SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
Simulasi Peningkatan Kinerja Kincir Angin Savonius dengan Empat Plat Pengarah Budi Sugiharto1, Denny Widhiyanuwirawan2, Slamet Wahyudi3, Sudjito Soeparman4 1)
Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2) Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya Malang e-mail: 1)
[email protected]
ABSTRAK Kincir angin Savonius merupakan kincir angin poros vertikal yang berkonstruksi sederhana dan murah. Kincir angin Savonius dapat menerima angin dari segala arah dan dapat bekerja pada kecepatan angin dan putaran yang rendah. Tulisan ini bertujuan meningkatkan kinerja kincir angin Savonius melalui penambahan empat plat pengarah. Penambahan empat plat pengarah divariasikan dengan tiga model. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software ANSYS dengan hasil berupa kontur kecepatan dan torsi statis pada posisi sudu 00, 450, 900, 1350 dan 1800. Hasil yang diperoleh menunjukkan pada posisi sudu 450 dan 900 torsi statis pada kincir dengan tambahan plat pengarah lebih besar, meskipun pada posisi sudu yang lain torsi statis yang terjadi lebih kecil dibandingkan dengan kincir tanpa pengarah. Torsi statis maksimum terjadi pada posisi sudu 450 , penambahan empat plat pengarah model 2 memiliki torsi statis paling besar. Peningkatan torsi statis hingga 30% dibanding dengan kincir angin Savonius standar. Kata kunci: Savonius, kinerja, torsi statis, plat pengarah.
ABSTRACT Savonius windmill is a vertical axis windmill constructed a simple and cheap. That can receive wind from any direction and can work on low wind speed and angular velocity. This paper aims to improve performance through additional Savonius windmill with four flat deflector. The addition of four flat deflector varied with three models. Simulations performed using ANSYS software with the results in the form of contour velocity and static torque on the position of the blade 00, 450, 900, 1350 and 1800. The results obtained indicate the position of the blade 450 and 900 static torque on the windmill with the addition flat deflector of larger, though the another blade position static torque that occurs is smaller than the windmill without a deflector. The maximum static torque occurs at the position of the blade 450, the addition of four flat deflector model 2 has the greatest static torque. Static torque increase by 30% compared with standard Savonius windmill. Keywords: Savonius, performance, static torque, flat deflector.
Pendahuluan Kincir angin Savonius merupakan alat untuk mengubah energi kecepatan angin menjadi energi gerak dengan poros vertikal yang mudah dibuat, disain sederhana, dapat menerima angin dari segala arah dan dapat bekerja pada kecepatan angin dan putaran yang rendah. Kekurangan dari kincir angin Savonius yaitu mempunyai efisiensi atau koefisien daya yang rendah sebesar 15%. Kincir angin Savonius pada umumnya didisain silinder terbelah yang digeser sehingga membentuk seperti huruf S ditunjukkan SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
53
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
pada Gambar 1 dengan D : diameter kincir, Do : diameter end plate dan e : jarak overlap. Fujisawa [5] menyampaikan hasil penelitiannya koefisien daya terbaik pada rasio overlap sebesar 0.15. Rasio overlap adalah perbandingan jarak overlap dengan diameter sudu. Torsi statik maksimum diperoleh pada posisi 450. Dari hasil visualisasi aliran di dan sekitar kincir, memperlihatkan aliran melalui overlap bermanfaat untuk mendorong sudu balik dari kincir dan mengurangi torsi negatif pada sudu balik.
Gambar 1. Skema kincir angin Savonius
Nakajima et al. [8,9] menyampaikan ada enam jenis aliran yang mempengaruhi kinerja kincir angin Savonius dari hasil visualisasi yang diperoleh dengan teknik smoke-wire dengan aliran angin dari sisi kiri. Enam aliran yang ditunjukkan pada Gambar 2 tidak selalu ada pada setiap posisi sudu, aliran I, II dan III memberikan efek pada kinerja yang positif sedang aliran IV, V dan VI justru mengganggu atau mengurangi kinerja kincir.
