UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH SKRIPSI

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik EKAWIRA K NAPITUPULU NIM. 080401061 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013 i

  

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (0 , 2 , 4 , 6 , 8 , 10 , 12 ). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H.

  Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 6 Kata kunci: turbin Darrieus-H, NACA 0012,jumlah sudu, sudut pitch, efisiensi

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 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI 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 Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

  3. Bapak Ir. Tekad Sitepu dan Tulus B Sitorus ST, MT selaku dosen penguji yang memberikan masukan kepada penulis.

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

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

  6. Kedua orang tua penulis, J. Napitupulu dan R. br Purba 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. i

  7. Rekan-rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Libert Sijabat yang telah

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

  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, 6 September 2013 Ekawira K Napitupulu ii

  

DAFTAR ISI

ABSTRAK KATA PENGANTAR .................................................................................................i DAFTAR ISI ................................................................................................................. iii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................................... vi

DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... viii

DAFTAR TABEL ........................................................................................................ x BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

  2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan ….......................... 5

  2.4.3 Sudut serang dan sudut pitch................................................................ 18

  2.4.2 Turbin angin Darrieus-H....................................................................... 16

  2.4.1 Airfoil………………........................................................................... 14

  2.4 Turbin Angin Darrieus................................................................................... 14

  2.3.2 Teori elemen momentum Betz.............................................................. 10

  2.3.1 Jenis-jenis turbin angin......................................................................... 9

  2.3 Turbin Angin ................................................................................................ 8

  2.2 Potensi Angin di Indonesia…........................................................................ 6

  2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah …................................................................................................ 6

  2.1.1 Kondisi angin….. ................................................................................ 4

  1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 1

  2.1 Energi Angin ………………….................................................................... 4

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................. 4

  1.6 Metode Pengumpulan Data ........................................................................... 3

  1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................... 3

  1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................................... 2

  1.3.2 Batasan Masalah .................................................................................. 2

  1.3.1 Rumusan Masalah ................................................................................ 2

  1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ..................................................................... 2

  1.2 Tujuan Penelitian ........................................................................................... 1

  2.5 Sistem Kelistrikan..……............................................................................... 22 iii

  2.5.1 Generator …..……............................................................................... 22

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

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

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

  3.2.1 Objek penelitian……........................................................................... 25

  3.2.2 Alat penelitian……............................................................................. 29

  3.3 Pelaksanaan Penelitian .................................................................................. 33

  3.3.1 Tahap persiapan ................................................................................... 33

  3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ............................................. 33

  3.4 Diagram Alir Penelitian .................................................................................. 35

  BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ........................................ 36

  4.1 Hasil Pengujian .............................................................................................. 36

  4.1.1 Pengukuaran kecepatan angin…………….......................................... 36

  4.1.2 Data pengujian tanpa beban………..................................................... 37

  4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt ………................................................. 38

  4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt …………............................................. 38

  4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt …………........................................... 38

  4.2 Analisis Data ................................................................................................. 39

  4.2.1 Perhitungan daya Aangin ..................................................................... 39

  4.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio ................................................................ 39

  4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ................................................................ 40

  4.3 Perbandingan turbin angin Savonius dengan Darrieus-H.............................. 49

  4.4 Mengapa prototipe turbin Darrieus-H ini kurang efisien?............................. 50

  4.5 Usaha dan tantangan untuk meningkatkan efisiensi turbin angin Darrieus-H................................................................................................... 51

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 53

  5.1 Kesimpulan .................................................................................................... 53

  5.2 Saran……...................................................................................................... 53

  DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................... 55 LAMPIRAN

  L1. Ketidakpastian dan data hasil pengujian........................................................ 57 iv

  L2. Skema pengujian ………………………………………………………........ 72

  L4. Data kecepatan angin di Indonesia…............................................................ 74 L5. Data kecepatan angin Sumut tahun 2011....................................................... 75 L6.

  Koordinat airfoil NACA 0012…. ................................................................. 76 L7. Nilai ekonomis berbagai sumber daya............................................................ 77 L8. Taksasi biaya

  ……………….......................................................................... 78 L9 Perancangan turbin angin Darrieus-

  H…........................................................ 83 v

DAFTAR SIMBOL

  AoA angle of attack, ( ) TSR tip speed ratio

  VAWT vertical axis wind turbine HAWT horizontal axis wind turbine NACA National Advisory Committee for Aeronautics rpm revolution per minute a interference factor A luas sapuan rotor, m

  2 c panjang chord sudu, m C kecepatan absolut elemen sudu C D koefisien drag C L koefisien lift 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, 1/s

  n koefisien kekasaran permukaan tanah N jumlah sudu

  daya angin, J/s

  P a daya angin, J/s

  daya turbin, J/s vi 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

  vii

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran angin di Indonesia

  ………………........................................... 7

Gambar 2.2 Pengelompokan turbin angin.............................................................. 9Gambar 2.3 Pemodelan aliran Betz

