PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBUU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA SITI RAHAYU LATIFAH

PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA

SITI RAHAYU LATIFAH

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 Variasi Sudut Kemiringan Bilah Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak Dalam Terowongan Sederhana 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 Siti Rahayu Latifah NIM G74110032

ABSTRAK SITI RAHAYU LATIFAH. Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan ERUS RUSTAMI. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sudut kemiringan optimum (tilting angle θ) dari turbin angin sumbu tegak. Desain turbin angin ini termodifikasi dari model aerofoil NACA 6412. Performa turbin angin diuji dari 7 buah bilah dengan lima buah variasi sudut kemiringan yaitu 27̊, 30̊, 45̊, 60̊, dan 90̊. Kecepatan angin yang digunakan pada eksperimen ini dalam rentang 0-6 m/s. Performa pada turbin angin tersebut dievaluasi pada beberapa parameter yaitu daya angin, daya turbin, efisiensi turbin, torsi, dan Tip Speed Ratio (TSR). Hasil yang kami dapat bahwa turbin angin dengan sudut kemiringan bilah θ = 27º memiliki daya turbin yang paling efisien sebesar 50%.

Kata kunci: turbin angin sumbu tegak, sudut kemiringan bilah, daya keluaran, efisiensi turbin

ABSTRACT SITI RAHAYU LATIFAH. The Influence of Blade Angel Variations to Perform of Vertical Axis Wind Turbine of Simple Wind Tunnel Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and ERUS RUSTAMI. The purpose of this research is to find the optimum tilting angle of vertical axis wind turbine. The design of the wind turbine modified from NACA 6412 aerofoil model. The performance of the wind turbine were tested from seven fix blades with five tilting angle variation i.e. 27º, 30º, 45º, 60º, and 90º. The wind velocity that used in this experiment is within 0-6 m/s range. The performance of the wind turbine were evaluated from some parameter i.e. the power of wind, the power of turbine, efficiency of turbine, torque, and Tip Speed Ratio (TSR). Our result suggest that the wind turbine with the tilting angle θ = 27º has the most power with the turbine efficiency of 50%. Keywords: vertical axis wind turbine, tilting angle θ, the power of wind turbine, efficiency of turbine

PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA

SITI RAHAYU LATIFAH G74110032 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

PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT dan shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW karena berkat rahmat dan karunia-NYA penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana. Hasil penelitian ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1. Kedua orang tua penulis yaitu Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah yang selalu menberikan dukungan dan mendoakan penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. 2. Bapak Tony, Bapak Mamat, dan Bapak Erus selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis. 3. Bapak Heriyanto Syafutra selaku dosen penguji yang selalu memberikan kritik dan saran yang membangun. 4. Bapak Irmansyah selaku pembimbing akademik yang telah membimbing penulis dalam menyelesaikan studi di Departemen Fisika. 5. Lenni Pabrina, Pramudya Wardhani, dan Andrian yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian. 6. Adinda Mutiara, Riani Eka Fitri, Ana Fitriana, Fanny Novika, dan Syiffa Syafiah sebagai rekan yang selalu mendukung penulis. 7. Seluruh civitas akademik Departemen Fisika IPB. 8. Seluruh teman-teman Fisika angkatan 48 yang selalu memberikan semangat dan dukungan. 9. Beasiswa Bidik Misi yang telah memberikan dukungan moril. Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat menjadi acuan untuk membuat turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang sesungguhnya. Kritik dan saran yang membangun sangan penulis harapkan untuk kemajuan penelitian ini.

Bogor, Agustus 2015 Siti Rahayu Latifah

DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Perumusan Masalah

2

Tujuan Penelitian

2

Manfaat Penelitian

2

Ruang Lingkup Penelitian

2

TINJAUAN PUSTAKA

2

Angin

2

Turbin Angin

2

Energi Angin

3

Teori Momentum Elementer Betz

3

Tip Speed Ratio (TSR)

4

Torsi

4

EfisiensiTurbin

4

NACA Airfoil 6412

5

Terowongan Angin

5

METODE

6

Bahan

6

Alat

6

Prosedur Penelitian

6

Analisis Data

6

HASIL DAN PEMBAHASAN SIMPULAN DAN SARAN

8 13

Simpulan

13

Saran

13

DAFTAR PUSTAKA

14

LAMPIRAN

15

RIWAYAT HIDUP

25

DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Profil Geometri NACA Airfoil 6412 Termodifikasi Terowongan Angin Sirkuit Terbuka Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio (TSR) Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin

5 5 8 9 9 10 11 11 12 12

DAFTAR LAMPIRAN 1 Diagram alir penelitian 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º 3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º 4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º 5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90º 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º 8 Dokumentasi penelitian

15 16 17 18 19 20 21 24

PENDAHULUAN Latar Belakang Dewasa ini Indonesia banyak mengalami krisis energi. Indonesia cenderung memanfaatkan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak bumi, dan gas alam sebagai sumber energi. Namun cadangan bahan bakar fosil semakin terbatas. Oleh karena itu diperlukan suatu upaya untuk mengatasi permasalahan tersebut. Salah satunya dengan mencari energi alternatif terbarukan yang sumbernya melimpah di alam seperti angin, air, surya dan geotermal. Sekitar 1% energi matahari yang mencapai bumi diubah menjadi energi angin. Energi angin dapat dikumpulkan dan diubah menjadi bentuk energi lain oleh turbin angin.Seperti pada sistem fotovoltaik, biaya modal sistem jenis ini lebih tinggi daripada pembangkit daya pembakaran batubara pada kapasitas yang sama, walupun sejumlah pemasangan turbin angin dapat menghasilkan energi pada biaya sekitar 7 sen per kilowatt-jam.1 Angin merupakan salah satu sumber energi yang ramah lingkungan. Penggunannya tidak menimbulkan emisi gas karbon dioksida. Energi angin merupakan sumber daya alam yang dapat diperoleh secara cuma-cuma yang jumlahnya melimpah dan tersedia terus-menerus sepanjang tahun. Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki sekitar 17.500 pulau dengan panjang garis pantai lebih dari 81.290 km. Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu sekitar 9.3 GW dan total kapasitas yang baru terpasang saat ini sekitar 0.5 MW.2 Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup memadai karena kecepatan angin rata-rata berkisar 3.5-7 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) kecepatan angin ratarata di pulau Jawa berkisar 2.5-4.0 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan tersebut turbin angin yang paling cocok diterapkan yaitu turbin angin sumbu tegak tipe Savonius karena turbin angin tipe Savonius ini diaplikasikan untuk daerah dengan kecepatan angin rendah.3 Pada bidang pertanian pemanfaatan energi angin biasanya dengan menggunakan alat konversi kincir angin. Energi kinetik angin ditangkap oleh sudu-sudu dengan luasan tertentu sehingga terjadi putaran (RPM) pada sudu. Putaran sudu (RPM) akan menghasilkan energi mekanik yang mampu memutar poros pompa sentrifugal yang akan digunakan untuk menaikkan air irigasi.4 Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis akan memanfaatkan energi angin sebagai salah satu solusi untuk menangani masalah krisis energi tersebut dengan melakukan pengembangan turbin angin sumbu tegak yang desainnya telah dimodifikasi menggunakan sayap pesawat NACA Airfoil 6412. Modifikasi dilakukan dengan memvariasi sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dengan lima variasi sudut, yaitu 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º dengan panjang busur profil lengkung tetap. Jumlah blade yang digunakan sebanyak tujuh buah.

2 Perumusan Masalah Daya keluaran turbin angin sumbu tegak masih rendah. Oleh karena itu diperlukan suatu cara untuk meningkatkan daya keluaran tersebut dengan memvariasikan nilai parameter-parameter yang ada.

Tujuan Penelitian Menentukan sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dari turbin angin sumbu tegak yang menghasilkan daya keluaran paling optimum.

Manfaat Penelitian Penelitian ini dapat dijadikan sebagai acuan untuk pembuatan turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang lebih besar yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik. Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini mengkaji tentang bagaimana kinerja turbin angin sumbu tegak supaya menghasilkan daya keluaran paling optimum dengan memvariasikan sudut kemiringan bilah.

