Simulasi Pengaruh Jumlah Sudu Dan Tip Speed Ratio Terhadap Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Menggunakan Profil Sudu Naca 0018

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU DAN TIP SPEED RATIO TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018 SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

WAHYU HAMDANI NIM. 090401060 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU DAN TIP SPEED RATIO TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018 WAHYU HAMDANI NIM. 090401060 Diketahui/ Disahkan: Disetujui: Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing Fakultas Teknik – USU

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT

NIP.196412241992111001 NIP.197206102000121001

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU DAN TIP SPEED RATIO TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018 WAHYU HAMDANI NIM. 090401060 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014 Disetujui Oleh : Pembimbing NIP. 197206102000121001 Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU DAN TIP SPEED RATIO

TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H

MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018

WAHYU HAMDANI

NIM. 090401060

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi

Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014 Disetujui Oleh : Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP.194910121981031002 NIP. 197209232000121003 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2112/TS/2013 FAKULTAS TEKNIK – USU DITERIMA : MEDAN

PARAF :

TUGAS SARJANA

N A M A : WAHYU HAMDANI N I M : 090401074 MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : LAKUKAN SIMULASI TERHADAP TURBIN

ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN MELAKUKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN TIP SPEED RATIO MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018. SIMULASI INI BERTUJUAN UNTUK MENGETAHUI JUMLAH SUDU YANG PALING OPTIMAL DALAM MENGEKSTRAK ENERGI ANGIN.

DIBERIKAN TANGGAL : 19 JULI 2013 SELESAI TANGGAL : 03 FEBRUARI 2014

MEDAN, 19 JULI 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT NIP. 196412241992111001 NIP.197206102000121001

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan sebaik mungkin.

Tugas sarjana ini berjudul “SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU

DAN TIP SPEED RATIO TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN

TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 0018”.

Tugas sarjana ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Proses penyusunan tugas sarjana yang dilakukan penulis dapat terlaksana berkat doa dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1.

Kedua orang tua penulis, Ibunda Supiani dan Ayahanda Sutinto Poniman yang memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus memberikan dukungan, doa, serta kasih sayang yang tak terhingga kepada penulis.

2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ,ST,MT selaku dosen pembimbing saya yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada penulis.

3. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing, membantu dan mengajari saya selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini.

5. Saudara kandung penulis Vernianti dan Winda Sabrina yang selalu memberikan dukungan kepada penulis.

6. Rekan-rekan satu tim, Indro, Rijal, Rohim atas kerjasama dan saling bertukar ide dalam menyelesaikan alat kami.

7. Seluruh teman teman stambuk 2009, khusunya Asisten Laboratorium Teknologi Mekanik: Febrial, Harri, Nazar, Rian, Rahmad, Sukardi, Tri’, Ramadhan dan semua teman teman stambuk 2009 yang telah memberikan motivasi dan dorongan kepada penulis.

8. Khusus untuk anak magang Laboratorium Teknologi Mekanik, terima kasih atas semua bantuan yang telah diberikan selama pembuatan turbin angin di Laboratorium.

9. Teman-teman satu rumah kontrakan yang turut memberikan dukungan moral dalam menyelesaikan skripsi ini.

Semoga tugas sarjana ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi saya khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dari pembaca dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

Medan, 23 Januari 2014 Penulis,

WAHYU HAMDANI NIM. 090401060

ABSTRAK

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Turbin angin sumbu vertikal tipe

