DESAIN ALAT KONVERSI ENERGI ANGIN TYPE SAVONIUS SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK PADA PULAU BAWEAN R. N. Hidayatulloh1), A. Suroso2), Wahyudi3) 1) Mahasiswa 2) Dosen Pembimbing 3) Dosen Pembimbing Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo – Surabaya 60111 E-mail :
[email protected]
Abstrak Paper ini membahas sebuah rancangan desain alat konversi energi angin. Alat tersebut merubah energy angin yang berhembus menjadi putaran, putaran yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan generator. Acuan dalam mendesain alat konversi energy ini adalah tepat guna, sederhana, murah dan mudah diaplikasikan. Angin yang bertiup di pulau bawean memiliki rata-rata 5 m/s, sehingga rotor yang paling tepat adalah rotor type savonius. Desain rotor savonius dan sistemnya mengacu pada penelitian parameter desain yang pernah dilakukan sebelumnya. Agar cocok untuk kondisi pulau Bawean rotor ditambah dengan pengarah-angin guna menambah putaran. Untuk mengetahui energi angin perlu dicari distribusi yang terjadi. Setelah itu memasukkan hasil dari koevisien power rotor, maka dapat diketahui berapa besar energi yang dapat diperoleh. Untuk mengetahui berapa besar koefisien power diperlukan pengujian pada terowongan angin dari rotor yang telah didesain. Hasil pengujian diperoleh Cp pada rotor dengan pengarah-angin memiliki Cp yang lebih baik dari pada tanpa pengarah-angin. Rata-rata energi angin yang dapat dikonversi setiap bulan adalah 193.215 KWatt . Kata kunci : Konversi energy, Rotor angin, Pulau Bawean, Savonius I. PENDAHULUAN Latar Belakang Ketahanan energi dunia sekarang menunjukkan penurunan khususnya energi fosil. Kedepan kebutukan energi semakin besar disebabkan laju pertumbuhan manusia. Jika tidak ditemukan alternatif energi baru maka akan terjadi krisis energi. Beberapa tempat di Indonesia sudah mengalami krisis energi yang parah, sehingga pemadaman listrik sering terjadi khususnya di luar pulau Jawa. Perkembangan energi kedepan harus ramah lingkungan. Beberapa alternatif energi ramah lingkungan adalah energi angin. Potensi angin yang ada dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik sekala kecil, kurang dari satu Kwh, yang bertujuan untuk penerangan dan menghidupkan peralatan listrik. Dengan mendesain alat konversi energi angin ke listrik yang sederhana (buatan tangan), murah, dan mudah untuk dibuat. Hal ini memungkinkan masyarakat awam untuk merawat dan memperbaiki sendiri sehingga, transfer teknologi berjalan dengan cepat. Agar listrik yang dihasilkan optimum maka diperlukan kajian tentang bentuk dan konvigurasi rotor savonius yang paling evektif dan evisien dalam memberikan torsi dan kecepatan putar untuk
generator. Karena angin yang bertiup di indonesia hanya memiliki kecepatan rata-rata 3-5 m/s maka diperlukan sebuah pengarah angin agar putaran rotor bertambah. Selain itu dibutukhan komponen pendukung untuk menunjang kinerja dari pengarah angin rotor savonius. Data angin pada Tugas Akhir ini menggunakan data pada pulau Bawean. Daerah ini dipilih kerena merupakan contoh daerah yang terpencil, pembangkit listrik PLN mengandalkan genset yang beroperasi pada malam hari. Operasi genset tergantung pengiriman solar dari kapal yang sewaktu waktu dapat tertunda karena adanya badai. Pulau bawean terletak di utara kab. Gersik dengan jarak sekitar 150 km, atau terletak di koordinat 5°46′S 112°40′E - 5.767°S 112.667°E. populasi penduduk sekitar 60.000 orang dengan 40.000 orang berada di kecamatan sangkapura. Pulau ini memiliki dua kecamatan, sangkapura dan tambak, dengan panjang garis pantai 15 km. Ruang lingkup perancangan dalam Tugas Akhir ini meliputi perhitungan kekuatan angin dilokasi yang ditinjau, desain dan pengujian model rotor savonius, besar energi angin yang dapat dikonversi dalam satu
1
tahun. Desain rotor mengikuti parameter desain yang telah diteliti sebelumnya dan hasil konfersi berupa listrik dengan satuan Kw. Permasalahan Permasalahan yang diangkat dalam Tugas Akhir ini adalah desain rotor savonius yang paling tepat untuk daerah yang ditinjau dan estimasi besar energy yang bias dikonversi dalam satu tahun. Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah Mendapatkan Cp dari rotor yang didesain dan besar energy angin yang dapat dikonversikan.