TINJAUAN PUSTAKA Angin Angin merupakan gerakan udara yang mengalir dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. Pada iklim panas-lembab, pergerakan anginberguna untuk menyejukkan kulit. Penyebaran tekanan angin dipengaruhi beberapa faktor diantaranya bentuk bangunan, kecepatan angin, arah angin, lokasi dan lingkungan.Tekanan permukaan positif terdapat dibagian angin datang dan tekanan permukaan negatif terdapat di bagian belakang angin.2

Turbin Angin Turbin angin merupakan sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik (rotasi). Berdasarkan arah sumbu rotasinya turbin angin digolongkan ke dalam dua kategori yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). Turbin angin poros vertikal mempunyai sumbu vertikal dengan sudu paralel pada sumbunya. Sudu turbin angin poros vertikal akan mengalami headwind dan tailwind.5 Headwind terjadi ketika arah sudu berlawanan dengan arah angin yang masuk, sedangkan tailwind terjadi ketika arah sudu searah dengan arah angin yang

3 masuk. Rotasi pada poros turbin digerakkan oleh tailwind, sedangkan headwind cenderung memperlambat rotasi sehingga menyebabkan koefisien turbin rendah. Ada beberapa kelebihan yang dimiliki turbin angin poros vertikal di antaranya aman, mudah dalam pembuatannya, dapat dipasang tidak jauh dari tanah, dan mempunyai kemampuan yang lebih baik dalam menangani turbulensi angin.5 Energi Angin Energi yang digunakan angin untuk memberikan gaya dorong terhadap turbin yaitu energi kinetik. Ek = mv2 (1) keterangan :

Ek m v

= energi kinetik turbin (joule) = massa turbin (kg) = kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik angin yang berhembus per satuan waktu (daya angin) adalah: Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 keterangan :

Pw ρ A v

(2)

= daya angin (watt) = densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3) = luas penampang turbin (m2) = kecepatan angin (m/s) PT = ρA(v1+v2) (v12-v22)

keterangan :

PT ρ A v1 v2

(3)

= daya turbin (watt) = densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3) = luas penampang turbin (m2) = kecepatan angin (m/s) = kecepatan turbin (m/s)

Teori Momentum Elementer Betz Perbandingan daya mekanik turbin terhadap daya keluaran teoritik disebut faktor daya (Cp). Cp =

=

Cp maksimum diperoleh apabila

(

=

)(

)

(4)

yang menghasilkan nilai sebesar

0.593. Kesimpulannya meskipun dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang digunakan, daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0.593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi

4 menjadi daya mekanik. Angka ini kemudian disebut faktor Betz. Faktor Betz menunjukkan nilai maksimum kemampuan dari semua alat konversi energi angin.2 Tip Speed Ratio (TSR) Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin.2 λ= keterangan :

λ ω R vw

(5)

= tip speed ratio (rad) = kecepatan sudut turbin (rad/s) = jari-jari turbin (m) = kecepatan angin (m/s) Torsi

Torsi didefinisikan sebagai ukuran keefektifan gaya dalam menghasilkan putaran atau rotasi untuk mengelilingi sumbu.6 = keterangan :

vw R TSR T

(6)

= kecepatan angin (m/s) = jari-jari turbin (m) = Tip Speed Ratio (rad) = torsi (m4/rad2 s) Efisiensi Turbin

Untuk menyatakan performa suatu mesin biasanya dinyatakan dalam efisiensi yang merupakan perbandingan antara efek manfaat yang digunakan dengan pengorbanan yang dilakukan.6 η = Keterangan :

x 100 %

η = efisiensi turbin (%) Pturbin = daya turbin (Watt) Pangin = daya angin (Watt)

(7)

5 NACA Airfoil 6412

Gambar 1 Profil Geometri NACA 6412 Termodifikasi NACA airfoil 6412 merupakan salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap bodi lainnya dan dengan bantuan penyelasaian matematis sehingga memungkinkan untuk memprediksi seberapa besar gaya angkat yang dihasilkan dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik meliputi ketebalan maksimum, maksimum n = bentuk melengkung, posisi maksimum ketebalan, posisi maksimum bentuk melengkung, dan jari-jari kelengkungan.7 jari

Terowongan Angin Terowongan angin adalah suatu alat yang digunakan untuk mempelajari efek aliran udara yang melewati benda solid. Ada dua tipe dasar dari terowongan angin yaitu terowongan angin sirkuit terbuka dan terowongan angin sirkuit tertutup. Pada penelitian ini saya menggunakan terowongan angin sirkuit terbuka.8