Darrieus -H merupakan pengembangan dari turbin angin Darrieus. Penelitian

yang telah dilakukan para peneliti sebelumnya secara eksperimen menunjukkan hasil berupa efisiensi yang dihasilkan dari turbin angin Darrieus-H ini sangat kecil. Nilai ini tidak sebanding dengan biaya pabrikasi yang cukup mahal. Banyak faktor yang mempengaruhi efisiensi turbin angin ini yaitu pengaturan sudut pitch, diameter rotor turbin, tinggi sudu, panjang chord sudu dan massa komponen turbin itu sendiri. Biaya pabrikasi yang mahal tidak efisien untuk meneliti keseluruhan variabel tersebut maka perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan komputer. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi jumlah sudu dan tip speed ratio terhadap performansi turbin angin dengan mensimulasikannya dengan menggunakan software CFD. Turbin angin yang disimulasi berupa rotor 2D dengan diameter 1,50 m pada daerah rotating region. Airfoil yang dipakai adalah NACA 0018. Variasi jumlah sudu yang digunakan adalah 3, 4, 5, dan 6 buah. Variasi tip speed ratio yang digunakan yaitu 1.65, 1.7, 1,75 dan 1.8. Hasil simulasi menunjukkan efisiensi untuk jumlah sudu 5 buah dan tip speed ratio 1.8 memiliki efisiensi tertinggi yaitu 58.941 %. Perbedaan yang terjadi antara hasil eksperimen dan simulasi dikarenakan adanya kerugian yang terjadi pada saat pengujian.

Kata kunci : turbin angin Darrieus-H, airfoil, CFD, tip speed ratio, efisiensi

ABSTRACT

The wind turbine is a machine with rotating blades that convert the kinetic energy of wind into mechanical energy. Vertical axis wind turbine Darrieus - type H is the development of a Darrieus wind turbine. The research that has been done by previous researchers experimentally demonstrated the efficiency of the generated results in the form of the Darrieus-H wind turbine is very small. This value is not comparable to manufacturing costs are quite expensive. Many factors affect the efficiency of the wind turbine is pitch angle setting, the turbine rotor diameter, blade height, blade chord length and mass components of the turbine itself. Expensive manufacturing costs which are not efficient to examine the overall variables should be conducted using a computer simulation. The purpose of this study was to determine the effect of variations in blade number and tip speed ratio of the wind turbine performance by simulating it using CFD software. A simulated wind turbine rotor with a diameter of 1.50 m 2D regions rotating in the region. Airfoil used is NACA 0018. Variations in the number of blades used are 3, 4, 5, and 6 pieces. Variation of tip speed ratios used are 1.65, 1.7, 1.75, and 1.8. Simulation results show the efficiency of the blade to the number 5, and tip speed ratio of 1.8 has the highest efficiency of 58 941%. Differences that occur between the

experimental and simulation results due to losses at the time of testing.

Keywords : Darrieus-H wind turbine, airfoil, CFD, tip speed ratio, efficiency

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................... i ABSTRAK ................................................................................................. iii DAFTAR ISI .............................................................................................. v DAFTAR TABEL ..................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................. ix DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .........................................................................

1 1.2 Perumusan Masalah ...................................................................

2 1.3 Tujuan Penelitian .......................................................................

3 1.3.1 Tujuan umum ....................................................................

3 1.3.2 Tujuan khusus ....................................................................

3 1.4 Batasan Masalah ......................................................................

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

4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Angin .............................................................................

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

7 2.3 Teori Momentum Elementer Betz .............................................

8 2.4 Turbin Angin .............................................................................

11 2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal. ......................................

12 2.4.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ...........................................

13 2.5 Aerodinamika pada Sudu Turbin Angin ...................................

15 2.5.1 Bentuk Sudu .....................................................................

17 2.5.2 Tip Speed Ratio .................................................................

2.5.3 Letak Sudu Terhadap Arah Angin ....................................

21 2.6 Computational Fluid Dynamic (CFD) ................................................

23 2.7 CFD dan Airfoil ........................................................................

24 2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida ....................................

25 2.8.1 Konservasi Massa .............................................................

26 2.5.2 Persamaan Momentum ......................................................

28 2.5.3 Persamaan-Persamaan Energi ...........................................

31 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat ....................................................................

33 3.2 Identifikasi Masalah .................................................................

33 3.3 Variabel Penelitian ....................................................................

33 3.3.1 Variabel Terikat .................................................................

33 3.3.2 Variabel Bebas ...................................................................

33 3.4 Urutan Proses Analisa .............................................................

34 3.5 Diagram Alir Penelitian ............................................................

35 3.6 Peralatan Pengujian ...................................................................

36 3.7 Setup Pengujian .........................................................................

36 3.7.1 Pengujian airfoil secara 2D................................................

36 3.7.1.1 Pemodelan geometri dengan Gambit.......................

37 3.7.1.2 Simulasi airfoil di Fluent .......................................

42 3.7.2 Pengujian turbin angin .....................................................

