STUDI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI VERTICAL AXIS WIND TURBINE (VAWT) DENGAN VARIASI DESAIN TURBIN
Moch. Arif Afifuddin Ir. Sarwono, MM. Ridho Hantoro, ST., MT. Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2010 ABSTRAK Dalam rangka mengembangkan tugas akhir sebelumnya Arief Fajar Prasetya, tahun 2008 dengan judul Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine Tiga dan Lima Blade. Telah dilakukan kegiatan merancang vertical axis wind turbine untuk kecepatan angin 2 m/s. Penelitian yang telah dikerjakan saat ini untuk menjelaskan korelasi antara panjang rotor dan jumlah blade dengan putaran rotor (rpm) dan torsi yang dihasilkan. hasil eksperimen uji perubahan panjang rotor dan uji perubahan kecepatan angin dapat diperoleh performansi rpm terbaik dihasilkan oleh turbin dengan 5 blade panjang lengan 48 cm sebesar 23.72 kali putaran dalam satu menit dengan kecepatan angin 2m/s. Performansi torsi terbaik dihasilkan oleh turbin dengan 5 blade panjang rotor 170 cm sebesar 1.26 Nm. Hasil eksperimen ini akan di-validasi dengan menggunakan simulasi di software Ansys. Baik secara eksperimen maupun simulasi di Ansys turbin dengan panjang rotor 170 cm memiliki performansi torsi lebih baik dari turbin dengan panjang lengan 48 cm. Kata kunci : Wind turbine, Rotor, Blade, Software ANSYS, rpm, torsi. I.
Pendahuluan Salah satu teknologi sistem konversi energi angin (SKEA). yang perlu dikembangkan lagi adalah Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Kekurangan dari VAWT adalah kebanyakan dari VAWT menghasilkan energi hanya sekitar 50% dari efisiensi yang dihasilkan HAWT karena gaya drag tambahan ketika berputar. Sedangkan beberapa kelebihan dari VAWT adalah lebih mudah dalam perawatannya karena letak dari generator dan gearbox terletak di dekat tanah, konstruksinya yang sederhana, memiliki karakteristik starting yang cepat dan mampu menerima angin dari segala arah sehingga tidak perlu membutuhkan pengarah. Pada tugas akhir ini mengembangkan tugas akhir sebelumnya yang sudah ada, yakni milik saudara Arief Fajar Prasetya. dengan mengubah beberapa varibel komponen turbin seperti panjang rotor, dan jumlah blade 3 dan 5 blade pada sistem wind turbine yang sama. II. Permasalahan Permasalahan dalam Tugas Akhir ini adalah: merancang vertical axis wind turbine yang mampu untuk kecepatan angin 2 m/s. Menganalisa performansi sistem vertical axis wind turbine dengan perubahan variable
panjang rotor dan jumlah blade. Mencari korelasi antara panjang rotor dan jumlah blade yang berbeda terhadap rpm dan torsi yang dihasilkan. III.
Batasan masalah Dalam tugas akhir ini diambil asumsi dan batasan masalah sebagai berikut : • Analisa yang dilakukan berupa analisa performansi dari sistem wind turbine dengan keluaran rpm Shaft dan torsi. • Uji performansi dilakukan pada jumlah blade dan panjang rotor yang digunakan dengan sistem wind turbine yang sama. • Hasil rancangan dan algoritma wind turbine disimulasikan dengan software CFX Ansys 11 • Pengerjaan tugas akhir ini berorientasi pada estimasi putaran rotor (rpm) yang dihasilkan oleh wind turbin. • Analisa perhitungan data menggunakan perhitungan software Microsoft Excel. IV. Tujuan Tujuan dari penelitian ini untuk menjelaskan korelasi-korelasi antara panjang rotor dan jumlah blade dengan putaran rotor (rpm) dan torsi yang dihasilkan.