Gambar 2 Terowongan Angin Sirkuit Terbuka

6

METODE Metode yang dilakukan pada penelitian ini meliputi studi literatur, simulasi, pembuatan model, dan uji kinerja model. Kegiatan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi perancangan model turbin angin sumbu tegak tujuh sudu dengan profil airfoil NACA 6412 termodifikasi, pembuatan turbin, set up alat, dan pengambilan data. Pengambilan data dilakukan dengan mengukur banyaknya putaran turbin (rotasi per menit, rpm ) untuk setiap variasi sudut turbin pada berbagai variasi kecepatan angin (pada rentang 1-6 ms-1). Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain plastik ABS, lem power glue, dan akrilik. Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini yaitu terowongan angin, kipas angin, anemometer, solder, lem tembak, busur derajat, spidol, sensor DHT, sensor rpm, arduino UNO, laptop, dan dimmer (pengatur kecepatan). Prosedur Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu perancangan turbin dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Aerofoil versi 3.2 dan desain struktur menggunakan Google Sketchup Pro 8. Setelah itu dilakukan pembuatan model turbin dengan menggunakan Printer 3 Dimensi. Kemudian dilakukan set up alat untuk pengujian dan pengambilan data. Data yang diambil digunakan untuk menghitung daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin oleh turbin. Analisis Data Analisis daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin dilakukan dengan melakukan pengambilan data berupa kecepatan angin dan kecepatan turbin yang diperoleh dari anemometer sedangkan rpm diperoleh dari arduino UNO. Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali untuk masingmasing sudut. Data yang telah diperoleh kemudian diolah untuk mendapatkan nilai daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi konversi, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi. Daya turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) (3) Keterangan :

PT ρ A v1 v2

= daya turbin (watt) = densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3) = luas penampang turbin (m2) = kecepatan angin (m/s) = kecepatan turbin (m/s)

7 Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan : Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 keterangan :

Pw ρ A v

(2)

= daya angin (watt) = densitas udara (ρ = 1.225 kg/m3) = luas penampang turbin (m2) = kecepatan angin (m/s)

Betz ratio dihitung dengan menggunakan persamaan : Cp =

=

(

)(

)

(4)

Efisiensi konversi dihitung dengan menggunakan persamaan : η = Keterangan : η Pturbin Pangin

x 100 %

(7)

= efisiensi turbin (%) = daya turbin (watt) = daya angin (watt)

Tip Speed Ratio (TSR) dihitung dengan menggunakan persamaan : λ= keterangan :

(5)

λ = tip speed ratio (rad) ω= kecepatan sudut turbin (rad/s) R = jari-jari turbin (m) vw =kecepatan angin (m/s)

Torsi dihitung dengan persamaan : = keterangan :

T = torsi (m4/rad2 s) vw= kecepatan angin (m/s) R = jari-jari turbin (m) TSR = Tip Speed Ratio (rad)

Diagram alir penelitian dapat dilihat pada lampiran 1.

(6)

8 HASIL DAN PEMBAHASAN

120

rpm sudu turbin

100 80 sudut 27 60

sudut 30

40

sudut 45 sudut 60

20

sudut 90

0 0

1

2

3

4

5

6

kecepatan angin (m/s)

Gambar 3 Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin Gambar 3 menjelaskan hubungan antara rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin menunjukan bahwa nilai rpm sudu turbin akan naik dengan bertambahnya kecepatan angin. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah. Berdasarkan Gambar 3 dapat terlihat bahwa sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai rpm sudu turbin terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan bilah lainnya sedangkan sudut kemiringan bilah 90º mempunyai nilai rpm sudu turbin terkecil diantara sudut kemiringan bilah lainnya. Hal ini dapat terjadi karena pada sudut kemiringan bilah 45º gaya dorong angin dan gaya hambat turbin seimbang sedangkan pada sudut kemiringan bilah 90º gaya hambat turbin lebih besar daripada gaya dorong angin sehingga menghasilkan nilai rpm sudu turbin yang kecil. Hubungan antara efisiensi turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada Gambar 4. Pada Gambar 4 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya kecepatan angin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Berdasarkan Gambar 4 dapat terlihat bahwa rata-rata sudut kemiringan bilah mempunyai efisiensi turbin maksimum pada kecepatan angin 2 m/s sedangkan setelah melewati kecepatan angin 2 m/s efisiensi turbinnya menurun. Performa turbin angin sumbu tegak dengan menggunakan modifikasi NACA 6412 ini mempunyai daya keluaran yang rendah pada kecepatan angin tinggi. Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi turbin terbesar yaitu mencapai 50%.

