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

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

Universitas Sumatera Utara



Diketahui/ Disahkan: Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik – USU

Disetujui: Dosen Pembimbing

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.196412241992111001

Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT NIP.197206102000121001




Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014

Disetujui Oleh : Pembimbing

Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT NIP. 197206102000121001




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 FAKULTAS TEKNIK – USU

AGENDA : 2112/TS/2013 DITERIMA :

MEDAN

PARAF

:

TUGAS SARJANA NAMA

: WAHYU HAMDANI

NIM

: 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 NIP. 196412241992111001

Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT NIP.197206102000121001


i

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


ii

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,



iii

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


iv

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


v

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 .................................................................

20


vi

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 ..................................................................

52


vii

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 ......................................... Lampiran 6. Kontur aliran udara turbin angin hasil simulasi ....

85 86


viii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1

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

Tabel 4.2

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

Tabel 4.3

60

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

Tabel 4.4

53

61

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 ...

Tabel 4.11

75

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

75


ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Skema terjadinya angin pasat ............................................

7

Gambar 2.2

Aliran angin di Indonesia ..................................................

8

Gambar 2.3

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

Gambar 2.4

8

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 ..............

13

Gambar 2.6

Beberapa tipe turbin angin sumbu vertikal .......................

14

Gambar 2.7

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

15

Gambar 2.8

Gambar aliran fluida yang melewati penampang airfoil ..

16

Gambar 2.9

Geometri Airfoil NACA ...................................................

17

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

21

Gambar 2.11

Gaya aerodinamis pada penampang sudu...........................

22

Gambar 2.12

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

Gambar 2. 13

24

Metode yang sering digunakan dalam menganalisa aerodinamis .......................................................................

25

Gambar 2.14

Element fluida ...................................................................

25

Gambar 2.15

Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida..................

27

Gambar 2.16

Komponen viscous stress ..................................................

29

Gambar 2.17

Tegangan pada komponen-komponen pada arah X ..........

29

Gambar 3.1

Diagram alir penelitian......................................................

35

Gambar 3.2

Geometri airfoil NACA 0018............................................

36

Gambar 3.3

Koordinat asli NACA 0018 sebelum diubah ....................

37

Gambar 3.4

Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell ..........

38

Gambar 3.5

Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit ............

39


x

Gambar 3.6

Geometri airfoil dan lingkungannya ................................

39

Gambar 3.7

Tampilan mesh yang telah dibuat......................................

40

Gambar 3.8

Kondisi batas .....................................................................

42

Gambar 3.9

Menentukan model viskos ................................................

43

Gambar 3.10

Menentukan jenis material ................................................

43

Gambar 3.11

Menentukan nilai pada Velocity Inlet................................

44

Gambar 3.12

Penentuan jenis solution controls .....................................

44

Gambar 3.13

Proses iterasi .....................................................................

45

Gambar 3.14

Geometri daerah putar turbin ............................................

46

Gambar 3.15

Geometri lingkungan.........................................................

46

Gambar 3.16

Pembuatan mesh pada geometri turbin angin ...................

47

Gambar 3.17

Penentuan kondisi batas ....................................................

47

Gambar 3.18

Menentukan model viskos yang digunakan ......................

48

Gambar 3.19

Menentukan nilai kecepatan rotasi turbin .........................

49

Gambar 3.20

Menentukan waktu proses itersi ........................................

50

Gambar 3.21

Proses iterasi .....................................................................

50

Gambar 3.22

Diagram alir prosedur simulasi .........................................

51

Gambar 4.1

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

53

Gambar 4.2

Grafik sudut serang (α) vs gaya hambat (Cd) ...................

54

Gambar 4.3

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

55

0

Gambar 4.4

Kontur kecepatan pada sudut serang 0 ............................

55

Gambar 4.5

Kontur kecepatan pada sudut serang 70 ............................

56

Gambar 4.6

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

Gambar 4.7

57

Grafik perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil Eksperimen........................................................................

57

Gambar 4.8

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

58

Gambar 4.9

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

59

Gambar 4.10

Grafik kecepatan angin pada sisi outlet ............................

60

Gambar 4.11

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

62


xi

Gambar 4.12 Grafik hubungan kecepatan angin terhadap variasi jumlah sudu ....................................................................... Gambar 4.13

64

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 ............................................................

Gambar 4.16

72

Grafik nilai TSR vs efisiensi turbin untuk semua jumlah sudu .......................................................................

74


xii

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

m2

c

Panjang chord sudu

m

CL

Koefisien lift

-

CD

Koefisien drag

-

CP

Koefisien daya

-

Dturbin

Diameter turbin

m

𝐸𝐸𝑘𝑘

Energi kinetik angin

Joule

𝐹𝐹

Gaya

N

𝑚𝑚

Massa udara

kg

𝑚𝑚̇

Laju aliran massa udara

kg/s

n

Putaran turbin

rpm

N

Gaya normal

N

B

Jumlah sudu

-

𝑃𝑃𝑡𝑡

Daya turbin

Watt

p

momentum

kg.m

R

Jari jari turbin

m

Re

Bilangan Reynold

-

t

tebal airfoil

m

𝑣𝑣

Kecepatan angin

m/s

νave

Kecepatan angin rata-rata

m/s

α

Sudut serang

o

𝜌𝜌

Massa jenis udara

kg/m3

Tip speed ratio (TSR)

-

λ


DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

Recommend Documents