  ……………………....................................... 10

Gambar 2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan........................................ 13Gambar 2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz

  …..................... 13

Gambar 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu

  ……………………………....... 14

Gambar 2.7 Nomenklatur airfoil

  ……………………………. ............................. 15

Gambar 2.8 Contoh airfoil

  …………………………… ....................................... 16

Gambar 2.9 Gaya-gaya aeodinamik pada sudu turbin.......................................... 17Gambar 2.10 Sudu turbin pada beberapa kondisi sudut…....................................... 18Gambar 2.11 Arah sudut pitch

  …………………………........................................ 19

Gambar 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi TSR, sudut azimuth dan sudut pitch.

  ………………………………….................................... 20 Gambar 2.13

  Perubahan sudut serang…………………........................................ 21

Gambar 2.14 Skema turbin angin untuk mengis i baterai…………….................... 24Gambar 3.1 Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin........................................ 26Gambar 3.2 Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu....................... 28Gambar 3.3 Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012............... 29Gambar 3.4 Anemometer dan Tachometer

  ….…................................................... 30

Gambar 3.5 Multimeter

  ……................................................................................ 31

Gambar 3.6 Busur derajat

  ……………………………………………………....... 31

Gambar 3.7 Motor penggerak fan

  ……………....................................................... 32

Gambar 3.8 Permanent magnet generator (PMG)

  ………..................................... 32

Gambar 3.9 Prosedur pengujian

  ………………………........................................ 34

Gambar 3.10 Diagram alir penelitian

  ………………….......................................... 35 Gambar 4.1

  Pengukuran kecepatan angin…………….......................................... 36

Gambar 4.2 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah………………………….………….......................................... 44Gambar 4.3 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu tiga buah

  …………………………………….......................................... 44 viii

Gambar 4.4 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah…………………...…………….......................................... 45Gambar 4.5 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu empat buah……………….…………….......................................... 45Gambar 4.6 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu empat buah……………….…………….......................................... 46Gambar 4.7 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu empat buah………………..…………….......................................... 46Gambar 4.8 Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima buah……………………… …………….......................................... 47Gambar 4.9 Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu lima buah……………………….…………….......................................... 47Gambar 4.10 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima buah……………………………….......................................... 48Gambar 4.11 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum........................... 48

  ix

  DAFTAR TABEL

  ..…........................................................ 38

Tabel 4.17 Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dan Darrieus................ 50Tabel 4.16 Perhitungan turbin angin Darrieus-H.................................................. 49

  Tabel 4.15 Perhitungan turbin angin Savonius….................................................. 49

Tabel 4.14 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 43Tabel 4.13 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 43Tabel 4.12 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt................................................. 42Tabel 4.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 42Tabel 4.10 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 42Tabel 4.9 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 42Tabel 4.8 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 41Tabel 4.7 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 41Tabel 4.6 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt.................................................... 41

  ..…........................................................ 38

Tabel 4.5 Data pengujian beban 10 WattTabel 4.4 Data pengujian beban 5 Watt

  Tabel 2.1 Kondisi angin……………………….................................................... 4

  ……........................................................ 38

Tabel 4.3 Data pengujian beban3 Watt

  …....................................................... 37

Tabel 4.2 Data pengujian 3, 4, dan 5 suduTabel 4.1 Data kecepatan angin pada berbagai titik............................................. 37

  Tabel 3.4 Spesifikasi multimeter……….. .......................................................... 30

Tabel 3.3 Spesifikasi anemometer……. ............................................................. 29Tabel 3.2 Spesifikas i sudu………………........................................................... 28Tabel 3.1 Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H..................................... 28Tabel 2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang..................... 8Tabel 2.4 Potensi energi terbarukan di Indonesia................................................. 7Tabel 2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah.......................................... 6

  ………….5

Tabel 2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah

  Tabel L.1 Data pengujian 3 sudu tanpa beban.................................................... 60 Tabel L.2 Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt.................................................. 61 Tabel L.3 Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 62 x

  Tabel L.4 Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt.................................................... 63 Tabel L.6 Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 65 Tabel L.7 Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 66 Tabel L.8 Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 67 Tabel L.9 Data pengujian 5 sudu tanpa beban.................................................... 68 Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 69 Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 70 Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 71 Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir................................................. 73 Tabel L.14 Relatif rata-rata Kec.Angin Sumut...................................................

  75 Tabel L.15 Koordinat airfoil NACA 0012……..................................................... 76

  Tabel L.16 Nilai ekonomis berbagai sumber energi............................................... 77 Tabel L.17 Taksasi biaya pembuatan prototipe turbin angin.................................78 xi