45 3.7.2.1 Pemodelan geometri dengan solidwork...................

45 3.7.2.2 Simulasi turbin angin di Fluent .............................

48 3.8 Diagram Alir Prosedur Simulasi ...............................................

51 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Simulasi Airfoil 2D ..................................................................

4.1.1 Data hasil simulasi airfoil ..................................................

52 4.1.2 Analisa hasil simulasi airfoil .............................................

53 4.1.3 Validasi terhadap hasil eksperimen ...................................

56 4.2 Simulasi Turbin Angin .............................................................

58 4.2.1 Data hasil simulasi turbin angin ........................................

58 4.2.2 Analisa hasil simulasi turbin angin ....................................

70 4.2 Perbandingan dengan Eksperimental .......................................

74 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...............................................................................

76 5.2 Saran .........................................................................................

77 DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................

78 LAMPIRAN Lampiran 1. Tabel data kecepatan angin di Sumatera Utara untuk daerah Belawan dan Serdang Bedagai ............

80 Lampiran 2. Profil aliran dan potensi kecepatan angin di Indonesia ...............................................................

82 Lampiran 3. Data kecepatan angin rata rata tahunan pada beberapa daerah di indonesia diukur pada ketinggian 50 m ..........................................................

83 Lampiran 4. Koordinat airfoil NACA 0018 ....................................

84 Lampiran 5. Sifat- sifat udara pada tekanan atmosfer antara 250 hingga 1000 K ......................................... 85 Lampiran 6. Kontur aliran udara turbin angin hasil simulasi ....

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil simulasi airfoil .................................................

53 Tabel 4.2 Data kecepatan angin sepanjang sisi outlet dengan jumlah sudu 3 buah TSR 1,8 ............................................

60 Tabel 4.3 Data kecepatan angin pada daerah putar turbin dengan jumlah sudu 3 TSR 1,65 ....................................................

61 Tabel 4.4 Data kecepatan angin rata-rata yang keluar dari turbin dengan variasi jumlah sudu TSR 1,65..............................

63 Tabel 4.5 Data perhitungan putaran turbin dari nilai tip speed ratio .

66 Tabel 4.6 Data kecepatan angin melalui sisi outlet dengan variasi tip speed ratio pada jumlah sudu 3 buah ...............

68 Tabel 4.7 Data hasil simulasi turbin angin ........................................

69 Tabel 4.8 Data perhitungan nilai Cp .................................................

72 Tabel 4.9 Data perhitungan efisiensi turbin angin ............................

73 Tabel 4.10 Data pengujian eksperimen 3 sudu sebelum dikenakan beban dan sesudah dikenakan beban aerator ...

75 Tabel 4.11 Data pengujian simulasi 3 sudu sebelum dikenakan beban dan sesudah dikenakan beban aerator .....................

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat ............................................

25 Gambar 2.14 Element fluida ...................................................................

38 Gambar 3.5 Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit ............

37 Gambar 3.4 Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell ..........

36 Gambar 3.3 Koordinat asli NACA 0018 sebelum diubah ....................

35 Gambar 3.2 Geometri airfoil NACA 0018............................................

29 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ......................................................

29 Gambar 2.17 Tegangan pada komponen-komponen pada arah X ..........

27 Gambar 2.16 Komponen viscous stress ..................................................

25 Gambar 2.15 Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida ..................

24 Gambar 2. 13 Metode yang sering digunakan dalam menganalisa aerodinamis .......................................................................

7 Gambar 2.2 Aliran angin di Indonesia ..................................................

22 Gambar 2.12 Terowongan angin yang dibuat wright bersaudara tahun 1901-1902 di Dayton, Ohio ....................................

Gambar 2.11 Gaya aerodinamis pada penampang sudu...........................

17 Gambar 2.10 Kecepatan sudu lebih cepat pada ujungnya daripada di dasar sudu........................................................................... 21

16 Gambar 2.9 Geometri Airfoil NACA ...................................................

15 Gambar 2.8 Gambar aliran fluida yang melewati penampang airfoil ..

14 Gambar 2.7 Perbandingan antara gaya drag pada benda yang berpenampang besar dengan benda lain yang penampangnya lebih aerodinamis. ....................................

