m ! sudut serang (angle of attack), ( ) sudut azimuthal sudu, ( )

  tip speed ratio

  rasio kepadatan sudu (solidity)

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Indeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon………………... 9Gambar 2.2 Aliran Angin di Indonesia………………………………………….. 10Gambar 2.3 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal ………………… 12Gambar 2.4 Jenis-Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal…………………………. 14Gambar 2.5 Airfoil ……………………………………………………………… 16Gambar 2.6 Penampang sudu……………………………………………………. 17Gambar 2.7 Fenomena drag dan lift …………………………………………….. 18Gambar 2.8 Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin……………….. 19Gambar 2.9 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin ………………………………. 21Gambar 2.10 Kurva hubungan Tip speed ratio ( ) terhadap rotor power

  coefficient (C PR ) pada berbagai jumlah sudu……………………….. 22

Gambar 2.11 Kurva hubungan antara Tip-speed ratio terhadap

  

Rotor power coefficient (C PR ) pada berbagai jenis turbin

  angin………………………………………………………………... 24

Gambar 3.1 Prototipe Turbin Angin Darrieus H ................................................... 30Gambar 3.2 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0018…………. 32Gambar 3.3 Digital Multimeter ............................................................................. 33Gambar 3.4 Digital Tachometer ........................................................................... 34Gambar 3.5 Thermo-Anemometer ......................................................................... 35Gambar 3.6 Motor listrik ....................................................................................... 35Gambar 3.7 Permanent Magnet Generator (PMG)............................................... 36Gambar 3.8 Busur ................................................................................................. 36Gambar 3.9 Prosedur Pengujian ………………………………………………… 38Gambar 3.10 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan .......... 39Gambar 3.11 Diagram alir penelitian ...................................................................... 40Gambar 4.1 Pengukuran Kecepatan Angin ........................................................... 41Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah.............................................. 50Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah ……. 51Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

  tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

  jumlah sudu 3 buah ………………………………………………... 52

Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah.............................................. 53Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah ……. 54Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

  tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

  jumlah sudu 4 buah ………………………………………………... 55

Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah.............................................. 56Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut serang ( angle of attack) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah ……. 57Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut serang (angle of attack) terhadap

  tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan

  jumlah sudu 5 buah ………………………………………………... 58

Gambar 4.11 Grafik pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin angin

  Darrieus H …………………………………………………………. 59

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.3 Hasil pengukuran pada efisiensi maksimum …................................... 43Tabel 4.12 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 48Tabel 4.11 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 48Tabel 4.10 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 47Tabel 4.9 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 47Tabel 4.8 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt ………………………………... 47Tabel 4.7 Data pengujian beban 10 Watt ............................................................ 45Tabel 4.6 Data pengujian beban 5 Watt ..…......................................................... 44Tabel 4.5 Data pengujian beban 3 Watt ……………………………………....... 44Tabel 4.4 Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu …….................................................. 44Tabel 4.2 Hasil Teoritis …................................................................................... 43Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia………………………............. 9Tabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik …........................................ 42Tabel 3.5 Spesifikasi anemometer……….. ......................................................... 34Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……... ............................................................. 32Tabel 3.3 Spesifikasi sudu………………........................................................... 31Tabel 3.2 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H..................................... 31Tabel 3.1 Koefisien lift C L , koefisien drag C D dan gaya tangensial untuk airfoil NACA 0018…………………………………………… 29

  …………………………………………………………… 14

  dan Tipe H

Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Angin Savonius, DarrieusTabel 4.13 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 48Tabel 4.14 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt................................................. 49Tabel 4.15 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 49Tabel 4.16 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 49Tabel 4.17 Data pengujian turbin angin Savonius dengan profil sudu lurus dan jumlah sudu 6 buah dengan sudu pengarah …………………………. 60Tabel 4.18 Data pengujian turbin angin Darrieus H dengan profil sudu airfoil

  NACA 0018 dan jumlah sudu 3 buah ……………………………….. 60 Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban.................................................... 65 Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt.................................................. 66 Tabel L.3 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 67 Tabel L.4 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt.................................................... 68 Tabel L.5 Data pengujian 4 sudu tanpa beban.................................................... 69 Tabel L.6 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 70 Tabel L.7 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 71 Tabel L.8 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 72 Tabel L.9 Data pengujian 5 sudu tanpa beban.................................................... 73 Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 74 Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 75 Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 76 Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir................................................. 77 Tabel L.14 Koordinat airfoil NACA 0012……..................................................... 79 Tabel L.15 Nilai ekonomis berbagai sumber energi ……...................................... 86 Tabel L.16 Taksasi biaya pembuatan prototipe turbin angin Darrieus-H ……...... 87