Manfaat Melalui penelitian ini diharapkan dapat memenuhi listrik untuk kebutuhan rumah tangga dengan memanfaatkan energi angin. Selain itu dengan membuat perangkat yang sederhana memungkinkan transfer teknologi kepada masyarakat sekitar. Pada akhirnya daerah-daerah terpencil dapat menghasilkan listrik sendiri dan dikelola masyarakat sekitar. II. Dasar Teori Rasio Elektrifikasi yaitu jumlah rumah tangga yang sudah berlistrik dengan jumlah rumah tangga yang ada, sampai saat ini relatif masih rendah. Rasio elektrifikasi di P. Jawa mencapai 68,9% sedangkan diluar Jawa dan Sumatera masih sekitar 56,5%. (Market intelejent report 2008). Artinya masih banyak rumah tangga di indonesia yang belum mendapatkan listrik, baik karena daerah terpencil atau tidak ada pembangkit listrik. Berdasarkan pos pemantauan BMKG di pulau bawean menunjukkan kecepatan angin rata-rata pada Oktober 2008 sampai dengan September 2009 sebesar 5,71 m/s. Untuk membuat konversi energi angin kurang dari 1 kW maka dibutuhkan desain rotor yang cocok dengan kondisi angin yang rendah, juga perlu didesain pengarah angin agar energi yang dikonversi lebih maksimum. Beberapa jenis rotor Vertical aksis adalah Savonius, rotor ini cocok untuk kecepatan angin sedang karena rotor dengan type soliditas besar mampu memberikan torsi yang besar. Penelitian mengenai parameter desain yang paling maksimum dalam menghasilkan power rotor savonius adalah: aspec ratio sebesar 4. (Menet, 2004.), Over lap rasio 0.15, Separation-gap sebesar 0. (Fujisawa, 1992) dan rotor dengan dua bilah, dua tingkat rotor dengan beda sudut 90o. (Saha, 2008).
2
Untuk menambah daya yang dihasilkan diperlukan pengarah angin guna menambah kecepatan putar (Altan, 2008). Energi dalam Angin Angin adalah fluida homogen yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Karena udara memiliki masa, maka udara memiliki energi kinetik. Energi kinetik yang terkandung dalam suatu bidang udara, dengan masa m dan kecepatan u bergerak sepanjang sumbu x dapat dirumuskan sebagai: ...(1.1) Dengan: E = Energi kinetik [joule] m = Masa [Kg] u = Kecepatan [m/s]. Power atau daya didefinisikan dengan energi kinetik per satuan waktu. Jika ditulis dalam persamaan matematik, menjadi: ...(1.2) Dengan: P = Daya atau power [Watt] ρ = Masa jenis [Kg/m3] A = Bidang angin [m2] u = Kecepatan angin [m/s]. Karakteristik angin Sifat angin disemua wilayah memiliki karakteristik yang sangat berpengaruh pada penentuan lokasi konversi energi angin. Beberapa karakteristik yang perlu diperhatikan adalah: a. Estimasi energi pada angin Agar konversi angin yang dibuat memiliki kecepatan yang cukup, maka perlu dilakukan pengumpulan data angin untuk mengetahui energi yang dapat dimanfaatkan. Estimasi energi biasanya diukur dalam satuan tahun (kWh/tahun). b. Kontur Guna mendapatkan angin dengan kecepatan maksimum dan laminer maka diperlukan kajian mengenai kontur suatu wilayah. Kontur dari suatu tempat mempengaruhi aliran angin, ditunjukkan pada gambar 1 .Penempatan konversi angin sebisa mungkin berada pada aliran laminer sehingga energi yang dikonversi semakin besar.
d. Topografi Kecepatan angin dipengaruhi oleh bentuk topografi suatu wilayah, ditunjukkan pada gambar_3. Daerah lembah memiliki angin yang kencang karena bukit disekitarnya berfungsi sebagai pengarah angin, sehingga angin yang berhembus dilembah semakin kencang.