9 70

efisiensi turbin (%)

60 50 sudut 27

40

sudut 30

30

sudut 45 20

sudut 60

10

sudut 90

0 0

1

2

3

4

5

6


Gambar 4 Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin 70

efisiensi turbin (%)

60 50 sudut 27

40

sudut 30

30

sudut 45 20

sudut 60

10

sudut 90

0 0

20

40

60

80

100

120

rpm sudu turbin

Gambar 5 Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin Hubungan antara efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin dijelaskan pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar 5 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya nilai rpm sudu turbin maka efisiensi turbinnya semakin menurun. Rata-rata efisiensi turbin paling maksimum yang dicapai masing-masing sudut kemiringan bilah yaitu pada 30 rpm sedangkan setelah melewati 30 rpm efisiensi turbinnya menurun. Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi terbesar dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya.

10 2,5

daya turbin (watt)

2 1,5

sudut 27 sudut 30

1

sudut 45 sudut 60

0,5

sudut 90

0 0

1

2

3

4

5

6


Gambar 6 Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin Hubungan antara daya turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada Gambar 6. Berdasarkan gambar tersebut dapat terlihat dengan semakin bertambahnya kecepatan angin maka daya turbin akan semakin meningkat. Daya turbin terbesar pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º. Dari grafik dapat terlihat selisih daya turbin antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat kecil sehingga garis antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º hampir berhimpit. Artinya kemampuan daya serap angin turbin angin sumbu tegak menggunakan modifikasi NACA 6412 pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat optimum. Sedangkan untuk sudut kemiringan bilah 90º tidak terjadi kenaikan daya keluaran yang signifikan meskipun kecepatan anginnya maksimum. Gambar 7 memperlihatkan hubungan antara daya turbin terhadap rpm sudu turbin. Semakin bertambah nilai rpm sudu turbin maka daya turbin semakin meningkat. Daya turbin paling optimum diperoleh pada sudut kemiringan bilah 30º dengan rpm sudu turbin hampir mencapai nilai 100.

11 2,5

1,5

sudut 27 sudut 30

1

sudut 45 sudut 60

0,5

sudut 90

0 0

20

40

60

80

100

120

rpm sudu turbin

Gambar 7 Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin

0,7 0,6 0,5 betz ratio

daya turbin (watt)

2

sudut 27

0,4

sudut 30

0,3

sudut 45 0,2

sudut 60

0,1

sudut 90

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Tip Speed Ratio (rad)

Gambar 8 Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio

12


0,25 0,2 0,15

sudut 27 sudut 30

0,1

sudut 45 sudut 60

0,05

sudut 90

0 0

1

2

3

4

5

6


Gambar 9 Grafik Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin


0,25 0,2 0,15

sudut 27 sudut 30

0,1

sudut 45 sudut 60

0,05

sudut 90

0 0

20

40

60

80

100

120

rpm sudu turbin

Gambar 10 Grafik Tip Speed Ratio terhadap rpm sudu turbin Gambar 8 memperlihatkan hubungan antara Cp (betz ratio) terhadap Tip Speed Ratio (TSR) untuk masing-masing sudut kemiringan bilah. Cp menyatakan efisiensi turbin sedangkan Tip Speed Ratio (TSR) menunjukan perbandingan kecepatan putar sudu terhadap kecepatan angin. Dari gambar 4 dapat terlihat nilai Tip Speed Ratio (TSR) untuk semua sudut kemiringan bilah kurang dari 1 artinya turbin angin sumbu tegak ini merupakan turbin angin dengan tipe dorong karena lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong.9 Rata-rata sudut kemiringan bilah mencapai efisiensi turbin maksimum pada saat Tip Speed Ratio (TSR) minimum karena pada saat nilai Tip Speed Ratio (TSR) minimum gaya dorong turbinnya maksimum. Sebaliknya pada saat nilai Tip Speed Ratio (TSR) maksimum maka efisiensi turbin menjadi turun karena

13 pada saat Tip Speed Ratio (TSR) maksimum gaya hambat turbin lebih besar daripada gaya dorong sehingga putaran turbin cenderung melambat. Gambar 9 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin. Semakin meningkatnya kecepatan angin maka nilai Tip Speed Ratio (TSR) semakin naik. Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah. Sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya karena pada sudut kemiringan bilah 45º sudu turbin mengalami gaya dorong terbesar sehingga nilai Tip Speed Ratio maksimum. Gambar 10 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin. Semakin meningkatnya nilai rpm sudu turbin maka nilai Tip Speed Ratio (TSR) semakin meningkat. Nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar yaitu pada sudut kemiringan bilah 45º dengan putaran sudu turbin hampir mencampai 100 rpm.

