PENGARUH JUMLAH SUDU TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK (TAST) TERHADAP DAYA DAN EFISIENSI TURBIN
LENNI PABRINA PANGARIBUAN
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengaruh Jumlah Sudu Turbin Angin Sumbu Tegak (TAST) terhadap Daya dan Efisiensi Turbin adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Agustus 2015 Lenni Pabrina Pangaribuan NIM G74110003
ABSTRAK LENNI PABRINA PANGARIBUAN. Pengaruh Jumlah Sudu Turbin Angin Sumbu Tegak (TAST) terhadap Daya dan Efisiensi Turbin Angin. Dibimbing oleh TONY SUMARYADA dan ERUS RUSTAMI. Turbin Angin Sumbu Tegak (TAST) merupakan turbin angin dengan sumbu rotasi vertikal. Dalam penelitian ini bentuk didisain dari konsep Savonious dan Darrieus dengan bentuk sudu yang merupakan modifikasi dari model sayap pesawat NACA 6412. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu tegak terhadap daya dan efisiensi turbin. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan cara memvariasikan jumlah sudu 3, 5, dan 7. Kecepatan angin pada wind tunnel divariasikan mulai dari 0 sampai 5.6 m/s. Hasil menunjukkan bahwa turbin yang memiliki putaran paling besar adalah turbin dengan jumlah sudu 7 ( n = 97.98 rpm ), daya turbin ideal sebesar 1.95 watt dan efisiensi turbin sebesar 58.93 %. Kata kunci: daya, efisiensi, TAST, turbin angin ABSTRACT LENNI PABRINA PANGARIBUAN’S. The effect of the number of blades vertical axis wind turbine (VAWT) to the power and the efficiency of wind turbines. Guided by TONY SUMARYADA and ERUS RUSTAMI. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) is a wind turbine with a vertical rotational axis. In this research the design of VAWT’s blades was derived from the Savonious and Darrieus concept and modified from NACA 6412 airplane wing model. The purpose of this research was to study the effect of the number of the blades to the power and the efficiency of the turbine. The number of blades were varied to 3, 5, and 7. The wind speed of wind tunnel was varied from 0 to 5.6 m / s. The results show that the turbine with 7 blades has the largest number of revolution ( n = 97.98 rpm ), with the ideal power of about 1.95 watt and the efficiency of 58.93 %. Keywords: efficiency, power, VAWT, wind turbin
PENGARUH JUMLAH SUDU TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK (TAST) TERHADAP DAYA DAN EFISIENSI TURBIN
LENNI PABRINA PANGARIBUAN
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
Judul Skripsi: Pengaruh Jumlah Sudu Turbin Angin Sumbu Tegak (TAST) terhadap Daya dan Efisiensi Turbin Nama : Lenni Pabrina Pangaribuan NIM : G74110003
Disetujui oleh
~
/2
Erus Rustami, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
~
Dr Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus:
2 8 f1UG 2015
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas segala berkat dan karya keselamatan-Nya yang diberikan kepada saya, sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pengaruh Jumlah Sudu Turbin Angin Sumbu Tegak (TAST) terhadap Daya dan Efisiensi Turbin”. Dalam penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Ayah tercinta Alden Pangaribuan dan Ibunda tercinta Tianggur Sibarani yang selalu memberikan kasih sayang, mendukung dan mendoakan penulis. 2. Abang tercinta Juni Pangaribuan, Agus Kantri Pangaribuan, kakak tercinta Nesty Pangaribuan, Santy Pangaribuan, Mei Pangaribuan, dan adikku tercinta Jandry Pangaribuan yang telah mendukung serta mendoakan saya. 3. Dr Tony Sumaryada MSi sebagai pembimbing I dan Erus Rustami MSi sebagai pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan ilmu. 4. Dr Mamat Rahmat yang telah banyak memberikan ilmu dan berdiskusi dengan penulis. 5. Dr Setyanto Tri Wahyudi MSi sebagai dosen penguji yang telah memberikan masukan dan kritikan yang membangun dan Dr Ir Irmansyah MSi sebagai kepala bagian Fisika Terapan. 6. Siti dan Pramudya sebagai teman partner dalam menyelesaikan penelitian serta Fisika 48. 7. Anggraeni, Sinta, Evi sebagai sahabat. 8. Direktorat Pendidikan Tinggi Indonesia (DIKTI) yang telah membiayai penulis selama kuliah melalui beasiswa BIDIK MISI. Selanjutnya, penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Semoga skripsi ini bermanfaat. Bogor, Agustus 2015 Lenni Pabrina Pangaribuan
DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian TINJAUAN PUSTAKA Angin Turbin Angin Jumlah Sudu Penampang Baling-Baling Airfoil Daya Angin Daya Mekanik Turbin Efisiensi Turbin Terowongan Angin METODE Waktu dan Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Prosedur Penelitian Prosedur Analisis Data HASIL DAN PEMBAHASAN Hubungan antara Kecepatan Angin terhadap RPM Hubungan antara Kecepatan Angin terhadap Daya Turbin Hubungan antara Kecepatan Angin terhadap Efisiensi Turbin Hubungan antara RPM dengan Daya Turbin Hubungan antara RPM dengan Efisiensi Turbin SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP
vi vi 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 6 6 7 7 7 7 8 9 9 9 10 11 12 12 12 12 13 14 18
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Penampang baling-baling Airfoil Profil kecepatan angin melewati penampang motor Terowongan Angin Distribusi Pressure coefficient profil blade Model turbin dengan jumlah blade Grafik hubungan kecepatan awal angin terhadap RPM Grafik hubungan kecepatan awal angin terhadap daya turbin Grafik hubungan kecepatan awal angin terhadap efisiensi turbin Grafik hubungan RPM dengan daya turbin Grafik hubungan RPM dengan efisisensi turbin
3 4 6 8 8 9 9 10 11 11
DAFTAR LAMPIRAN 1 Rumus yang digunakan untuk analisis data 2 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 3 buah 3 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 5 buah 4 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 7 buah 5 Diagram alir prosedur penelitian
14 15 15 16 17
PENDAHULUAN Latar Belakang Di dalam kehidupan manusia zaman masa kini, kemajuan-kemajuan besar sangat berkembang pesat dalam kebudayaan yang selalu diikuti oleh meningkatnya konsumsi energi. Peningkatan ini semakin menipisnya sumber energi yang tidak dapat terbarukan (nonrenewable), serta penggunaan bahan bakar yang ramah lingkungan, memerlukan suatu jalan alternatif guna mengganti sumber energi tersebut dengan sumber energi yang terbarukan (renewable). Sumber energi tak terbarukan yang banyak digunakan saat ini adalah bahan bakar yang berasal dari fosil (minyak bumi, gas alam, dan batubara).1 Sayangnya energi ini termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui dan jika energi fosil ini habis maka diperlukan sumber-sumber energi baru. Selain itu penggunaan energi fosil juga berdampak negatif terhadap lingkungan, seperti pemanasan global yang berdampak pada kerusakan ekologi.2 Salah satu upaya mengatasi masalah tersebut adalah dengan menggunakan energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Pemanfaatan energi angin dapat dilakukan dimana-mana, baik di daerah landai maupun di dataran tinggi, bahkan dapat diterapkan di laut. Pemanfaatan sumber energi angin di indonesia masih langka, hal tersebut dimungkinkan teknologi dan pengetahuan belum populer, arah angin di Indonesia mudah berubah-ubah, kecepatan angin berfluktuasi dan tidak ekonomis.3 Selama ini angin dipandang sebagai proses alami yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat. Namun daerah-daerah yang memiliki potensi energi angin yang tinggi perlu diidentifikasi agar pemanfaatan energi angin ini lebih kompetitif dibandingkan dengan energi alternatif lainnya.3 Angin di Indonesia memiliki kecepatan yang bervariasi sesuai dengan letak geografisnya. Pada umumnya kecepatan angin di dataran rendah memiliki angin dengan berkecepatan rendah hingga berkecepatan sedang. Sedangkan untuk kecepatan angin di dataran tinggi dan daerah pesisir pantai memiliki angin dengan berkecepatan sedang hingga berkecepatan tinggi.4 Hal ini energi terbarukan salah satunya energi angin, perlu dimanfaatkan dengan baik dengan cara menggunakan turbin angin. Turbin angin dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Salah satu jenis turbin angin yakni turbin angin sumbu tegak (TAST) yang memiliki poros sumbu utama dengan tegak lurus terhadap tanah.4 Penggunaan turbin angin saat ini semakin mengalami peningkatan guna memanfaatkan energi angin secara efektif, khususnya pada daerah dataran tinggi maupun daerah pesisir pantai. Berdasarkan permasalahan di atas, maka penelitian tentang pengaruh jumlah sudu turbin angin TAST atau Vertical Axis Wind Turbine terhadap karateristik daya dan efisiensi turbin ini perlu dilakukan untuk melihat besar nilai daya dan efisiensi turbin angin dengan jumlah sudu yang berbeda.
2 Perumusan Masalah Bagaimana pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu tegak terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan oleh turbin?