Gambar 1. aliran angin yang terpengaruh kontur. c. Kekasaran permukaan Kekerasan permukaan mempengaruhi profil dari kecepatan angin. Semakin kasar dan tidak rata suatu permukaan menyebabkan profil kecepatan angin didekat permukaan semakin kecil, dapat dilihat pada gambar 2. Efek permukaan dapat ditulis dalam persamaan sebagai berikut.
Gambar 3. pengaruh topografi terhadap kecepatan angin e. Pengaruh penghalag Penghalang dapat mempengaruhi kecepatan angin pada konversi angin. Oleh karena itu desain tempat harus jauh dari penghalang, sehingga angin dapat bertiup maksimal, ditunjukkan pada gambar 4.
...(1.3)
...(1.3) Dengan : Vh = kecepatan angin pada ketinggian h [m/s] Vrev = kecepatan angin pada ketinggian yang sudah diketahui [m/s] h = ketinggian h [m] Alpha (α) = koefisien vertical wind shear Harga alpha dapat dilihat pada table dibawah ini.
Gambar 4. pengaruh penghalang terhadap angin Tabel 1. Harga Alpha Deskripsi kekerasan
Alpha
Very low roughness (flat ice, calm sea)
0.1
Low roughness (meadows, lowland, open fields)
0.16
Average roughness (bush, sparse trees)
0.2
Average roughness (villages, spread houses)
0.28
High roughness (town with high buildings)
0.4
Betz limit Fungsi rotor adalah menerima aliran angin sehingga rotor tersebut berputar. Hasil dari gerakan rotor digunakan untuk memutar generator sehingga diperoleh listrik. Menurut Raharjo (1997), secara teoritis dari kemampuan maksimal mesin penggerak tercapai bila kecepatan angin dibalik rotor (Vc) hanya 1/3 dari kecepatan angin didepan rotor (Va). Hal ini dapat disimpulkan jika rotor memiliki kecepatan 2/3 kecepatan angin didepan rotor. Maka mass flow rate efektif ketika berada pada rotor sebesar 2/3 A ρ Va. Jika dibuat persamaan menjadi:
…(1.4) Gambar 2. Profil angin akibat kekasaran permukaan.
…(1.5) Basar
adalah Bentz Limit.
3
Distribusi angin Dalam mengolah angin disuatu tempat sering digunakan beberapa distribusi, diantaranya distribusi Raylight dan distribusi Weibull. Distribusi Weibull lebih sering digunakan karena hasil yang diperoleh lebih mendekati kenyataan. Menurut Serugo dan Lambert (1999) distribusi Weibull memakai dua parameter yaitu parameter bentuk dan parameter scala.
..(1.6) Dengan: c = Parameter skala k = Parameter bentuk υ = Kacepatan angin [m/s] υi = Kecepatan angin pada i [m/s] dυ =Pertambahan kecepatan angin P (υ < υi < υ + dυ)= Peluang kecepatan angin antara υi sampai υ + dυ P (υ > 0) = Peluang kecepatan angin melebihi 0. Persamaan kumulatif untuk Distribusi weibull ditunjukkan sebagai:
...(1.7) Dua parameter pada distribusi weibull dapat dihubungkan dengan kecepatan rata rata, yaitu:
Untuk mengetahui keakuratan dan tingkat kesalahan dari distribusi weibull dengan data sesungguhnya, maka digunakan persamaan:
...(1.12) Estimasi energi dalam angin Estimasi energi dalam angin dapat ditulis dalam persamaan yang diberikan Jhonson(2001) sebagai : ...(1.13) Dengan : Pa ρ ΰ σ2
= Energi angin [kWh/a] = Masa jenis udara [Kg/m3] = Rata-rata kecepatan angin [m/s] = Varian kecepatan angin
Rotor Savonius Rotor tipe ini didesain oleh insinyur prancis S. J. Savonius pada tahun 1922. ide dasarnya adalah menggabungkan dua suilinder yang tekah dibelah menjadi dua. Desain ini sangat mudah dan sederhana untuk diaplikasikan. Tipe savonius bekerja karena gaya drag dari angin, satu sisi memiliki gaya drag yang lebih besar dari pada sisi yang lainnya sehingga terjadi perputaran. Type ini memiliki efisiensi yang rendah karena gaya angin yang mengenai sebuah bidang di transformasikan menjadi gaya drag yang lebih besar daripada gaya angkat. Menurut penelitian coefisien tenaganya Cp tidak lebih dari 30%, sehingga cocok untuk penghasil daya yang rendah dan kecepatan angin kecil.
