RANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUSH MENGGUNAKAN ANALISIS BANYAK SUDU PADA ROTOR TURBIN
POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012
RANCANGAN TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUSH MENGGUNAKAN ANALISIS BANYAK SUDU PADA ROTOR TURBIN
Gede Eka Lesmana, Ismail, Yohannes Dewanto
Jurusan teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila Jl.Srengeng Sawah, Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640/telp (021)7272290, fax (021)7270128 Email: gd_eka_l@yahoo.com, ismail2k7@gmail.com, dewantoandreas@yahoo.com
Abstract This paper discusses one of the renewable energy derived from wind, to be converted into electrical energy. One type of wind turbine is a vertical axis wind turbines. Of this type turbine utilize lift force on the blade airfoil to rotate. Rotor rotation speed is determined by the availability of wind magnitude and magnitude thrust the blade, so the installation of blade angle settings to be an interesting thing to study in order to obtain a high efficiency turbine designs. From the simulation results concluded that the rotor with two blades as the best configuration, the rate of increase in the largest lap, and has a torque greater than the rotor with three or four blades Keywords : Wind turbine, Blade, Rotor, Torque.
Abstrak Makalah ini membahas salah satu energi terbarukan yang berasal dari angin, untuk dikonversi menjadi energi listrik. Salah aplikasinya adalah turbin angin sumbu vertikal. Turbin jenis ini memanfaatkan gaya angkat pada airfoil untuk memutar blade. Kecepatan putaran rotor ditentukan oleh besarnya angin, blade dan banyak blade, jadi pengaturan sudu blade menjadi hal yang menarik untuk mendapatkan desain turbin dengan efisiensi tinggi. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa rotor dengan dua blade sebagai konfigurasi terbaik, tingkat kenaikan terbesar, dan memiliki torsi lebih besar dari rotor dengan tiga atau empat blade.
Kata Kunci : Turbin Angin, Sudu, Rotor, Torsi
alternatif terbarukan yang ramah I.
PENDAHULUAN
lingkungan adalah energi yang berasal Kebutuhan energi yang semakin dari angin. meningkat seiring dengan perkembangan teknologi saat ini Untuk mengkonversi energi angin mendorong pemerintah Indonesia untuk menjadi energi listrik dibutuhkan turbin mengupayakan sumber energi baru dan angin, salah satu jenis turbin angin terbarukan mengingat jumlah adalah turbin angin sumbu vertikal. ketersediaan energi yang bersumber dari Turbin jenis ini memanfaatkan gaya bahan bakar fosil makin berkurang. dorong (lifi force) pada sudu Krisis energi ini harus ditangani dengan berpenampang airfoil untuk berputar. sangat serius, karena selain jumlah Kecepatan putaran rotor ditentukan ketersediaan bahan bakar fosil yang dengan besarnya ketersediaan angin dan sudah menipis, dampak negatif terhadap besarnya gaya dorong sudu, sehingga lingkungan dari penggunaan bahan pengaturan sudut pemasangan sudu bakar fosil sudah sangat menjadi hal yang menarik untuk diteliti mengkhawatirkan. Salah satu energi
Gede Eka Lesmana, Rancangan Turbin Angin, ……………..
248 agar diperoleh desain turbin dengan efisiensi tinggi.
Energi angin yang bersih karena tidak menghasilkan polusi dan selalu tersedia mendorong peneliti untuk melakukan survei potensi energinya di seluruh Indonesia. Hal ini telah dilakukan Lembaga Antarikasa dan Penerbangan Nasional (LAPAN) di 20 daerah. Kecepatan angin rata-rata tahunan di Indonesia menyentuh angka 3 - 4 meter per detik. Namun, hanya beberapa daerah yang memiliki energi angin potensial antara lain; Sulawesi Selatan, pantai Selatan Jawa, Nusa Tenggara Barat (NTB) dan Nusa Tenggara Timur (NTT) dengan kecepatan angin lebih dari 5 meter per detik, Diperkirakan keseluruhan potensi energi angin di Indonesia sekitar 9.29 GW dengan kapasitas terpasang sebesar 2 MW.
Turbin angin terdiri atas beberapa subsistem dan komponen-komponen yang berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi listrik, Untuk mendapatkan hasil yang optimum, maka komponen-komponen yang digunakan seperti menara, sudu, system pengereman (brake system), generator, yaw system, dan sistem penyimpanan energi (baterai) harus memenuhi beberapa kriteria sehingga menghasilkan efisiensi yang tinggi, meningkatkan keamanan dan memberikan kemudahan dalam perawatan serta sesuai dengan karakteristik yang diinginkan. Gambar 1 menunjukkan komponen-komponen turbin angin sumbu horizontal skala besar.