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu tegak terhadap daya dan efisiensi turbin. Manfaat Penelitian Dari hasil penelitian ini dapat mengetahui pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu tegak terhadap daya dan efisiensi turbin, sehingga dapat diketahui desain turbin mana yang mempunyai nilai optimal. Serta dapat memberikan solusi untuk mengatasi krisis energi dengan memanfaatkan sumber daya yang tersedia di alam khususnya angin dengan menggunakan TAST.
TINJAUAN PUSTAKA Angin Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara antara tempat yang bertekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah dengan suhu rendah ke wilayah bersuhu yang lebih tinggi. Angin merupakan aliran fluida yang mempunyai sifat-sifat aerodinamis, yaitu sifat kompresibel (mampat), viskositas (kekentalan), densitas (kerapatan) dan turbulensi.3 Turbin Angin Turbin angin yang juga dikenal dengan sebutan kincir-angin merupakan sarana pengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Sejarah penggunaan energi angin dimulai sejak abad ke-17 SM dan tersebar di berbagai negara: Persia, Babilonia, Mesir, China dan di benua Eropa dengan berbagai bentuk rancang bangun. Berdasarkan kedudukan poros, jenis-jenis turbin angin itu dapat dibagi ke dalam dua kategori, yakni: turbin angin dengan sumbu horisontal dan turbin angin dengan sumbu vertikal.5 Jenis-jenis turbin sangatlah banyak, tetapi secara garis besar dapat dibedakan atas dua tipe yaitu turbin angin sumbu horizontal (horiontal axis wind turbine) merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya sejajar dengan tanah.4 Turbin angin sumbu vertikal (vertical axis wind turbine) merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya tegak lurus atau vertikal dengan tanah. TAST memiliki keuntungan seperti desain yang sederhana, tip speed ratio yang rendah sehingga tidak rusak pada kecepatan tinggi, dan bilah turbin angin yang memiliki arah
3 vertikal dimana gerakan sudu sejajar arah angin sehingga turbin akan responsif terhadap segala arah angin dan mampu menghasilkan torsi yang lebih tinggi dari kisaran kecepatan angin yang rendah hingga kecepatan angin yang tinggi.6 Sedangkan kelemahan yang ditemukan pada TAST yaitu, pada skala yang sama, rata-rata TAST hanya mampu menghasilkan 50% dari total efisiensi HAWT. Khususnya turbin angin Savonius, efisiensi yang mampu dihasilkan sekitar 15-25% dari total energi angin yang diterima dan Tip speed ratio atau λ yang dihasilkan rendah sehingga efisiensi yang dihasilkan akan rendah.7 Jumlah Sudu Pada tinjauan teoritis yang benar belum ditemukan sebagai konsep terbaik jumlah sudu yang digunakan, karena selama ini lebih ditentukan oleh jenis penggunaannya, seperti untuk pembangkit listrik atau pompa air, dan kecepatan angin saat rotor mulai berputar.7 Adapun variasi jumlah sudu yakni tiga, lima, dan tujuh sudu. Penampang Baling-Baling Airfoil Turbin mempunyai sudu (sirip baling-baling) berbentuk penampang sayap pesawat (aerofoil). Airfoil adalah suatu cakram berpenampang lengkung parabolik dengan bagian depan cukup lurus dan bagian ujung meruncing. Ketika angin melewati airfoil lebih cepat pada bagian atas dibandingkan dengan bagian bawahnya. Hal ini disebabkan tekanan pada bagian bawah lebih besar dan mengakibatkan terbentuknya gaya angkat.8 Laju putaran rotor turbin juga tergantung dari bentuk penampang balingbaling. Konstruksi penampang baling-baling mempengaruhi gaya angkat (lift) dan gaya dorong (drag) sehingga mempengaruhi besaran laju putar (rpm) pada rotor turbin.8 Pada gambar 1 menunjukkan komponen aerodinamis penampang balingbaling yang terdiri dari chord line, angle of attack, leading edge dan trailing edge serta posisi arah angin menuju penampang baling-baling.8
Gambar 1 Penampang baling-baling airfoil