...(1.8) Dengan : Ѓ = Gamma ΰ = Kecepatana angin rata-rata [m/s] Variasi dari persamaan weibull dapat dinyatakan dengan: …(1.9) Untuk mendapatkan parameter c dan k dapat dicari dengan cara ”maximum likelihood method” yaitu:
....(1.10)
...(1.11) Dengan : n
4
= Jumlah data
Gambar 5. Rotor type savonius Desain rotor Beberapa parameter yang perlu sewaktu mendesain rotor adalah :
diperhatikan
a. Tip speed ratio (TSR) Tip speed ratio atau disimbolkan dengan λ, adalah rasio yang menunjukkan kinerja dari rotor. Dapat dirumuskan perbandingan dari kecepatan putar rotor dengan kecepatan angin didepan rotor. λ = ( ω R) / Va ...(1.14)
Dengan : ω = Kecepatan putar [rad/s] R = Jari jari [m] Va = Kecepatan angin [m/s]
d. e. f.
b. Vcut-in Besarnya kecepatan angin untuk memutar rotor pada pertamakalinya. Untuk mengetahuinya dibutuhkan pengujian model atau prototipe.
Cross-section profile Jumlah buckets Tingkat buckets.
Untuk pengarah angin guna menambah kecepatan putar harus memenuhi prinsip mengurangi torsi negatif dengan cara memberi fin didepan sudu cekung. Sebagaimana kesimpulan yang ditunjukkan dalam jurnal Irabu (2007) dan Altan (2008).
c. Vcut-out Besarnya kecepatan angin yang membuat rotor tidak dapat berfungsi dengan optimum. Dapat diketahui dari percobaan. d. Torsi Torsi adalah besar putaran yang dihasilkan dengan satuan Nm. Torsi dan kecepatan angular berbanding terbalik. P = T.ω ...(1.15) Dengan: P = Daya [watt] T = Torsi [Nm] ω = Kecepatan angular [rpm] e. Koefisien daya (Cp) Setiap rotor memiliki karakteristik tertentu, diantaranya daya yang dihasilkan seperti yang diperlihatkan pada gambar 11. Koefisien daya memberikan perbandingan nilai daya dari shaft dengan daya energi kinetik angin. ...(1.14) Dengan: Cp = Coefisien Power Pt = daya turbin shaft [Watt] Pw = daya energi kinetik angin [Watt] ρ = Masajenis udara [kg/m3] D = Diameter rotor [m] A = Luas penampang rotor [m2] g. Koefisien torsi (Ct) Sebuah rotor selain dinilai dengan Cp juga perlu dilihat Koefisien torsi (Ct). Ct didefinisikan dengan perbandingan torsi aktual dari rotor dengan torsi dari angin. ...(1.15)
Parameter desain rotor Savonius Untuk mendesain sebuah rotor savious memiliki beberapa patokan desain yaitu : a. Konfigurasi blade (aspec rasio) b. Overlap ratio c. Separation gap
Gambar 6.Momen pada rotor savonius Pemodelan Fisik Pada dasarnya, analisis dimensional ialah suatu metode untuk mengurangi jumlah kerumitan peubah eksperimental yang mempengaruhi gejala fisik tertentu, dengan menggunakan teknik peringkasan (White. M Frank,1986). Pemecahan masalah dengan model fisik dapat dilakukan apabila masalah yang dihadapi oleh prototip dapat dibuat dengan skala kecil serta dengan kesebangunan yang memadai. Tujuan dari pemodelan fisik adalah untuk: 1. Untuk meramalkan kemungkinankemungkinan yang akan terjadi setelah bangunan dibuat. 2. Untuk mendapatkan suatu tingkat keyakinan yang tinggi atas keberhasilan suatu perencanaan bangunan. 3. Untuk mengetahui dan meramalkan penampilan bangunan serta pengaruhnya terhadap lingkungan. Dalam modelisasi terdapat tiga jenis kegiatan yang saling berkaitan: 1. Modeling (proses pembuatan model) Adalah proses peniruan masalah yang ada pada prototipe dengan skala yang lebih kecil dan dilakukan dengna cara yang benar. Untuk melakukan modelisasi, dituntut memiliki ilmu pengetahuan yang cukup berkaitan dengan penentuan fenomena-fenomena yang terdapat dalam permasalahan. Dengan demikian, model yang dihasilkan akan menjadi model yang bermanfaat dan hasil-hasil yang didapat dari penelitian model dapat diinterpetasikan ke prototipe yang baik