Menara (Tower)
Menara berfungsi untuk menumpu rotor dan komponen lain yang terpasang di atasnya pada ketinggian yang diinginkan. Dalam merancang menara turbin harus disesuaikan dengan beberapa kondisi pokok seperti kemampuan dalam menerima beban, nilai ekonomis suatu menara, dan kemudahan dalam mengakses sehingga tidak kesulitan dalam melakukan perawatan komponen-komponen turbin angin.
Kecepatan angin semakin meningkat dengan meningkatnya ketinggian, sehingga tinggi menara mempengaruhi kecepatan angin pada rotor, artinya apabila ingin menghasilkan daya yang besar maka menara harus dibuat lebih tinggi. Namun perlu diingat, semakin tinggi menara semakin besar pembebanan yang terjadi sehingga dibutuhkan menara dengan kontruksi yang semakin kuat sehingga membutuhkan biaya yang lebih besar.
Pada turbin angin sumbu vertikal skala kecil menara tidak dibutuhkan sehingga turbin angin jenis ini lebuh baik diletakkan pada tempat yang memiliki ketinggian yang cukup seperti diatap gedung bertingkat.
II. METODE PENELITIAN
Gambar 1. Komponen-komponen turbin angin Gambar 2. Generator jenis GL-PMG-
500A
sudu rotor Poros putaran rendah
Sistem transmisi Sistem pengereman
Poros putaran tinggi generator POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012
Sudu (Blade)
Sudu merupakan komponen terpenting turbin angin karena pada sudu inilah energi kinetik dari hembusan angin diubah menjadi energi mekanik. Untuk menghasilkan kinerja yang maksimal maka perlu di perhatikan parameter- parameter dalam merancang sudu turbin angin, antara lain; potensi angin yang tersedia yang merupakan factor terpenting dalam perancangan sebuah turbin angin, penampang airfoil, jumlah sudu, lalu geometri dan soliditas sudu.
Sistem Pengereman (Brake System)
Kondisi angin yang terkadang melebihi dari kebutuhan, kecepatan angin yang terlalu besar dapat merusak generator karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya, sehingga kecepatan putaran poros generator tidak boleh melebihi batas yang diizinkan untuk menghindari kerusakan akibat putaran berlebih seperti panas berlebih (overheat), rotor
breakdown dan lainnya.Untuk itu
dibutuhkan sistem pengereman untuk mengurangi kecepatan putaran rotor agar tidak berlebihan sehingga generator dapat bekerja dengan maksimal dan menghindari kerusakan pada generator. Pada turbin angin sumbu vertikal skala kecil, sistem pengereman tidak dibutuhkan, karena turbin tidak dilengkapi dengan transmisi untuk menambah kecepatan rotor sehingga kecepatan putaran yang dihasilkan tidak terlalu tinggi.
Generator
Generator berfungsi untuk merubah energi putar poros menjadi energi listrik dengan gelombang arus sinusodal (AC). Kecepatan angin yang tidak tetap mengakibatkan generator harus bekerja pada putaran yang tidak konstan, sehingga akan menghasilkan tegangan keluaran (output voltage) yang tidak stabil, sehingga dibutuhkan pengatur tegangan (voltage regulator) agar tegangan yang dihasilkan stabil walaupun kecepatan angin berubah- ubah. Turbin angin skala kecil menggunakan Permanent Magnet
Generator (PMG), generator jenis ini
sudah memiliki voltage regulator terintegrasi. Contoh PMG bisa dilihat pada gambar 2.
Yaw System
Sistem yang mengatur posisi baling- baling agar tetap menghadap angin, sehingga baling-baling dapat menangkap energi angin seefisien mungkin. Pada turbin angin sumbu vertikal sistem ini tidak dibutuhkan karena salah satu kelebihan turbin angin jenis ini adalah dapat menangkap energi angin dari arah manapun.
Anemometer
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan dan arah angin, sinyal elektronis dari anemometer ditangkap oleh electronic controller yang kemudian digunakan sebagai acuan kerja turbin. Apabila kecepatan angin terlalu tinggi, anemometer akan memberikan sinya agar sistem pengereman bekerja. Hal ini untuk menghindari putaran turbin yang berlebihan sehingga dapat merusak generator dan komponen turbin angin lainnya. Pada turbin angin skala kecil perangkat ini tidak diperlukan karena pada turbin angin jenis ini tidak terdapat sistem pengereman.