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sudut kemiringan bilah dari turbin angin sumbu tegak dengan modifikasi NACA 6412 yang menghasilkan daya keluaran turbin paling optimum yaitu pada sudut kemiringan bilah 27̊ dengan rata-rata daya serap angin mencapai 50%. Saran Penelitian selanjutnya disarankan supaya data kecepatan menggunakan sensor kecepatan daripada menggunakan anemometer supaya penelitian lebih efisien dan data lebih presisi, pengatur kecepatan angin harus konstan dan tertera angka-angka untuk mengatur kecepatan anginnya sehingga memudahkan dalam mengatur kecepatan, ruang uji turbin dalam terowongan angin harus diperbesar agar mempermudah ketika turbin akan dikeluarkan dari dalam terowongan angin, menggunakan honeycom yang bisa dibongkar pasang sehingga memudahkan untuk mengatur dan melepas apabila ada ukuran yang tidak seragam, dan perlu dilakukan pengujian pada sudut kemiringan bilah 27º untuk mengetahui kemungkinan adanya efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan efisiensi pada sudut kemiringan bilah 27º.

14

DAFTAR PUSTAKA 1. Young, D Hugh et al. Sears and Zemansky’s University Physics. Jakarta : Erlangga. 2002. 2. Dewi, Marizka Lustia. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Optimasi Kinerja Turbin. [Skripsi]. Departemen Fisika, FMIPA UNS. 2010. 3. Kevin, Phobi. Analisis Potensi Kincir Angin Savonius Sebagai Penggerak Pompa Submersible. [Skripsi]. Teknologi Pertanian, Fak. Teknologi Pertanian Universitas Andalas Padang. 2011. 4. Pradana, Achmada Jaya., Nugroho, Gunawan., Musyafa’, Ali. Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi Profil Kurva Blade untuk Memperoleh Daya Maksimum. Jurnal Teknik Pomits, Vol 7, No.7,1-6. 2013. 5. Marnoto, Tjukup. Peningkatan Efisiensi Kincir Angin Poros Vertikal Melalui Sistem Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu. Jurusan Teknik Kimia, Fak. Teknologi Industri, Universitas Pembangunan “Veteran” Yogyakarta. Jurnal Teknik Mesin, Vol 11, No.2. 2010. 6. Kusbiantoro, Andri., Soenoko, Rudy., Sutikno, Djoko. Pengaruh Panjang Lengkung Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Vertikal Savonius. Jurusan Teknik Mesin, Fak. Teknik Universitas Brawijaya Malang. 2013. 7. Yulia, Fayza. Analisa Performa Pesawat Pada Jenis Airfoil NACA 0012, NACA 2212, NACA 6412 Dengan Ketentuan Yang Sama dan Sudut Serang 10º dan 30º. Teknik Mesin, Universitas Indonesia. 2013. 8. [NASA] National Aeronautics and Space Administration. Open Return Wind Tunnel. GRC. [Internet]. [di unduh 2014 Nov 12]. Tersediapada:http//www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/tunoret.html. 2010. 9. Asy’ari, Hasyim., Budiman, Aris., Agung Nugraha, Nurmuntaha. Pemanfaatan Generator Induksi Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Angin Skala Rumah Tangga di Mbulak Baru Kabupaten Jepara. [Laporan Penelitian Hibah Bersaing]. Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2010.

15 Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Mulai

Studi Pustaka

Perancangan Model Turbin

Pembuatan Model Turbin

Set up Alat

Pembuatan Wind Tunnel

Pengambilan Data

Analisis Data

Optimum

Ya Kesimpulan dan Saran

Selesai

Tidak

16 Lampiran 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º = 1.225 kg/m3 = 0.0483 m2 = 0.118 m = 5.4333 m/s = 3.6444 m/s = 89.641

ρ A Jari-jari turbin v1 v2 rpm sudu turbin

Diketahui :

Perhitungan daya turbin PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) = x 1.225 x 0.04838 x (5.43333+3.644444)(5.433332-3.6444442) = 2.18416 watt Perhitungan daya angin Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 = x 1.225 x 0.04838 x 5.433333 = 4.75303 watt Perhitungan betz ratio Cp =

(

= .

=

)(

.

)

( . .

. .

)( . .

= 0.4595 Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % .

= . x 100% = 45.9529 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ= .

.

= . = 0.2037 rad

.

Perhitungan torsi = .

.

= . = 1.1682 (m4/rad2 s)

– .