1
V. Manfaat Manfaat dari tugas akhir ini adalah : • Manpu merancang wind turbin untuk kecepatan angin 2m/s • Mampu menganalisa performansi sistem wind turbine • Mengembangkan ilmu tentang uji performansi system wind turbine dengan pengaruh panjang rotor dan jumlah sudu. VI. Landasan teori 6.1 Energi Angin Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan udara, dan kecepatan angin kubik, seperti diungkapkan dengan persamaan berikut:
P=
1 .Cp.ρ .v 3 . A 2
......................... (6.1) Dimana : P = Daya mekanik (Watt) Cp = Maximum power coefficient (0,25 – 0,45) ρ = Massa jenis udara (kg/m3) v = Kecepatan angin (m/s) A = Luas Penampang (m2) Dari persamaan 6.1 di atas dapat disimpulkan bahwa daya listrik yang dihasilkan sebuah kincir angin dipengaruhi oleh kecepatan angin dan luas daerah sapuan kincir. Sehingga semakin besar nilai kedua variabel tersebut maka semakin besar daya listrik yang dihasilkan. Daya angin maksimum yang dapat keluarkan oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah,
P=
16 1 . .ρ .v 3 . A 27 2 ........................... (6.2)
Konstanta 16/27 (=59.3%) ini disebut batas Betz (Betz limit). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat
dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu horisontal. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung sudu, efisiensi aerodinamik dari rotor, η rotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada harga maksimum 0.45 saja untuk sudu yang dirancang dengan sangat baik [1]. 6.2 Karakteristik Angin Beberapa hal penting mengenai karakteristik angin yang perlu kita ketahui adalah : 1. Massa Jenis Angin Definisi dari density adalah massa dari suatu fluida dalam satu satuan volume, atau ρ= m/v, lain, yaitu T (temperature) dan S (salinity: untuk kasus air laut). Kenaikan T memberikan kontribusi penurunan kerapatan pada sebuah boundary sistem yang seragam. Kerapatan udara kering yang diambil sebagai konstanta pada perhitungan daya keluaran sebuah pembangkit listrik tenaga angin adalah 1,225 kg/m3. Pada tabel Thermophysical property kita dapatkan bahwa nilai density udara tersebut terjadi pada kondisi temperatur sekitar 15oC. Berdasarkan properti physical udara seharusnya nilai ρ = 1,225 kg/m3 kurang tepat jika digunakan untuk wilayah Indonesia, karena temperatur yang berkorelasi seharusnya sekitar 15oC. Hal ini tidak mungkin didapati di wilayah pesisir dan pantaipada siang hari, mengingat temperatur ambient sekitar 28oC32oC (1,15741<ρ<1,1726) Kg/m3. Demikian pula untuk data pada malam hari, dengan turunnya temperatur maka seharusnya terjadi kenaikan kerapatan.
6.3 Komponen Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Bentuk Blade Bentuk umum dari Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) yang dapat membangkitkan energi listrik pada generator adalah : Karakteristik dari turbin jenis ini adalah : • Turbin angin berporos tegak. • Contoh VAWT yaitu savonius darierus panemone. • Prinsip aerodinamika : gaya drag • Kincir angin savonius memiliki banyak kelebihan , yaitu : − Konstruksinya yang sederhana.
2
− − − −
Karakteristik starting yang cepat Mampu menerima angin dari segala arah sehingga tidak perlu membutuhkan pengarah Mempunyai jumlah sudu berbeda-beda ( 2, 3, 4 dan 6 ) Dimensi diameter dan ketinggiannya semua sama termasuk perbandingan e/d = 1/6.
Adalah poros yang digunakan untuk mentransmisikan power mekanik putaran sudu/blade ke bagian gear-box. Berikut adalah perhitungan untuk menentukan shaft speed dan gaya torsinya. Shaft speed = 60.λ.v .............................(6.4) π .D 2 3 Torque = v .r .....................................(6.5) λ Dimana : λ = Tip speed ratio v = kecepatan angin dalam m/s (phi) = 3.1415926535... D = diameter blade (m) R = jari-jari blade (m)
3. Hub (a) (b) Gambar 6.2. Tipe Blade (a) Darrieus Vertical Axis Wind Turbine (b) Savonius Vertical Axis Wind Turbine Masing-masing tipe yang disebutkan diatas masih dibagi kedalam model sudu/blade yang lebih spesifik. Untuk mendesign wind turbin ini perlu diperhatikan tentang bentuk dan jumlah blade yang digunakan, bentuk dari blade itu juga tergantung dari karakteristik angin di suatu tempat, ketika sudah diketahui karakteristik angin ini baru kemudian dapat ditentukan bentuk sudu/blade mana yang akan dipakai. Penjelasan mengenai pembagian dari tipe turbin dapat dilihat pada keterangan berikut ini :
Gambar
6.3.