5
2. Solving (proses pemecahan masalah ) Adalah usaha penyelesaian masalha yang ada di dalam model, sehingga pembuat model dituntut memiliki kemampuan dan teknik pemecahan masalah, karena pada dasarnya model sendiri tidak bisa menyalesaikan masalah, tapi pembuat dapat menyelesaikan masalah. 3. Interpretation (interpretasi) Adalah usaha untuk memindahkan masalah yang dikerjakan di model untuk keperluan pemecahan masalah yang berlaku di prototope. Proses interpertasi ini dilakukan dengan cara yang sama pada saat membawa masalah pad model. Untuk menjamin hasil pemodelan yang dibuat sesuai maka perlu dilakukan langkah-langkah : Kalibrasi, yaitu pengaturan model untuk menyesuaikan data-data yang ada di rancangan prototip dengan yang ada di model uji. Verifikasi adalah membuktikan bahwa model sudah sesuai dengan prototip tanpa perlu diubah atau diatur lagi. Hukum Perbandingan Pemodelan Fisik merupakan salah satu pemodelan dalam memecahkan permasalahan. karesteristik prototipe model fisik dapat dilakukan apabila masalah yang dihadapi oleh prototip, sehingga parameter yang dipakai di model sebangun atau mirip dengan yang ada pada prototipe, hubungan ini dikorelasi dengan skala dengan setiap parameter mempunyai skala tersendiri tidak bisa disamakan, skala merupakan rasio antara nilai parameter yang ada pada prototipe dan yang ada pada model, hubungan skala dengan parameter dapat dikelompokan dalam dua kelompok besar yakni: 1) Hukum skala, hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi 2) Persyaratan skala, hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi untuk menghindari efek skala, dan disebut dengan kriteria sebangun. Syarat kesamaan suatu model fisik harus memenuhi ketiga syarat, yakni: 1. Kesamaan Geometris Keserupaan geometrik bersangakutan dengan dimensi panjang, secara teknis kita menyebut titittitiknya homolog, artinya mempunyai letak nisbi skala linear yang sama, untuk geometrik sempurna (tanpa distorsi) dimana kesebangunan antar model dengan prototipe yang memiliki panjang horizontal atau memanjang dengan skala vertikal atau tinggi harus sama, harga perbandingan ini selalu bernilai konstan dan harus memenuhi secara matematis dapat ditulis:
...(1.18)
6
...(1.16)
2. Kesamaan Kinematik Keserupaan kinematik mensyaratkan model dan prototipe mempunyai nisbah skala panjang dan nisbah skala waktu yang sama, hasilnya ialah nisbah skala kecepatannya akan sama keduannya, kesamaan kinetik berupa kecepatan dan aliran, secara matematis ditulis: ...(1.17)
3. Kesamaan Dinamis Jika percobaan model yang dilakukan untuk mendapatkan informasi besarnya gaya yang bekerja pada model yang ditinjau sebangun untuk geometrik dan kinematik, maka harus ada kesamaan dinamis untuk gaya-gaya yang bekerja pada model dan prototipe. III. Hasil dan pembahasan Karakteristik angin Bawean Bawean adalah sebuah pulau yang dikelilingi laut jawa, sehingga angin yang berhembus memiliki rata-rata 5,7 m/s. Data angin yang digunakan diperoleh dari BMKG Bawean dengan koordinat alat ukur Longitude : 112.403700 E dan Latitude : 5.580615 S. Arah angin dominan berhembus dari timur dan barat sesuai dengan angin muson yang terjadi. Data angin ditunjukkan dalam lampiran satu. Untuk mengetahui distribusi angin yang terjadi dapat didekati bengan cara Maximum Likelihood Method (MLM), akan tetapi jika di cocokkan dengan data time serise data menunjukkan error yang besar. Karena itu perhitungan estimasi energi angin digunakan regresi dari time series data. Tabel 2. Distrimusi angin dengan MLM BULAN