4 Daya Angin Daya yang dihasilkan oleh poros suatu turbin merupakan transformasi energi kinetik yang terdapat pada aliran angin. Aliran angin bergerak dengan nilai kecepatan tertentu dengan besaran energi kinetik yang dapat diserap oleh susunan sudu turbin angin.4 Dari teori Betz udara yang memiliki massa m dan kecepatan v akan menghasilkan energi kinetik dapat dihitung dengan persamaan berikut: (1) Volume udara per satuan waktu (debit) yang bergerak dengan kecepatan v dan melewati daerah seluas A dengan persamaan di bawah adalah: (2) Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu dengan kerapatan pada persamaan berikut, yaitu: (3) Sehingga energi kinetik angin yang berhembus dalam satuan waktu (daya angin) dapat dihitung dengan persamaan di bawah adalah: (
)(
)
(4)
Dengan: = daya angin (watt) = densitas udara ( = 1.225 kg/ A = luas penampang turbin (
)
)
v = kecepatan udara (m/s) Besar daya di atas adalah daya yang dimiliki oleh angin sebelum dikonversi atau sebelum melewati turbin angin.9 Daya Mekanik Turbin Dalam sistem konversi energi angin, energi mekanik turbin hanya dapat diperoleh dari energi kinetik yang tersimpan dalam aliran angin, berarti tanpa perubahan aliran massa udara.2 Jika = kecepatan angin di depan rotor, = kecepatan angin saat melewati rotor, dan = kecepatan angin di belakang rotor, maka daya mekanik turbin diperoleh dari selisih energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin.2
Gambar 2 Profil kecepatan angin melewati penampang rotor
5 Daya mekanik turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 5 yaitu: (5) (
)
Dari persamaan kontinuitas diperoleh persamaan seperti di bawah: (6) Sehingga diperoleh persamaan seperti berikut, (
)
(7)
Dengan menstubstitusi persamaan (3) ke persamaan (7) maka didapatkan menjadi persamaan berikut: (
)
(8)
Untuk mendapatkan daya maksimum, maka diperlukan suatu nilai perbandingan (rasio) antara dan . Untuk mendapatkan rasio ini diperlukan suatu persamaan yang menunjukkan daya mekanik turbin. Gaya yang bekerja pada turbin pada gambar 2, didapatkan persamaan 9 yaitu: (
)
(9)
Maka daya turbin didapatkan dengan persamaan 10 adalah: (
)
(10)
Dari persamaan (8) dan (10) didapatkan persamaan 11 seperti berikut : (
)
(
)( (
( )
)( (
)
(11)
(
)
) )
(
)
sehingga kecepatan aliran pada turbin sebanding dengan nilai
dan
. Aliran
massa udara dapat dihitung dengan persamaan 12 menjadi: (
)
(12)
Daya mekanik turbin dapat dihitung dengan persamaan 13 menjadi: (
)
(13)
(
( (
)) ( )(
) )
Sehingga perbandingan daya mekanik turbin dan daya keluaran teoritiknya, yang biasa disebut sebagai faktor daya (Cp ) dengan persamaan 14 yakni:
6 (
)(
)
(14) Tip speed ratio dapat dihitung dengan persamaan 15 seperti berikut : λ=
(15)
Dengan: λ = tip speed ratio (rad) = kecepatan sudut turbin (rad/s) R = jari-jari turbin (m) Vw = kecepatan angin (m/s) TSR juga dapat diperoleh dari persamaan: λ
(16)
Blade tip speed merupakan kecepatan ujung blade atau rotor, dimana: (
)
(17)
dengan D adalah diameter turbin. Karena setiap tipe turbin angin memiliki karakteristik yang berbeda-beda, maka faktor daya sebagai fungsi dari TSR juga berbeda.2 Efisiensi Turbin Dengan daya angin dan turbin yang telah diketahui maka nilai efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Terowongan Angin
Gambar 3 Terowongan Angin
7 Terowongan angin atau wind tunnel adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan pengujian aerodinamik terhadap sebuah model.10 Guna mendapatkan hasil yang valid mengenai fenomena terjadi pada model ketika dialiri oleh suatu fluida, maka diperlukan kualitas aliran yang baik pada terowongan angin. Hal ini dimaksudkan agar diperoleh efisiensi kerja yang maksimal dan dapat mereduksi beberapa masalah yang ditimbulkan oleh aliran.
METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Februari sampai dengan Mei 2015. Perancangan dan pembuatan terowongan angin dilakukan di bengkel cangkorawok. Sedangkan pengujian alat dilakukan di Laboratorium Mikrokontroler Fisika di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini, antara lain: Terowongan angin, Kipas angin, Laptop, Sensor DHT, sensor RPM, Gunting, Anemometer, Printer 3 Dimensi, Dimmer, Kabel, Solder dan Alat lem tembak. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini, antara lain: Plastik ABS, Lem Power Glue, Lem tembak, Sedotan dan Akrilik.