)



Diketahui :

Perhitungan daya turbin PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) = x 1.225 x 0.0483(5.4333+3.5083) (5.43332–3.50832) = 2.2803 watt Perhitungan daya angin Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 = x 1.225 x 0.0483 x 5.43333 = 4.7530 watt Perhitungan betz ratio Cp=

(

= .

=

)(

.

)

( . .

. .

)( . .



.

= . = 0.2116 rad

.


.

= . = 1.0833 (m4/rad2 s)

– .

)



Diketahui :

Perhitungan daya turbin PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) = x 1.225 x 0.0483(5.4833+4.025) (5.48332–4.0252) = 1.9534 watt Perhitungan daya angin Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 = x 1.225 x 0.0483 x 5.48333 = 4.8854 watt Perhitungan betz ratio Cp =

(

= .

=

)(

.

)

( . .

. .

)( . .



.

= . = 0.2207 rad

.


.

= . = 1.0142 (m4/rad2 s)

– .

)



Diketahui :

Perhitungan daya turbin PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) = x 1.225 x 0.0483(5.4166+4.3916) (5.41662–4.39162) = 1.4610 watt Perhitungan daya angin Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 = x 1.225 x 0.0483 x 5.41663 = 4.7094 watt Perhitungan betz ratio Cp =

(

= .

=

)(

.

)

( . .

.3916) ( . .

.



.

= . = 0.2178 rad

.


.

= . = 1.0155 (m4/rad2 s)

– .

)

20 Lampiran 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90̊ = 1.225 kg/m3 = 0.0483 m2 = 0.118 m = 5.3666 m/s = 5.2333 m/s = 73.6453


Diketahui :

Perhitungan daya turbin PT = ρA(v1+v2) (v12-v22) = x 1.225 x 0.0483(5.3666+5.2333) (5.36662–5.23332) = 0.2219 watt Perhitungan daya angin Pw = (ρAv)(v2) = ρAv3 = x 1.225 x 0.0483 x 5.36663 = 4.5802 watt Perhitungan betz ratio Cp=

(

= .

=

)(

.

)

( . .

. .

)( . .

= 0.0484 Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % =

.

x 100% = 4.8462 % .

Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ= .

.

= . = 0.1694 rad

.


.

= . = 1.6573 (m4/rad2 s)

– .

)

21 Lampiran 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º,45º, 60º, dan 90º Sudut kemiringan bilah 27º v1 ratarata (m/s)

v2 ratarata (m/s)

1.651 2.108 2.639 3.067 3.729 4.261 4.583 5.145 5.433

0.592 0.960 1.493 2.003 2.439 2.742 3.073 3.367 3.644

Rpm sudu Daya turbin turbin rata- (watt) rata 19.521 0.079 28.106 0.160 38.759 0.290 50.625 0.405 61.674 0.727 73.915 1.104 81.504 1.312 83.235 1.909 89.641 2.184

rata-rata

0.908

Tip Efisiensi Torsi speed turbin (m4/rad2 ratio (%) s) (rad)

Daya angin (watt)

Betz ratio

0.133 0.278 0.544 0.855 1.536 2.293 2.853 4.036 4.753

0.592 0.577 0.532 0.474 0.473 0.482 0.460 0.473 0.460

59.196 57.680 53.218 47.387 47.319 48.153 45.971 47.299 45.953

0.146 0.165 0.181 0.204 0.204 0.214 0.220 0.200 0.204

0.210 0.269 0.348 0.372 0.547 0.650 0.716 1.089 1.168

1.920

0.502

50.242

0.193

0.597

Sudut kemiringan bilah 30º v1 ratarata (m/s)

v2 ratarata (m/s)

1.838 2.350 2.780 3.242 3.841 4.433 4.786 5.133 5.433

0.683 1.411 1.740 2.300 2.467 2.842 3.150 3.383 3.508

rata-rata

Rpm sudu turbin ratarata 22.664 34.564 40.752 52.251 61.060 69.833 78.872 84.581 93.086

Daya Daya turbin angin (watt) (watt)

Betz ratio

Tip Efisensi Torsi Speed turbin (m4/rad2 Ratio (%) s) (rad)