Vrata2 [m/s]
k
c
1_2009
7.940311763
6.657141662
3.402703870
2_2009
7.608282266
3.738799306
4.820880242
3_2009
2.501767447
1.808955454
5.464461179
4_2009
3.970007218
2.358502067
5.356964194
5_2009
4.671110033
3.851507801
3.639973735
6_2009
6.816154358
8.884466867
2.807451689
7_2009
6.968213126
9.59989116
2.751891341
8_2009
7.466808932
9.500793279
2.859194904
9_2009
6.581823954
3.866144546
4.061923523
10_2008
5.472259759
3.798678441
4.002497348
11_2008
3.267262424
2.411416493
4.561907018
12_2008
5.261538241
3.336267878
4.414405753
Tabel 3. Distrimusi angin dengan Regresi Weibull BULAN
Vrata2 [m/s]
k
c
1_2009
7.940311763
5.0880
8.6680
2_2009
7.608282266
2.7130
8.5760
3_2009
2.501767447
1.8800
2.8170
4_2009
3.970007218
2.1730
4.4780
5_2009
4.671110033
3.5140
5.1730
6_2009
6.816154358
6.9510
7.3040
7_2009
6.968213126
7.0170
7.4300
8_2009
7.466808932
6.8070
7.9680
9_2009
6.581823954
3.1360
6.3600
10_2008
5.472259759
3.3050
6.0920
11_2008
3.267262424
2.2580
3.6770
12_2008
5.261538241
2.8630
5.8860
rata rata
5.710461627
3.9754
6.2024
Tabel 5. Parameter desain rotor savonius
Estimasi energy angin Distribusi angin diatas dikonversikan menjadi bentuk estimasi energy dengan satuan Watt dengan memakai dua cara. Pertama dengan time series data dengan persamaan 1.2. kedua dengan persamaan yang diberikan Jhonson, persamaan 1.13. Tabel 4. Estimasi energi angin per-bulan Time series data
ditentukan adalah R dari bilah, harga R 15.8 cm didapat dari besaran R pada tong kecil yang tersedia dipasaran. Untuk perhitungan seterusnya mengikuti rasio yang telah ditentukan.
Regresi weibull
bulan
Watt/bulan
Kwh/hari
Watt/bulan
Kwh/hari
January
382599.81
12.34
410590.85
13.68
february
398170.71
14.24
393814.35
13.12
Maret
18323.10
0.59
22680.17
0.75
April
65410.75
2.18
75383.22
2.51
Mei
84266.20
2.71
92588.62
3.08
Juni
216713.02
7.22
236032.28
7.86
Juli
236583.56
7.63
256774.28
8.55
Agustus
292997.04
9.45
316576.45
10.55
September
158389.72
5.27
172793.33
5.75
Oktober
140948.29
4.54
154045.11
5.13
November
34698.75
1.21
38603.92
1.28
Desember
133946.41
4.31
147314.67
4.91
Prototype rotor savonius Rotor savonius yang didesain mengikuti penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, sehingga parameter desain dapat menghasilkan energi maksimum. Yaitu aspec ratio sebesar 4. (Menet, 2004.), Over lap rasio 0.15, Separation-gap sebesar 0. (Fujisawa, 1992) dan rotor dengan dua bilah, dua tingkat, dengan beda sudut 90o. (Saha, 2008). Untuk menambah daya yang dihasilkan diperlukan pengarah angin guna menambah kecepatan putar (Altan, 2008). Desain rotor dan sketsa dijelaskan dalam tabel dan gambar dibawah ini. Besaran dalam merancang rotor yang pertama kali
R 2R Diameter poros overlapratio a (jarak gap) D Do aspecratio H (tinggi) 2H Fin / Pengarah α1 L1 L2 tutup od Dimensi utama P L T Diagonal
5
cm cm
lamda Model 3.16 6.32
cm
0.4
cm
11.0 51.72 55
cm cm cm
2.296 10.344 11
cm cm cm
4 206.88 413.76
cm cm
41.376 82.752
cm cm
15 40 50 55
derajat cm cm cm
15 8 10 11
derajat cm cm cm
77 77 50 109.2
cm cm cm cm
15.4 15.4 10 21.84
cm cm cm cm
Prototipe 15.8 31.6 2