Prosedur Penelitian Penelitian ini dilakukan beberapa tahap yaitu tahap pertama dengan studi literatur. Tahap kedua dalam penelitian ini adalah perancangan turbin dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Aerofoil versi 3.2 dan desain struktur dengan menggunakan Google Sketchup Pro 8. Bentuk turbin TAST merupakan kombinasi dari konsep Savonius dan Darrieus dengan bentuk sudu ialah sayap pesawat NACA 6412 termodifikasi, seperti terlihat pada Gambar 4. Setelah itu dilakukan pembuatan model turbin yang terbuat dari plastik ABS dengan menggunakan Printer 3 Dimensi. Tahap selanjutnya pemasangan turbin angin pada terowongan angin untuk melakukan pengujian aerodinamik terhadap sebuah model. Setelah semua alat dan bahan sudah lengkap maka tahap selanjutnya adalah set up alat. Tahapan set up alat dilakukan untuk melakukan pengujian dan pengambilan data. Dari data yang diperoleh maka selanjutnya data dianalisis dengan acuan teori yang ada.
8
(a)
(b)
Gambar 4 Distribusi pressure coefficient profil blade (a) NACA 6412 (b) NACA 6412 termodifikasi
(a)
(b)
(c)
Gambar 5 Model Turbin dengan jumlah blade (a) 3 buah dan (b) 5 buah (c) 7 buah Prosedur Analisis Data Data yang diambil dari pengujian turbin adalah kecepatan angin, rpm dan suhu, kelembaban yang dihasilkan turbin pada terowongan angin. Data tersebut kemudian dianalisis untuk melihat korelasi antara kecepatan angin, daya turbin angin, rpm dan efisiensi turbin angin yang dihasilkan. Data ini akan dianalisis untuk mendapatkan kesimpulan dan saran atau rekomendasi yang dapat dilakukan dalam mengembangkan konsep dan implementasi desain.
9
HASIL DAN PEMBAHASAN Hubungan antara Kecepatan Awal Angin terhadap RPM Turbin 120
n (RPM)
100 80 60
3 Sudu
40
5 Sudu
20
7 Sudu
0 0
1
2
3
4
5
6
Kecepatan Awal Angin (m/s)
Gambar 6 Grafik hubungan kecepatan awal angin terhadap RPM Hubungan kecepatan awal angin terhadap rpm yakni rpm memiliki korelasi positif dengan meningkatnya kecepatan angin. Sebab kecepatan awal angin berbanding lurus dengan rpm. Dari hasil grafik diperoleh semakin besar nilai kecepatan awal angin yang masuk pada turbin angin, maka putaran turbin (RPM) semakin meningkat.11 Turbin angin yang memiliki rpm paling besar terdapat pada turbin dengan jumlah sudu 7 buah yaitu mencapai 97.98 rpm. Turbin angin dengan jumlah sudu 5 buah, mencapai 66.12 rpm dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah, mencapai 50.80 rpm. Hal ini menunjukkan semakin banyak jumlah sudu yang terpasang akan memperkecil drag positif pada turbin angin dan akan memiliki putaran turbin semakin tinggi, karena energi angin yang masuk ke ruang turbin semakin terpusat dan turbin semakin mudah berputar.
Hubungan antara Kecepatan Awal Angin terhadap Daya Turbin
Daya Turbin (watt)
2,5 2 1,5 3 Sudu 1
5 Sudu
0,5
7 Sudu
0 0
1
2
3
4
5
6
Kecepatan Awal Angin (m/s)
Gambar 7 Grafik hubungan kecepatan awal angin terhadap daya turbin
10 Dari grafik hubungan antara kecepatan angin dengan daya turbin ialah apabila kecepatan angin yang masuk semakin besar, maka nilai daya turbin juga semakin meningkat.1 Turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah memiliki nilai daya turbin mencapai 1.95 watt, turbin angin dengan jumlah sudu 5 buah memiliki nilai daya turbin mencapai 1.01 watt dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah memiliki nilai daya turbin mencapai 1.14 watt. Nilai daya turbin yang paling besar terdapat pada turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah, nilai daya turbin angin dengan jumlah sudu 5 dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah sebanding, dipengaruhi oleh kecepatan angin yang masuk pada terowongan angin hampir sama. Dari hasil grafik didapatkan turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah yang memiliki nilai daya turbin yang paling besar, sebab angin yang masuk pada ruang turbin semakin terpusat pada turbin, sehingga menghasilkan daya turbin yang besar.