Vertical
turbine 2. Main Shaft (Poros Utama)
axis
wind
Merupakan bagian yang menjadi penghubung antara rangkaian sudu/blade dengan main shaft/poros utama.
Gambar 6.4 Hub
6.4 Penelitian yang Relevan Berdasarkan yang telah dilakuakn oleh Arief Pajar Prasetya, ST. Pada tahun 2008 tentang Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine Tiga dan Lima Blade didapatkan kesimpulan: • Distribusi kecepatan angin terbanyak pada akhir bulan Juni 2008 dan awal bulan Juli 2008 di lokasi Keputih, Sukolilo, Surabaya berkisar antara 3 – 5 m/s, dengan rentang waktu yang paling efektif antara jam 12.00 – 15.00 dalam sehari, dengan kecepatan angin maksimal 6,3m/s • Performansi terbaik pada kecepatan angin yang relatif tinggi yaitu 6m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 15º dengan kemampuan berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 50.5 kali putaran dalam 1 menit. • Performansi terbaik pada kecepatan angin 5m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 30º dengan kemampuan
3
•
•
•
berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 42.75 kali putaran dalam 1 menit. Performansi terbaik pada kecepatan angin 4m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 30º dengan kemampuan berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 36 kali putaran dalam 1 menit. Performansi terbaik pada kecepatan angin 3m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 45º dengan kemampuan berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 29,75 kali putaran dalam 1 menit. Karena distribusi kecepatan angin terbanyak pada akhir bulan Juni 2008 dan awal bulan Juli 2008 di lokasi Keputih, Sukolilo, Surabaya berkisar antara 3 – 5 m/s, maka performansi terbaik vertical axis wind turbine didapat saat menggunakan 5 blade dengan sudut 30º yang bisa mencapai 42.75 kali putaran dalam 1 menit, baik untuk diaplikasikan pada generator DC untuk menghasilkan listrik.
6.5 Software Ansys Ansys adalah suatu software pemodelan finite element untuk memecahkan secara numerik suatu permasalahan. Permasalahan ini meliputi: analisis struktural statik/dinamaik (baik linier maupun tidak linier), perpindahan kalor, mekanika fluida, elektromagnetik dan akustik. Pada dasarnya ada tiga tahapan penting dalam penganalisaan di Ansys, yaitu : 1. Pembuatan model 2. Pemberian ”beban” dan mendapatkan solusi 3. Me-review hasil Ansys mempunyai system menu sendiri yang dinamakan dengan GUI (Graphical User Interface) yang fungsinya untuk mempermudah berhubungan dengan program ANSYS. Secara umum Ansys GUI terdapat tiga area utama yaitu Ansys graphics area, Ansys utility menu, Ansys main menu dan Ansys toolbar
untuk simulasi. Sebelum memulai perancangan, pemodelan, dan simulasi, di bawah ini adalah gambar diagram algoritma pengerjaan tugas akhir.
Gambar 7.1 Diagram alir algoritma pengerjaan tugas akhir
7.1 Perancangan Sistem 7.1.1 Desain geometris real alat • Desain blade
VII. Perancangan dan pemodelan sistem Pada bab ini adalah penguraian penelitian tugas akhir yang berupa perancangan dan penurunan model geometri yang digunakan
Gambar 7.2 Desain blade tampak dari atas
4
• •
Gambar 7.3 Desain blade tampak dari samping •
Desain rotor blade
Gambar 3.4 Desain rotor blade
Prinsip aerodinamika : gaya drag Kincir angin darieus memiliki banyak kelebihan, yaitu : o Konstruksinya yang sederhana o Karakteristik starting yang cepat o Mampu menerima angin dari segala arah sehingga tidak perlu membutuhkan pengarah o Mempunyai jumlah sudu berbeda-beda. o Dimensi diameter dan ketinggiannya semua sama
Gambar 7.6 Tipe Straight-Blade Darieus Vertical Axis Wind Turbine (VAWT )
3.2.2 Skema Alat Untuk mendesain wind turbine ini perlu diperhatikan tentang bentuk dan jumlah blade yang digunakan, bentuk dari blade itu juga tergantung dari karakteristik angin di suatu tempat, ketika sudah diketahui karakteristik angin ini baru kemudian dapat ditentukan bentuk sudu/blade mana yang akan dipakai. Pada alat ini memakai variasi 3 dan 5 buah blade.