cm cm
0.3
Gambar 7. Pandangan atas rotor savonius
Gambar 8. Pandangan atas rotor savonius dengan pengarah
7
Pengarah angin Agar energi yang dikonversi semakin besar maka dibutuhkan sebuah pengarah angin guna menambah putaran rotor savonius. Menurut teori agar rotor savonius berputar cepat dibutuhkan penghalang pada sisi cembungnya (momen positif) dan mengarahkan angin pada sisi cekungnya (momen positif). Agar pengarah dapat berjalan secara evektif perlu didesain secara tepat yaitu seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.4. Tujuan pemasangan pengarah jenis tetap dan dibuat pada empat arah adalah sebagai penguat dan tower bagi rotor. Putaran yang dihasilkan ketika arah angin membentuk sudut dengan panampang tidak jauh berbeda dari putaran yang dihasilkan ketika arah angin tegak turus. Gambar 10. Aplikasi dilapangan dengan generator contra rotation Percobaan Untuk mencari koefisien daya Cp dibutuhkan pengujian dilaboratorium. Terdapat dua model yang akan diuji coba. Model pertama berupa rotor savonius. Untuk model kedua berupa rotor savonius dengan tambahan pengarah.
Gambar 9. Pengarah (fin) jenis tetap Sistem konversi energi rotor savonius Agar rotor savonius dapat bekerja dengan baik diperlukan sistim penunjang untuk memperoleh hasil yang maksimal. Simtem pendukung meliputi konfigurasi rotor, sistem roda gigi dan generator. Sistem konvigurasi rotor didesain terdiri dari dua bilah dan satu poros terdiri dari dua rotor dengan beda sudut 90o. Tujuannya adalah agar torsi yang dihasilkan memiliki nilai yang konstan sehingga generator dapat berputar dengan baik. Karena putaran yang dihasilkan kecil maka generator yang digunakan adalah generator magnet tetap. Untuk menambah putaran generator dapat ditambahkan sebuah sistem gear. Selain itu dapat dilakukan dengan mendesain duabuah sumbu yang berputar berlawanan arah sehingga generator magnet tetap didesain untuk berputar terbalik (Contra rotation). Dapat dijelaskan pada gambar dibawah ini.
8
Gambar 11. Model satu dan dua Karena keterbatasan alat Vcut-in dari rotor yang diuji tidak dapat diketahui karena model yang dibuat terlalu berat dan kecepatan angin wind tunel tidak dapat bekerja baik pada kecepatan rendah. Percobaan dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap model, karena alat ukut RPM menunjukkan angka yang tidak konstan. Dari data RPM yang didapat dicari trenlinenya. Selanjutnya dapat dicari Cp dari rotor yang diuji.
Tabel 6. Hasil pengujian V model m/s 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5
model 1
model 2_0 model 2_45 model 2_22.5 RPM 0.00 0.00 0.00 0.00 3.24 5.69 3.56 0.00 12.70 16.25 13.89 6.43 27.99 40.99 30.48 19.43 48.74 71.74 52.83 38.43 74.56 97.56 80.42 63.05 105.06 128.06 112.73 92.92 139.87 162.87 149.26 127.64 168.15 191.15 189.50 166.84 220.86 243.86 232.94 210.12 266.28 289.28 279.06 257.12 314.46 337.46 327.35 307.43 365.03 388.03 377.30 360.69 417.61 440.61 428.41 416.50 505.50 528.50 514.45 508.38 597.52 620.52 602.96 605.49 692.92 715.92 692.92 707.08 790.91 813.91 783.30 812.38 890.73 913.73 873.09 920.61 991.61 1014.61 961.26 1031.02 1126.16 1149.16 1035.28 1142.84
Pembahasan Data RPM yang diperoleh dari percobaan diolah untuk mendapatkan Cp setiap rotor. Karena Torsi dalam percobaan tidak diperoleh maka digunakan pembanding dari beberapa jurnal mengenai Cp banding TSR. Seperti ditunjukkan dalam gambar 12 dibawah ini.