Hubungan antara Kecepatan Awal Angin terhadap Efisiensi Turbin Hubungan antara kecepatan angin dengan efisiensi turbin yakni semakin besar kecepatan angin yang masuk pada turbin, maka kenaikan daya turbin juga semakin besar. Jadi semakin besar nilai daya turbin maka nilai efisiensi turbin juga harus semakin besar, sebab efisiensi turbin merupakan perbandingan antara daya turbin dengan daya angin. Bila dilihat dari hasil grafik seiring dengan bertambahnya kecepatan angin maka grafik tersebut mengalami penurunan. Hal ini dikarenakan pada kecepatan tinggi nilai kenaikan daya turbin tidak sebanding dengan daya angin yang peningkatannya semakin besar seiring peningkatan kecepatan angin dan jumlah sudu.12 Perbandingan daya angin yang diserap sudu lebih kecil dibandingkan dengan daya angin yang menerobos melalui celah pada turbin, sehingga efisiensi turbin semakin menurun.13 Turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah, nilai efisiensi mencapai 58.93 %. Nilai efisiensi untuk turbin angin dengan jumlah sudu 5 buah mencapai 48.99 %. Nilai efisiensi untuk turbin dengan jumlah sudu 3 buah mencapai 51.51 %. 70
Efisiensi Turbin (%)
60 50 40
3 Sudu
30
5 Sudu
20
7 Sudu
10 0 0
1
2
3
4
5
6
Kecepatan Awal Angin (m/s)
Gambar 8 Grafik hubungan kecepatan awal angin dengan efisiensi turbin
11 Hubungan antara RPM dengan Daya Turbin
Daya Turbin (watt)
2,5 2 1,5 3 Sudu 1
5 Sudu
0,5
7 Sudu
0 0
20
40
60
80
100
120
n (RPM)
Gambar 9 Grafik hubungan RPM dengan daya turbin Dari hasil grafik menunjukkan semakin tinggi nilai rpm maka besar daya turbin semakin meningkat.11 Karena rpm berbanding lurus dengan daya turbin. Turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah memiliki nilai rpm paling besar dibandingkan dengan turbin angin dengan jumlah sudu 5 dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah. Bila dilihat dari hasil grafik untuk turbin angin dengan jumlah sudu 5 dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 memiliki nilai daya turbin yang sebanding. Hal ini karena pengaruh besar kecepatan angin yang masuk pada terowongan angin hampir sebanding, saat turbin angin dengan jumlah sudu 5 dan turbin angin dengan jumlah sudu 3 terpasang. Nilai rpm pada turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah mencapai 97.98 %. Nilai rpm pada turbin angin dengan jumlah sudu 5 buah mencapai 66.12 %. Nilai rpm pada turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah mencapai 50.80 %.
Hubungan antara RPM dengan Efisiensi Turbin 70 Efisiensi Turbin (%)
60 50 40
3 Sudu
30
5 Sudu
20
7 Sudu
10 0 0
20
40
60
80
100
120
n (RPM)
Gambar 10 Grafik hubungan RPM dengan efisiensi turbin
12 Dari jurnal hasil penelitian yang dilakukan oleh saudara Bayu Mahendra yang menyatakan semakin meningkatnya kecepatan angin maka kenaikan daya turbin semakin besar, sebab semakin besar nilai kecepatan angin maka nilai rpm semakin tinggi yang mengakibatkan nilai daya turbin juga semakin meningkat. Dari teori bahwa semakin besar nilai rpm maka seharusnya nilai efisiensi turbin juga semakin meningkat, sebab efisiensi adalah rasio dari nilai daya turbin dengan daya angin. Dari hasil grafik bahwa semakin besar nilai rpm, nilai efisiensi turbin mengalami penurunan. Hal ini dikarenakan pada kecepatan tinggi, nilai kenaikan daya turbin tidak sebanding dengan daya angin yang peningkatannya semakin besar, seiring peningkatan kecepatan angin dan perbandingan daya angin yang diserap sudu lebih kecil dengan daya angin yang menerobos melalui celah pada turbin. Sehingga semakin tinggi kecepatan angin maka losses yang terjadi semakin besar sehingga efisiensi yang dihasilkan juga semakin menurun.13 Dari hasil grafik diperoleh nilai rpm daya turbin angin dengan jumlah sudu 7 buah mencapai 58.93 %.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu tegak (TAST) terhadap daya dan efisiensi turbin, didapatkan bahwa dari variasi sudu 3, 5 dan 7 buah bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 7 buahlah yang memiliki kemampuan turbin untuk berakselerasi dari keadaan diam sampai bisa berputar. Hal ini semakin banyak sudu yang terpasang pada turbin angin dengan jumlah sudu 7 menyebabkan energi angin yang masuk ke dalam ruang turbin semakin terpusat dan menghasilkan putaran turbin (RPM) dan daya turbin semakin tinggi. Hasil pengujian dan pengolahan data menunjukkan bahwa jumlah sudu berpengaruh pada unjuk kerja turbin angin. Turbin angin sumbu tegak dengan kecepatan tinggi menghasilkan daya turbin yang tinggi dan sebaliknya menghasilkan efisiensi rendah. Daya turbin yang terbesar didapatkan dari turbin angin sumbu tegak yang memiliki jumlah sudu 7 buah yaitu sebesar 1.95 watt. Efisiensi turbin yang terbesar didapatkan dari turbin angin sumbu tegak yang memiliki jumlah sudu 7 buah yaitu sebesar 58.93 %.