Transmisi
Untuk menghasilkan energi listrik yang besar maka dibutuhkan putaran generator yang besar pula, namun putaran yang dihasilkan dari putaran rotor biasanya sangat rendah sehingga diperlukan mekanisme transmisi untuk menambah kecepatan putaran poros generator. Perlu diingat bahwa penambahan putaran pada poros generator mengurangi nilai torsi dihasilkan, sehingga harus diperhatikan agar nilai torsi tidak lebih rendah dari torsi minimum generator.
Gede Eka Lesmana, Rancangan Turbin Angin, ……………..
Penyimpan Enerji (Baterai) yang berbeda yaitu; rotor dengan dua Karena keterbatasan energi angin maka sudu, tiga sudu, dan empat sudu.
ketersediaan listrik pun tidak menentu. Namum sebelum pembahasan data hasil Oleh kerena itu digunakan alat simulasi, ada beberapa hal yang perlu penyimpan energi yang berfungsi disampaikan terkait dengan proses sebagai back-up energi listrik. Ketika simulasi antara lain : beban penggunaan daya listrik
1. Kemampuan turbin angin sumbu masyarakat meningkat atau kecepatan vertikal dalam mengkonversi energi angin suatu daerah sedang menurun, angin sangat tergantung dari mana maka kebutuhan permintaan akan daya arah angin datang, karena listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh penampang airfoil memiliki karena itu diperlukan penyimpan karakteristik berbeda saat sebagian energi yang dihasilkan ketika bertumbukan dengan angin dalam terjadi kelebihan daya pada saat turbin sudut serang yang berbeda. angin berputar kencang atau saat 2. penggunaan pada masyarakat menurun.
Pada saat proses simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Kendala dalam menggunakan alat ini
CFdesign, jumlah iterasi maksimal adalah diperlukannya catu daya DC yang dicapai adalah 160 langkah untuk mengisi energi, sedangkan dari iterasi untuk rotor turbin dua sudu generator dihasilkan catu daya AC, oleh dan tiga sudu, serta 80 langkah karena itu diperlukan rectifier-inverter iterasi untuk rotor turbin empat untuk mengakomodasi keperluan ini. sudu. Sehingga harus menggunakan
Rectifier – Inverter
jumlah langkah iterasi terkecil agar
Rectifier berarti penyearah arus,
perbandingannya relevan. Dengan
rectifier dapat menyearahkan arus listrik Time Step Size 0.1, maka hasil
dengan gelombang sinusodal (AC) yang simulasi yang dapat ditanyangkan dihasilkan oleh generator menjadi adalah 8.0 detik setelah tumbukan gelombang DC sehingga arus yang antara sudu turbin dengan angin. dihasilkan dapat disimpan ke dalam
Pengujian untuk 2 sudu
baterai. Beberapa turbin angin tidak dilengkapi dengan rectifier karena arus listrik yang dihasilkan langsung digunakan tanpa disimpan terlebih dahulu. Inverter berarti pembalik, ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi (baterai) maka arus listrik yang dihasilkan oleh baterai akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan
Gambar 3. Grafik torsi rotor dua sudu rumah tangga menggunakan listrik dengan gelombang AC, maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan baterai menjadi gelombang AC agar dapat digunakan.
III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dalam sub bab ini, akan dianalisis data Gambar 4. Grafik putaran rotor dua hasil simulasi yang diperoleh dari sudu pengujian tiga jenis rotor turbin angin
250 POLITEKNOLOGI VOL. 11 NO. 3, SEPTEMBER 2012
Pengujian untuk 3 sudu
Gambar 10. Grafik perbandingan torsi Gambar 5. Grafik torsi rotor tiga sudu rotor
Pada grafik Gambar 9, sangat jelas terlihat bahwa rotor dengan dua buah sudu dapat berputar lebih baik pada awal putaran daripada rotor dengan 3 sudu empat sudu pada kecepatan angin 4.5 [m/s]. Hal ini dikarenakan kecepatan angin yang relatif sangat
Gambar 6. Grafik putaran rotor tiga rendah, sehingga tidak memiliki cukup sudu tenaga untuk memutar turbin dengan
Pengujian untuk 4 sudu
sudu lebih banyak. Hal ini terlihat dalam grafik bahwa rotor dengan tiga buah sudu dapat menghasilkan putaran yang lebih besar daripada rotor dengan empat buah sudu. Makin besar jumlah sudu rotor maka bobot (massa) rotor makin besar, sehingga membutuhkan kecepatan angin yang lebih besar untuk
Gambar 7. Grafik torsi rotor empat sudu dapat memutarnya.