Gambar 3.5 Skema alat Vertical Axis Wind Turbine (VAWT ) 7.2 Bagian-bagian Sistem ”Wind Turbine” 7.2.1 Blade Bentuk Blade Bentuk Blade yang akan digunakan dari turbin angin yang dapat membangkitkan energi listrik pada generator adalah Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) model Darieus tipe straight-blade. Karakteristik dari turbin jenis ini adalah : • Turbin angin berporos tegak.
7.2.2. Rotor Blade Daya yang dihasilkan dari energi angin, dapat dihitung melalui persamaan berikut ini: P = 1/2 v3 r2 ................(7.1) Adapun persamaan diatas tanpa memperhatikan nilai power coefficient (Cp). Dimana menurut hukum Betz (sebuah hukum yang diformulasikan oleh Albert Betz, seorang ilmuwan dari Jerman, pada tahun 1919) mengatakan bahwa, energi kinetik yang bisa dikonversi menjadi energi mekanik pada sebuah wind turbine adalah kurang dari 16/27 atau 59% saja. Sehingga didapatkan persamaan baru seperti berikut :
5
P = 1/2 Cp v3 r2. ................(7.2) Dimana : P = daya teoretical yang dihasilkan dari wind turbine (Watt). (rho) = massa jenis udara kering = 1,225 kg/m3 v = kecepatan angin dalam m/s (meter per second). Rata-rata kecepatan angin maksimum 6 m/s (pi) = 3.1415926535... r = jari-jari (setengah diameter) rotor dalam m (meter). Pada alat ini menggunakan jari-jari 48,170 cm. Dengan memasukan nilai-nilai di atas didapat besar P = 17.07 kW, 214.16 Kw Sedangkan untuk mendapatkan nilai tip speed ratio melalui persamaan: B = 80 / λ2 ................(7.3) Dimana : B = Jumlah blade = variasi 3 dan 5 blade λ = Tip speed ratio sehingga di dapat nilai λ = 4 - 5.16
Sehingga didapat nilai shaft speed sebesar 318.5 – 933.3 rpm dan torque sebesar 0.22 – 9.8 N.m 7.2.4 Hub Semua blade biasanya akan dibaut pada hub namun beberapa dilakukan juga pengelasan. Hub ini biasanya dibuat dari tipe spesial campuran strong iron, yang disebut tipe SG (Spherical Graphite). Hal ini dikarenakan oleh bentuk hub yang cukup rumit sehingga perlu dipergunakannya besi campuran. Selain itu besi murni juga mempunyai kelemahan seperti mudah pecah atau lekas meleleh karena kandungan karbonnya
Gambar 7.9 Hub 7.3 Pemodelan Sistem dan Simulasi Gambar 7.7 Rotor blade 7.2.3 Main Shaft (Poros Utama) Adalah poros yang digunakan untuk mentransmisikan power mekanik putaran sudu/blade ke bagian gear-box.
Selanjutnya alat yang sudah dibuat dan dirakit diturunkan bentuk geometrinya ke dalam software ANSYS. Penurunan bentuk geometri hanya dilakukan pada bentuk blade dan ukuran disesuaikan keadaan yang sebenarnya. Pada ANSYS WORKBENCH menggunakan ukuran dalam satuan centimeter, sehingga bentuk blade akan tampak seperti gambar di bawah ini :
Gambar 7.8 Main shaft Berikut adalah perhitungan untuk menentukan shaft speed dan gaya torsinya. Shaft speed = 60.λ.v ................(7.4) π .D 2 3 Torque = v .r λ
................(7.5)
Dimana : λ = Tip speed ratio v = kecepatan angin dalam m/s (pi) = 3.1415926535... D = diameter blade (m)
Gambar 7.10 Geometri bentuk blade dalam ANSYS WORKBENCH Setelah bentuk blade tergambar dalam ANSYS WORKBENCH, maka selanjutnya digambar bentuk geometri dari bentuk lingkungan wind turbine yang nanti akan
6
diidentifikasikan ada fluida yang mengalir yaitu angin, seperti gambar di bawah ini :
angin, penyelesaian masalah dalam bentuk orde dua,dsb. Setelah mengatur variabel yang berpengaruh, maka langkah selanjutnya mendispalykan. Display yang dipakai adalah contour velocity dan pressure yang nantinya akan dianalisa.