Saran Saran untuk penelitian selanjutnya adalah dengan membuat ukuran terowongan angin (wind tunnel) yang lebih besar lagi dengan tujuan mempermudah dalam melakukan penelitian, selain itu untuk mengukur kecepatan angin dengan menggunakan sensor serta menggunakan dimmer yang lebih bagus dianjurkan untuk penelitian selanjutnya.
13
DAFTAR PUSTAKA 1. Patabang D. Rancang Bangun Kincir Angin Savonious untuk Membangkitkan Energi Listrik Skala Kecil. Jurnal Mekanikal. 2010; 1(1):1-6. 2. Dewi ML. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal dengan Modifikasi Rotor Savonius L untuk Optimasi Kinerja Turbin Angin [skripsi]. Surakarta: Sebelas Maret Univ Pr. 2010. 3. Marnoto T. Peningkatan Effisiensi Kincir Angin Poros Vertikal melalui Sistem Buka - Tutup Sirip pada Tiga Sudu. Jurnal Teknik Mesin. 2011; 11(2):122-124. 4. Tanti N, Arnetto A. Pembuatan Program Perancangan Turbin Savonius Tipe – U untuk pembangkit Listrik Tenaga Angin. Jurnal Mechanical. Lampung. 2011; 2(1):7. 5. Reksoatmodjo TN. Vertical-Axis Differential Drag Windmill. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri. Universitas Jendral Achmad Yani. Jurnal Teknik Mesin. 2005; 6(2). 6. Latif M. Efisiensi Prototipe Turbin Savonius pada Kecepatan Angin Rendah. Universitas Andalas. Jurnal Rekayasa Elektrika. Padang. 2013; 10(3):147. 7. Martinus ST et al. Analisis Fenomena Penampang Alir VAWT Tipe Heliks Terhadap Kecepatan Angin Sebagai Pembangkit Listrik Alternatif Berskala Rumah Tangga. Universitas Lampung. Jurnal Mechanical. Lampung. 2011; 2(2):3-4. 8. Ezwarsyah A. Prototipe Turbin Angin Skala Kecil Tipe Vertikal Axis Untuk Battery Charging Di Daerah Remote Area. Electrician Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro. Lhokseumawe. 2009; 3(2). 9. Qasim AY et al. The Parameters Affect On Power Coefficient Vertical Axis Wind Turbin. Universitas Perlis. IIUM Engineering Journal. Malaysia. 2012; 13(1):60. 10. Natalia Kristin et al. Karakteristik Wind Turbin Tipe Horizontal Tiga Sudu Menggunakan Wind Tunnel Sederhana. Seminar Nasional Fisika.Universitas Negeri Jakarta. 2013. 11. Pradana Achmada Jaya et al. Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonious dengan Variasi Profil Kurva Blade untuk Memperoleh Daya Maksimum. Jurnal Teknik POMITS. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri. Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS). 2013; 7(7):1-6. 12. Kusbiantoro Andri et al. Pengaruh Panjang Lengkung Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Vertikal Savonious [karya ilmiah]. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Malang : Universitas Brawijaya. 13. Mahendra Bayu et al. Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonious Type L [karya ilmiah]. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Malang : Universitas Brawijaya.