Dalam grafik Gambar 10, rotor dengan dua buah sudu menghasilkan torsi yang lebih tinggi dibandingkan rotor dengan empat atau tiga buah sudu. Namun, penurunan torsi yang terjadi juga lebih besar. Hal ini terjadi karena jumlah sudu mempengaruhi area tangkapan
Gambar 8. Grafik putaran rotor empat angin (swept area) pada rotor. Semakin sudu kecil jumlah sudu maka semakin kecil juga area tangkapan angin sehingga
Perbandingan Putaran Rotor dan
disaat sudu pada posisi dimana tidak
Torsi pada tiap Konfigurasi
dapat mengkonversi angin dengan maksimal, torsi akan turun. Para rotor dengan jumlah sudu lebih besar, torsi yang dihasilkan tidak terlalu besar, namun penurunannya pun tidak terlalu signifikan sehingga lebih stabil.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian melalui simulasi, Gambar 9. Grafik Perbandingan Putaran diketahui rotor dengan dua buah sudu
Rotor memiliki putaran rotor turbin dengan
Gede Eka Lesmana, Rancangan Turbin Angin, ……………..
[8] Mulyadi, Muhammad.
12 Januari 2011, 13:32 WIB
WIB [13] http://id.wikipedia.org/wiki/Turbi n_angin , 21 Oktober 2010, 17:04 WIB
21 Oktober 2010, 16:24
[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Wind _power , 21 Oktober 2010, 16:09 WIB
21 Oktober 2010, 16:01 WIB
21 Okto ber 2010, 15:56 WIB
[9]
Analisa Aerodinamika Pada Sayap Terbang Dengan Menggunakan Software Comput ational Fluid Dynamic, Makalah Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma. Depok.
Pembuatan Kode Desain Dan Analisis Turbin Angin Sumbu Vertikal Darrieus Tipe-H. Jurnal Teknologi Dirgantara. Institut Teknologi Bandung: Bandung
252 peningkatan putaran yang sangat signifikan begitu pula dengan torsi yang dihasilkan memiliki nilai yang lebih tinggi daripada rotor dengan tiga atau empat buah sudu.
[7] Arsad, Agus Muhamad, dkk 2009.
Alat Konversi Energi Angin Type Savonius Sebagai Pembangkit Listrik Pada Pulau Bawean, Jurnal Teknik Jurusan Teknik Kelautan – Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya
[6] Hidayatulloh,N.R, dkk 2009. Desain
Baru Terbarukan dan Konservasi Energi, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (KESDM): Jakarta, 2010
[5] Blueprint Pengembangan Energi
Nasional 2005-2025, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (KESDM): Jakarta, 2005
[4] Blueprint Pengelolaan Energi
World Wind Energy Association (WWEA): Germany, 2010
[3] World Wind Energy Report 2009,
Dadang, dkk 2010, Peningkatan Daya Keluaran Sel Surya Dengan Penjejak Matahari Dan Pemantulan Cahaya Matahari Sebagai Sumber Daya Pendukung Perusahaan Listrik Negara (PLN), Jurnal Teknik Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya: Surabaya
[2]
Kelayakan Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) di Paneungpeuk, Tugas Akhir Teknik Mesin, Universitas Pancasila: Jakarta
[1] Fitaistiana. Voni 2008, Studi
Rotor dengan tiga buah sudu memiliki putaran dengan peningkatan yang lebih stabil daripada rotor dengan dua buah sudu, namun memiliki nilai yang lebih rendah. Rotor dengan empat buah sudu menunjukkan laju putaran yang paling stabil namun dengan nilai terendah, begitupun dengan torsi yang dihasilkan, rotor dengan empat buah sudu menghasilkan torsi terendah, namun penurunan torsi yang terjadi tidak sebesar rotor dengan dua atau tiga buah sudu. Dari hasil simulasi diketahui bahwa rotor dengan dua buah sudu sebagai konfigurasi terbaik karena menghasilkan putaran rotor yang lebih besar dengan laju peningkatan putaran terbesar, serta memiliki torsi lebih besar daripada rotor dengan tiga atau empat buah sudu.