13 Gambar 2.6 Beberapa tipe turbin angin sumbu vertikal .......................

8 Gambar 2.4 Turbin angin berdasarkan jumlah sudunya (a) satu sudu, (b) dua sudu,(c) tiga sudu, dan (d) banyak sudu.................. 12 Gambar 2.5 Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin ..............

8 Gambar 2.3 Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer ..................

Gambar 3.6 Geometri airfoil dan lingkungannya ................................

50 Gambar 3.21 Proses iterasi .....................................................................

60 Gambar 4.11 Grafik kecepatan angin pada daerah putar turbin dengan jumlah sudu 3 TSR 1,65 ....................................................

59 Gambar 4.10 Grafik kecepatan angin pada sisi outlet ............................

58 Gambar 4.9 Kontur kecepatan pada jumlah sudu 5 dengan TSR 1,8 ...

57 Gambar 4.8 Kontur kecepatan pada jumlah sudu 3 dengan TSR 1,8 ...

57 Gambar 4.7 Grafik perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil Eksperimen ........................................................................

56 Gambar 4.6 Grafik sudut serang ( α) vs koefisien gaya angkat (Cl) eksperimen ........................................................................

55 Gambar 4.5 Kontur kecepatan pada sudut serang 7 ............................

55 Gambar 4.4 Kontur kecepatan pada sudut serang 0 ............................

54 Gambar 4.3 Grafik sudut serang ( α) vs perbandingan Cl/Cd................

53 Gambar 4.2 Grafik sudut serang ( α) vs gaya hambat (Cd) ...................

51 Gambar 4.1 Grafik sudut serang (α) vs koefisien gaya angkat (Cl) ......

50 Gambar 3.22 Diagram alir prosedur simulasi .........................................

49 Gambar 3.20 Menentukan waktu proses itersi ........................................

39 Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibuat ......................................

48 Gambar 3.19 Menentukan nilai kecepatan rotasi turbin .........................

47 Gambar 3.18 Menentukan model viskos yang digunakan ......................

47 Gambar 3.17 Penentuan kondisi batas ....................................................

46 Gambar 3.16 Pembuatan mesh pada geometri turbin angin ...................

46 Gambar 3.15 Geometri lingkungan .........................................................

45 Gambar 3.14 Geometri daerah putar turbin ............................................

44 Gambar 3.13 Proses iterasi .....................................................................

44 Gambar 3.12 Penentuan jenis solution controls .....................................

43 Gambar 3.11 Menentukan nilai pada Velocity Inlet ................................

43 Gambar 3.10 Menentukan jenis material ................................................

42 Gambar 3.9 Menentukan model viskos ................................................

40 Gambar 3.8 Kondisi batas .....................................................................

Gambar 4.12 Grafik hubungan kecepatan angin terhadap variasi jumlah sudu .......................................................................

64 Gambar 4.13 Kontur kecepatan angin pada jumlah sudu 3 buah (a) TSR 1,65 dan (b) TSR 1,8............................................... 67 Gambar 4.14 Grafik hubungan kecepatan angin dengan TSR ................

69 Gambar 4.15 Grafik tip speed ratio vs dengan koefisien daya untuk semua jumlah sudu ............................................................

72 Gambar 4.16 Grafik nilai TSR vs efisiensi turbin untuk semua jumlah sudu .......................................................................

DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN

NACA National Advisory Committee Of Aeronautics - TASH Turbin angin sumbu horizontal - TASV Turbin angin sumbu vertikal - A Luas sapuan rotor m

c Panjang chord sudu m C L Koefisien lift - C D Koefisien drag - C P Koefisien daya - D turbin Diameter turbin m

Energi kinetik angin Joule Gaya

N Massa udara kg

̇ Laju aliran massa udara kg/s n Putaran turbin rpm

N Gaya normal N

B Jumlah sudu

Daya turbin

Watt p momentum kg.m

Re Bilangan Reynold -

t tebal airfoil m

Kecepatan angin m/s ν

ave Kecepatan angin rata-rata m/s

α Sudut serang

Massa jenis udara kg/m

λ Tip speed ratio (TSR) -

R Jari jari turbin m

Simulasi Pengaruh Jumlah Sudu Dan Tip Speed Ratio Terhadap Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Menggunakan Profil Sudu Naca 0018