14 Lampiran 1 Rumus yang digunakan dalam analisis data 1) Rumus Daya Angin ( PW )
2) Rumus Daya Turbin ( PT) (
)(
)
3) Rumus Efisiensi Turbin
4) Rumus Tip Speed Ratio (TSR)
5) Rumus Torsi
6) Luas turbin angin
A = Diameter x Tinggi turbin Keterangan : Diameter turbin = 0.236 m Tinggi Turbin = 0.205 m Jari-jari ( R ) = 0.118 m
15 Lampiran 2 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 3 buah Kecepatan Kecepatan Daya Daya Efisisensi awal akhir N Cp Torsi Nilai angin turbin turbin TSR angin angin (rpm) (Pt/Pw) (Nm) (watt) (watt) (%) (m/s) (m/s) 1 1.91 1.30 3.33 0.21 0.09 0.45 44.96 0.02 12.78 2 2.35 1.81 11.01 0.38 0.14 0.36 36.09 0.06 2.71 3 2.87 2.45 21.26 0.70 0.18 0.25 25.28 0.09 1.62 4 3.33 2.79 26.77 1.10 0.30 0.28 27.51 0.10 1.86 5 4.01 3.20 33.91 1.90 0.62 0.32 32.49 0.10 2.41 6 4.40 3.67 38.29 2.52 0.70 0.28 27.92 0.11 2.75 7 4.69 4.05 42.53 3.06 0.73 0.24 23.74 0.11 2.88 8 5.10 4.38 47.27 3.93 0.95 0.24 24.29 0.11 3.26 9 5.38 4.62 50.80 4.62 1.14 0.25 24.57 0.12 3.50
Lampiran 3 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 5 buah Kecepatan Kecepatan awal akhir Nilai angin angin (m/s) (m/s) 1 0.92 0.58 2 1.31 0.94 3 1.71 1.36 4 2.30 1.64 5 2.65 2.01 6 3.01 2.47 7 3.58 2.92 8 4.14 3.48 9 4.62 3.86 10 4.95 4.27 11 5.23 4.52
N (rpm) 9.00 13.88 20.55 23.90 30.39 36.17 40.68 51.54 57.91 62.02 66.12
Daya Daya Efisiensi Cp angin turbin turbin (Pt/Pw) (watt) (watt) (%) 0.02 0.07 0.15 0.36 0.55 0.81 1.36 2.11 2.92 3.59 4.25
0.01 0.03 0.05 0.15 0.21 0.24 0.42 0.57 0.81 0.86 1.01
0.49 0.41 0.33 0.42 0.37 0.30 0.31 0.27 0.28 0.24 0.24
48.60 41.26 32.89 42.15 37.18 29.51 30.61 27.02 27.68 23.93 23.77
TSR
Torsi (Nm)
0.12 0.13 0.15 0.13 0.14 0.15 0.14 0.15 0.15 0.15 0.16
0.09 0.16 0.22 0.53 0.58 0.67 1.07 1.20 1.46 1.68 1.85
16 Lampiran 4 Hasil pengolahan data penelitian pada TAST dengan jumlah sudu 7 buah
Nilai 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Kecepatan Kecepatan awal akhir angin angin (m/s) (m/s) 0.86 0.33 1.30 0.71 1.96 1.30 2.41 1.88 2.81 2.28 3.31 2.53 3.82 2.84 4.33 3.13 4.66 3.48 5.19 3.86 5.48 4.03
N (rpm)
Daya angin (watt)
Daya turbin (watt)
Cp (Pt/Pw)
Efisiensi turbin (%)
TSR
Torsi (Nm)
8.44 20.03 29.68 38.39 47.94 53.57 64.11 74.02 81.14 93.68 97.98
0.02 0.07 0.22 0.41 0.66 1.07 1.65 2.41 3.00 4.15 4.89
0.01 0.04 0.10 0.14 0.20 0.39 0.65 0.99 1.15 1.61 1.95
0.59 0.54 0.47 0.35 0.31 0.37 0.39 0.41 0.39 0.39 0.40
58.93 54.18 46.52 34.61 30.91 36.64 39.10 41.11 38.53 38.90 39.99
0.12 0.19 0.19 0.20 0.21 0.20 0.21 0.21 0.22 0.22 0.22
0.08 0.08 0.18 0.25 0.29 0.45 0.56 0.69 0.77 0.89 1.01
17 Lampiran 5 Diagram alir prosedur penelitian Mulai
Studi Pustaka Perancangan dan Pembuatan Model Turbin
Pemasangan Turbin Angin ke Terowongan Angin
Set-up Alat
Pengambilan Data
RPM
Kecepatan Angin
Analisis Data
Kesimpulan dan Saran
Selesai
18
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Laguboti, Sumatera Utara pada tanggal 1 Mei 1992 dari Ayah tercinta Alden Pangaribuan dan Ibu tercinta Tianggur Sibarani. Penulis adalah putri ke enam dari tujuh bersaudara. Tahun 2011 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Laguboti dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan diterima di departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menerima beasiswa BIDIK MISI tahun 2011-2015. Penulis aktif dalam kegiatan Unit Kegiatan Mahasiswa Persekutuan Mahasiswa Kristen IPB (UKM PMK IPB) dan Persekutuan Mahasiswa Kristen se-kota Bogor. Tahun 2012-2013 penulis aktif dalam kegiatan organisasi Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI).