Gambar 14. Model dua arah 00
Gambar 15. Model dua arah 450
Gambar 12.Cp dan Ct rotor Savonius Menet(2004)
Gambar 16. Model dua arah 22.50
Gambar 13. Model 1 arah 00
Gambar 17. Perbandingan keempat percobaan
9
Energi angin per-bulan Dengan asumsi arah angin yang bertiup di pulau bawean dari arah 90o dan 270o, Masa jenis angin konstan pada suhu 25oC maka dicari energi angin yang dapat dikonversi pada setiap bulan dengan data dari regresi weibull diatas. Hasil perhitungan diberikan dalam tabel dibawah ini dengan asumsi koefisien generator, koefisien mekanik dan peralatan listrik adalah satu. Tabel 7. Energi angin yang dapat dikonversi Regresi weibull bulan
Watt/bulan
Kwh/hari
January
388066.8548
12.9355
february
349024.1481
11.6341
Maret
20522.5904
0.6840
April
75852.5035
2.5284
Mei
99951.3060
3.3317
Juni
242299.7431
8.0766
Juli
263232.8161
8.7744
Agustus
316730.7273
10.5576
September
174768.4415
5.8256
Oktober
160683.1909
5.3561
November
40219.9995
1.3406
Desember
151236.6129
5.0412
V. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Berdasarkan analisa dan pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan: 1. Parameter desain rotor Savonius dengan desain yang tepat untuk pulau Bawean adalah rotor Savonius dengan perameter desain sebagai berikut: aspec ratio sebesar 4,0; Over lap rasio 0,15; Separation-gap sebesar 0,0. Konvigurasi rotor dengan dua bilah, dua tingkat, dengan beda sudut 90o. Pengarah angin jenis tetap dengan sudut 150 yang mengelilingi rotor. Sistim yang digunakan adalah dua poros dengan putaran yang berlawanan arah. 2. Energi angin yang dapat dikonversi per tahun sebesar 2282.5889 Kwatt/tahun. Memiliki Rata-rata 50.8684 KWatt; dengan 103.1208 KWatt/bulan pada Bulan Januari dan terkecil 6.3005 Kwatt/bulan pada bulan Maret. Saran Perlu dilakukan penelitian mengenai besar dan sudut dari pengarah angin agar memberikan Cp maksimum pada segala arah. Perlu diadakan percobaan dengan analisa numerik seperti CFD untuk membandingkan hasil pengujian.
10
VI Daftar Pustaka Altan, B. D., Altigan, M.; 2008; An experimental and numerical study on the improvement of the performance of Savonius wind rotor; Energy Conversion and Management; 49: 3425–3432 Celik, A. N.; 2002; Energy output estimation for small-scalewind power generator yusing Weibull-representative wind data; Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91: 693–707. Fujisawa, N.; 1992; On the torque mechanism of Savonius rotors; Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics; 40 (): 277-292 Industri kelistrikan di Indonesia; intelligence report; juli 2008.
Market
Islam M., Fartaj A., Ting D.; 2006; Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines; Renewable and Sustainable Energy Reviews 12: 1087– 1109. Jhonson, G. L.; 2001; Wind Energy System Electronic Edition; Manhattan KS. Menet, J. L.; 2004; Adouble-step Savonius rotor for local production of electricity: a design study; Renewable Energy; 29: 1843–1862 Pujowidodo dkk.; Pengembangan Generator Mini Dengan Menggunakan Magnet Permanen; Fakultas Teknik Universitas indonesia. Saha, U. K., Totla, S. dan Maity, D.; 2008; Optimum design configuration of Savonius rotor through wind tunnel experiments; Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics; 96: 1359– 1375 Serugo, J. V. dan Lambert, T. W.; 1999; Modern estimation of the parameters of the Weibull wind speed distribution for wind energy analysis; Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 85: 75-84 White,
Frank M.(1986). Fluid McGraw-Hill. Singapore
Mechanics.