Gambar 7.11 Geometri bentuk blade dan lingkungannya dalam ANSYS WORKBENCH. Setelah membuat geometri, langkah selanjutnya adalah melukukan identifikasi kondisi batas dari bidang geometri pembagian obyek menjadi bagianbagian kecil. Pertama melakukan mesh pada garis dan selanjutnya pada bidang, sehingga akan tampak seperti gambar di bawah ini :
Gambar 7.13 Velocity dari bentuk geometri dengan panjang rotor 48 cm.
Gambar 7.14 Velocity dari bentuk geometri dengan panjang rotor 170 cm. VIII.
Gambar 7.12 Hasil meshing bentuk geometri Setelah membuat meshing, langkah berikutnya adalah identifikasi kondisi batas dari bidang geometri. Pada garis kiri dari bidang diidentifikasikan sebagai inlet yaitu tempat masuknya fluida yang mengalir, pada garis kanan dari bidang diidentifikasikan sebagai out yaitu tempat keluarnya fluida yang mengalir, pada garis atas dan bawah dari bidang diidentifikasikan sebagai wall yaitu dinding pembatas aliran. Setelah identifikasi garis, maka selanjutnya identifikasi bidang geometri. Bidang geometri diidentifikasikan sebagai area fluid yaitu area yang teraliri fluida. Setelah membuat kondisi batas, langkah berikutnya adalah menyimpan file dalam bentuk ( .gtm ) karena pada proses selanjutnya akan dimasukkan pada CFX Ansys. Langkah yang terakhir dan yang paling inti adalah pemprosesan simulasi pada CFX ANSYS. Gambar bentuk geometri di atas dibuka dalam CFX ANSYS, yang nanti akan diatur beberapa variable seperti kecepatan
ANALISA DAN PEMBAHASAN HASIL SIMULASI Pada bab ini berisi tentang data pengukuran kecepatan pada tiap waktu dan hari; rpm dan torsi blade dari wind turbine pada variasi jumlah blade, panjang rotor, kecepatan angin; dan pembahasan hasil uji simulasi yang berupa : uji perubahan panjang rotor uji perubahan kecepatan angin pada distribusi tekanan dan kecepatan dari blade. Dari hasil uji tersebut juga menganalisa performansi terbaik dari wind turbine. 8.1 Analisa Data 8.1.1 Perancangan wind turbin Dari data di atas kecepatan angin tidak lebih dari 3m/s kalaupun ada sangat jarang sehingga perancangan alat wind turbin dirancang pada kecepatan 2m/s. Pada perancangan ini menggunakan persamaan 2.1, nilai daya mekanik (P) menggunakan perancangan tugas akhir sebelumnya yang berjudul Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine Tiga dan Lima Blade sebesar 25 watt, Nilai Cp maksimum power coefficient digunakan Betz number (0.59), massa jenis udara 1,1726 Kg/m3, kecepatan angin 2m/s
7
• Untuk 3 blade Tabel 81 Data rpm 3 blade pada panjang rotor 48 cm Panjang nilai v (m/s) rpm (putaran) rotor 1 6.58 1.5 7.29 48 2 9.16 2.5 11.01 3 14.04 Tabel 8.2 Data rpm 3 blade pada sudut panjang rotor 170cm Panjang nilai v (m/s) rpm (putaran) rotor 1 0 1.5 2.45 170 2 3.48 2.5 3.71 3 4.63 • Untuk 5 blade Tabel 8.3 Data rpm 5 blade pada sudut panjang rotor 48 cm Panjang nilai v (m/s) rpm (putaran) rotor 1 17.32 1.5 19.55 48 2 23.72 2.5 26.08 3 37.38 Tabel 8.4 Data rpm 5 blade pada rotor 170 cm Panjang nilai v (m/s) rpm (putaran) rotor 1 2.94 1.5 3.68 170 2 4.30 2.5 4.95 3 6.16 Dari tabel perbandingan di atas maka dapat dibuat grafik perbandingan rpm dari 3