0.109 0.197 0.315 0.428 0.810 1.248 1.527 1.881 2.280

0.184 0.385 0.637 1.009 1.679 2.582 3.249 4.008 4.753

0.591 0.512 0.494 0.424 0.482 0.483 0.470 0.469 0.480

59.109 51.170 49.448 42.447 48.248 48.339 46.995 46.919 47.978

0.152 0.182 0.181 0.199 0.196 0.195 0.204 0.203 0.212

0.239 0.275 0.387 0.436 0.629 0.853 0.909 1.045 1.083

0.977

2.054

0.490

48.961

0.192

0.651

22 Sudut kemiringan bilah 45º v1 ratarata (m/s) 1.958 2.408 2.813 3.306 3.820 4.333 4.658 5.192 5.483

v2 ratarata (m/s) 1.300 1.883 2.283 2.528 2.836 3.133 3.483 3.864 4.025

Rpm sudu ratarata 29.675 38.393 47.944 53.573 64.109 74.017 81.138 93.675 97.983

rata-rata


Betz ratio

0.103 0.143 0.204 0.392 0.646 0.991 1.154 1.613 1.953

0.222 0.414 0.660 1.070 1.652 2.411 2.995 4.147 4.885

0.465 0.346 0.309 0.366 0.391 0.411 0.385 0.389 0.400

0.800

2.051

0.385

Tip Efisiensi speed turbin Ratio (%) (rad) 46.520 0.187 34.612 0.197 30.914 0.210 36.637 0.200 39.099 0.207 41.109 0.211 38.525 0.215 38.905 0.223 39.985 0.221 38.479

0.208

Torsi (m4/rad2 s) 0.180 0.246 0.294 0.448 0.558 0.693 0.770 0.892 1.014 0.566

Sudut kemiringan bilah 60º v1 ratarata (m/s)

v2 ratarata (m/s)

1.892 2.233 2.712 3.233 3.807 4.317 4.758 5.183 5.417

1.293 1.625 2.117 2.683 3.183 3.582 3.922 4.160 4.392 rata-rata


Tip Efisiensi Speed turbin Ratio (%) (rad)


Betz ratio

Torsi (m4/rad2 s)

0.090 0.134 0.206 0.285 0.451 0.679 0.934 1.324 1.461

0.201 0.330 0.591 1.002 1.635 2.384 3.193 4.127 4.709

0.448 0.406 0.348 0.285 0.276 0.285 0.293 0.321 0.310

44.833 40.649 34.783 28.480 27.606 28.500 29.255 32.075 31.023

0.177 0.187 0.198 0.206 0.208 0.207 0.211 0.210 0.218

0.188 0.235 0.307 0.404 0.552 0.717 0.832 1.003 1.016

0.618

2.019

0.330

33.023

0.202

0.584

23 Sudut kemiringan bilah 90º v1 ratarata (m/s)

v2 ratarata (m/s)

1.591 2.273 2.725 3.244 3.886 4.286 4.725 5.150 5.367

1.519 2.167 2.578 3.173 3.683 4.133 4.667 5.022 5.233 rata-rata


Tip Efisiensi Torsi Speed turbin (m4/rad2 Ratio (%) s) (rad)


Betz ratio

0.010 0.031 0.061 0.043 0.172 0.160 0.076 0.196 0.222

0.119 0.348 0.600 1.012 1.739 2.333 3.126 4.048 4.580

0.086 0.089 0.102 0.043 0.099 0.069 0.024 0.048 0.048

8.581 8.949 10.229 4.288 9.899 6.877 2.439 4.840 4.846

0.143 0.145 0.153 0.160 0.156 0.161 0.165 0.166 0.169

0.203 0.406 0.521 0.673 1.018 1.158 1.348 1.580 1.647

0.108

1.989

0.068

6.772

0.158

0.950

24 Lampiran 8 Dokumentasi Penelitian

Arduino UNO

Turbin Angin Sumbu Tegak 7 blade

Penampang Anomemeter

25

RIWAYAT HIDUP Siti Rahayu Latifah lahir di Tasikmalaya pada 18 Juli 1992 merupakan putri pertama dari Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah. Penulis lulusan RA Al-Hikmah pada tahun 1999 kemudian melanjutkan pendidikan dasar di SD Negeri Cintawana dan lulus tahun 2005. Tahun 2008 penulis lulus dari SMP Negeri 1 Mangunreja. Tahun 2011 penulis melanjutkan pendidikan ke Institut Pertanian Bogor melewati jalur SNMPTN Undangan sebagai mahasiswa Fisika. Selama megikuti perkuliahan penulis menjadi asisten praktikum Fisika TPB dan penulis juga aktif sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika.

PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBUU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA SITI RAHAYU LATIFAH

Recommend Documents