dan 5 blade pada variasi kecepatan angin dan panjang rotor seperti di bawah ini : Grafik 8.2 perbandingan rpm 3 blade dan 5 blade dengan panjang rotor 48 cm dan 170 cm. 40 35 rpm (putaran)
sehingga diperoleh panjang rotor sebesar 170 cm. Data rpm pada masing-masing blade Setelah tahap pengambilan data kecepatan angin pada tiap waktu dan tiap hari, maka selanjutnya dilakukan pengukuran rpm dari masing-masing blade yaitu menggunakan 3 dan 5 buah blade pada variasi panjang rotor dan variasi kecepatan angin, sehigga didapat hasil seperti tabel di bawah ini :
30 3 blade, 48 cm
25
5 blade, 48 cm
20
3 blade, 170 cm
15
5blade, 170cm
10 5 0 0
1
2
3
4
kecepatan angin (m/s)
Dari grafik untuk turbin dengan panjang lengan 170 cm belum ada perbedaan yang signifikan antara turbin dengan jumlah blade 3 dan 5, nilai rpm-nya masih saling mendekati. Untuk turbin dengan pajang lengan 48 cm, antara turbin dengan jumlah blade 3 dan 5 menunjukkan perbedaan yang signifikan dan turbin dengan jumlah blade 5 memiliki performansi rpm lebih baik. Nilai rpm untuk turbin dengan panjang lengan 170 cm jauh lebih rendah dari turbin denga panjang lengan 48 cm. Hal ini disebabkan oleh semakin panjang panjang lengan turbin maka semakin rendah jumlah putarannya dalam satu menit, sehingga turbin dengan panjang lengan 48 cm nilai rpm-nya lebih tinggi. 8.1.2 Data torsi pada masing-masing blade Setelah dilakukan pengukuran rpm, dilakukan pulah pengukuran terhadap torsi masing-masing blade. Pengukuran ini dengan variasi panjang rotor dan kecepatan angin yang berbeda, sehigga didapat hasil seperti tabel di bawah ini : • Untuk 3 blade Tabel 8.6 Data torsi 3 blade pada panjang rotor 48 cm Panjang nilai v (m/s) torsi (Nm) rotor 1 0.32 1.5 0.38 48 2 0.63 2.5 0.7 3 0.93
8
Tabel 8.7 Data torsi 3 blade pada panjang rotor 170 cm Panjang nilai v (m/s) torsi (Nm) rotor 1 0 1.5 0.94 170 2 1.24 2.5 1.49 3 1.77 • Untuk 5 blade Tabel 8.8 Data torsi 5 blade pada panjang rotor 48 cm Panjang nilai v (m/s) torsi (Nm) rotor 1 0.5 1.5 0.51 48 2 0.65 2.5 0.81 3 1.25 Grafik 8.3 Perbandingan torsi 3 blade dan 5 blade dengan panjang rotor 48 cm dan 170 cm. garfik perbandingan torsii 3
torsi (Nm)
2.5 3 blade, 48 cm
2
5 blade, 48cm
1.5
3 blade, 170cm
1
ini panjang lengan turbin sangat berpengaruh terhadap nilai torsi.
Pembahasan Hasil Simulasi Simulasi dilakukan agar dapat dianalisa karakteristik aliran fluida yang terjadi saat wind turbine berputar karena tertabrak aliran fluida yaitu angin. Selanjutnya alat yang sudah dibuat dan dirakit diturunkan bentuk geometrinya ke dalam software ANSYS WORKBENCH. Penurunan bentuk geometri hanya dilakukan pada bentuk blade dan main shaft dan ukuran disesuaikan keadaan yang sebenarnya. Pada ANSYS WORKBENCH menggunakan ukuran dalam satuan centimeter, setelah semua pengerjaan gambar di ANSYS WORKBENCH selesai, maka gambar selanjutnya di-meshing. Setelah pengerjaan selesai hasil meshing dengan file .gtm, geometri selanjutnya dikerjakan di CFX ANSYS pada tahap ini diberi inisialisasi terhadap geometri. Untuk boundary diinisialisasi sebagai dinding dengan karakteristik free slip dimana gaya gesek fluida terhadap dinding bernilai nol. Sedangkan untuk blade dan main shaft diberi inisialisasi no slip dimana terdapat gaya gesekan antara fluida dengan turbin.
5 blade,170cm
0.5 0 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
kecepatan angin
Dari grafik perbandingan 8.3 diatas untuk turbin dengan panjang lengan 170 cm nilai torsi untuk turbin dengan jumlah blade 3 dan 5 memiliki nilai torsi yang hampir mendekati di kecepatan angin 2m/s. Saat kecepatan angin bertambah tinggi lagi nilai torsi antar kedua jumlah blade perbedaan nilai torsi-nya mulai mencolok turbin dengan jumlah blade 5 memiliki nilai torsi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin dengan jumlah blade 3. Begitu juga pada turbin dengan lengan 48 cm antara turbin dengan jumlah blade 3 dan 5 memiliki nilai torsi yang hamper sama saat kecepatan angin 2m/s, saat kecepatan mulai naik lagi perbedaan nilai torsi juga semakin lebar. Namun turbn dengan panjang lengan 48 cm nilai torsinya masih jauh dibawah nilai torsi turbin dengan lengan 170 cm. dalam hal
8.2.1 Uji simulasi perubahan panjang rotor Pada uji ini menggunakan kecepatan angin tetap 2 m/s dan perubahan panjang rotor yaitu 48 cm dan 170 cm. Dalam software CFX ANSYS hasil seperti gambar di bawah ini: •
Untuk 3 blade
Gambar 8.1 Contour of velocity 3 blade, panjang rotor 48 cm
9
•
Gambar 8.2 Contour of velocity 3 blade, panjang rotor 170 cm •
Untuk 5 blade
Gambar 8.3 Contour of velocity 5 blade, panjang rotor 48 cm
Gambar 8.4 Contour of velocity 5 blade, panjang rotor 170 cm Dari gambar di atas maka dapat dibuat analisa karakteristik aliran fluida dan performansi dari 3 dan 5 blade pada variasi panjang rotor dengan menggunakan perbandingan nilai pressure dan velocity dari masing-masing gambar. Analisa karakteristik aliran fluida dan performansi menggunakan identifikasi warna yang terlihat pada gambar, nilai paling rendah pada warna biru tua, dan nilai tertinggi pada merah tua. Keseluruhan daerah yang akan dianalisa sudah teridentifikasi semua dengan warna-warna yang berbeda. Selanjutnya analisa karakteristik aliran fluida dan performansi adalah sebagai berikut :
Analisa dengan pressure coefficient (Cp) (lihat gambar 8.1, 8.3, 8.5, 8.7) Pada gambar 8.1 pressure coefficient menyebar merata pada 3 blade, begitu juga pada gambar 8.5 pressure coefficient menyebar merata pada 5 blade. Pressure coefficient (Cp) merupakan koefisien distribusi tekanan dari pengaruh angin terhadap 3 blade yang masing-masing blade akan berbeda nilainya karena disaat blade yang satu menghadap arah angin, blade yang lain membelakangi arah angin, sehingga Cp-nya akan berbalik arah sehingga akan mengurangi daya berputar dari blade. Cp maksimal diperoleh jika luasan blade yang menghadap arah angin cukup besar dibandingkan luasan blade yang membelakangi arah angin. Hal ini dapat terlihat jelas dari warna dari gambar di sekitar permukaaan blade, disaat blade menghadap arah angin, warna permukaan blade merah tua, artinya pressure coefficient mencapai nilai tertinggi dari gambar, sedangkan blade yang membelakangi arah angin warna permukaan blade hijau, artinya pressure coefficient mencapai nilai terendah dari gambar. Sehingga apabila kita menbandingkan gambar 8.1 dengan gambar 8.3, dan gambar 8.5 dengan gambar 8.7, dan gambar 8.1; 8.3; 8.5; 8.7 memiliki sudt yang sama sehingga memiliki pressure coefficient yang sama juga. •
Analisa dengan velocity magnitude (vm) (lihat gambar 8.2, 8.4, 8.6, 8.8) Pada gambar 4.2 velocity magnitude menyebar merata pada daerah sekitar 3 blade, begitu juga pada gambar 8.6 velocity magnitude menyebar merata pada daerah sekitar 5 blade. velocity magnitude (vm) merupakan magnitudo kecepatan dari pengaruh angin terhadap daerah sekitar 3 blade yang masing-masing blade akan berbeda nilainya karena angin yang diteruskan setelah mengenai daerah sekitar blade sebagian akan berputar balik menabrak bagian belakang blade, sehingga vm yang berada di daerah bagian belakang blade akan mengindikasikan terjadi aliran turbulen sehingga akan mengurangi daya berputar dari blade. Dari gambar 8.2; 8.4;
10
8.6 dan 8.8 memiliki profil kecepatan angin yang sama kecepatan tertinggi berada dibelakang blade. •
Analisa dengan torsi (Nm) Dari simulasi dan eksperimenyang telah dilakukan dapat dilakukan pengukuran dan perhitungan torsi. Perhitungan torsi pada simulasi digunakan kecepatang angin sebesar 2m/s dam diperoleh data sebagai berikut: Tabel 4.12 Perbandingan torsi hasil perhitungan simulasi 3 blade dan 5 blade pada variasi kecepatan angin Panjang Kecepatan Torsi (Nm) rotor angin (cm) (m/s) Blade 3 Blade 5 1 0.20 0.11 1.5 0.20 0.25 48 2 0.20 0.45 2.5 0.20 0.73 3 0.20 1.08 1 0.56 0.35 1.5 0.57 0.83 170 2 0.57 1.55 2.5 0.56 2.37 3 0.57 3.44 Tabel 4.13 Perbandingan torsi hasil pengukuran 3 blade dan 5 blade pada variasi kecepatan angin Panjang Kecepatan Torsi (Nm) rotor angin (cm) (m/s) 3 blade 5 blade 1 0.32 0.5 1.5 0.38 0.51 48 2 0.63 0.65 2.5 0.7 0.81 3 0.93 1.25 1 0 0.62 1.5 0.94 1.2 170 2 1.24 1.26 2.5 1.49 1.84 3 1.77 2.67
Dari simulasi maupun dari pengukuran menunjukakn bahwa turbin dengan panjang rotor 170cm lebih baik dengan nilai torsi dua kali lipat lebih besar dari turbin dengan panjang lengan 48cm.
IX.
Kesimpulan Berdasarkan analisa data dan pembahasan hasil simulasi uji perubahan panjang rotor dan uji perubahan kecepatan angin dapat disimpulkan bahwa : Telah dilakukan perancangan vertical axis wind turbine untuk kecepatan angina 2m/s dengan mengubah panjang rotor menjadi 170 cm Turbin dengan panjang lengan 170 cm dengan jumlah blade 3 memiliki nilai torsi 3.48 kali putaran dalam satu menit pada saat kecepatan angina 2m/s. Turbin dengan panjang lengan 48 cm dengan jumlah blade 3 memiliki nilai torsi 9.16 kali putaran dalam satu menit pada saat kecepatan angina 2m/s. performansi rpm terbaik dimiliki oleh turbin dengan 5blade panjang lengan 48 cm sebesar 23.72 kali putaran dalam satu menit dengankecepatan angin 2m/s. performansi torsi terbaik dimiliki oleh turbin dengan 5 blade panjang rotor 170 cm sebesar 1.26 Nm. Semakin panjang panjang lengan nilai rpmnya semakin kicil namun nilai torsinya semakin besar X. Saran Dari hasil penelitian tugas akhir ini dapat diberikan saran pengembangan berupa : pengembangan selanjutnya mengenai desain dari bentuk blade, penentuan lokasi pemasangan VAWT dilokasi yang memiliki intensitas angin yang tinggi semisal di pantai. X. Biodata penulis
Nama : Moch. Arif Afifuddin Tempat tanggal lahir : sidoarjo, 28 Maret 1987 Saat ini selain sebagai mahasiswa S1 Teknik Fisika ITS juga sebagai pengusaha dibidang agrobisnis. Pengalaman penelitian yang pernah dilakukan antara lain Pengukuran Flare di Petrochina Tuban, Percepatan Pembelajaran Al Quran Braille dengan Metode Iqro’, Prospek Natural Soft Drink Sari Buah Pala sebagai Inkubator Usaha Kecil Menengah (UKM).
11
12