Gambar 2. Pola aliran pada kincir Savonius
Irabu dan Roy [7] melakukan peningkatan koefisien daya dengan cara meletakkan kincir angin ke dalam terowongan kotak pengarah (Guide Box Tunnel/GBT) dengan hasil peningkatan koefisien daya sebesar 1.23 kali dari koefisien daya tanpa GBT. Kondisi ini juga bermanfaat untuk mengurangi terjadinya kecepatan putar berlebih pada kincir akibat kecepatan angin yang meningkat tajam. Altan et al. [1], Altan dan Atilgan [2,3,4] dalam penelitiannya tentang kincir angin Savonius dengan plat pengarah di depan kincir. Plat pengarah bertujuan mengurangi/menghilangkan torsi negatif yang terjadi pada sudu balik serta mengarahkan aliran ke sudu dorong. Peningkatan koefisien daya yang terjadi sampai sebesar dua kali dari kincir tanpa pengarah atau koefisien daya sebesar 38,5%. Kelemahan dengan plat pengarah tersebut adalah bila terjadi perubahan arah angin diperlukan alat untuk mengubah posisi plat pengarah. Gupta et al. [6] melakukan analisis CFD pada variasi overlap kincir Savonius dengan hasil terbaik pada rasio overlap sebesar 16,7%. SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
54
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
Pada tulisan ini akan dilakukan simulasi kincir angin Savonius dengan empat plat pengarah dengan menggunakan software ANSYS. Variasi yang dilakukan adalah perbedaan jarak antara kincir dengan plat pengarah (cleareance).
Metode Penelitian
Penggambaran model dilakukan menggunakan software Solid Work dengan feature surface-plane yang disimpan dalam file berekstensi igs, selanjutnya di import ke software ANSYS. Simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) dilakukan dengan software ANSYS dua dimensi.
Model kincir angin Savonius dan variasi pengarah yang dilakukan Kincir angin Savonius yang dianalisis dengan ukuran sebagai berikut diameter sudu (d) 215 mm, rasio overlap (G = d/e ) = 0.15 di letakkan pada tengah-tengah wind tunnel ukuran 1200 mm x 2400 mm, ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Dimensi kincir angin Savonius dan wwind tunnel
Penambahan empat plat pengarah pada kincir angin Savonius diberikan tiga variasi clearance. Model 1 dengan clearance sebesar 0.1 jari-jari sudu, model 2 dengan clearance sebesar 0.2 jari-jari sudu dan model 3 dengan clearance sebesar 0.3 jari-jari sudu ditunjukkan pada Gambar 4 saat posisi sudu 00.
a
b
c
Gambar 4. Variasi kincir angin Savonius dengan empat plat pengarah; a. Model 1, b. Model 2 dan c. Model 3
Kondisi batas dan spesifikasi penyelesaian Dalam analisis CFD kondisi batas yang dilakukan sebagai berikut arah angin dari sisi kiri dengan kecepatan angin 5 m/detik, keluar sisi kanan dengan tekanan sama dengan tekanan atmosfir sebesar 101325 bar dan sisi atas dan bawah simetri. Selama analisis kincir dalam kondisi diam. Material yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.225 kg/m3 dan viskositas dinamis 1.7894 x 10-5 serta kondisi operasional pada tekanan atmosfir. SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
55
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
Spesifikasi cara penyelesaian dengan dasar pressure based, time steady dan space 2D. Model k-epsilon Standard Wall Functions, Sebagai kontrol penyelesaian Pressure Velocity Coupling berupa Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation (SIMPLE) dengan diskritisasi Momentum Second Order Upwind dan Pressure Standard. Dengan permulaan penyelesaian sesuai kondisi masuk (kecepatan angin masuk) (Gupta et al. [6]).
Hasil dan Pembahasan Hasil simulasi CFD ditampilkan dalam bentuk kontur kecepatan pada posisi sudu 00, 450, 900, dan 1350 pada setiap model ditunjukkan pada Gambar 5, Gambar 6, Gambar 7 dan Gambar 8, sedang hasil torsi statik ditunjukkan pada Gambar 9.
a
b
c
d
Gambar 5. Kontur kecepatan pada posisi sudu 00; a. Standar, b. Model 1, c. Model 2, d. Model 3
a
b
c
d
Gambar 6. Kontur kecepatan pada posisi sudu 450; a. Standar, b. Model 1, c. Model 2, d. Model 3
a
b
c
d
Gambar 7. Kontur kecepatan pada posisi sudu 900; a. Standar, b. Model 1, c. Model 2, d. Model 3
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
56
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
a
b
c
d
Gambar 8. Kontur kecepatan pada posisi sudu 1350; a. Standar, b. Model 1, c. Model 2, d. Model 3
Gambar 9. Grafik hubungan torsi statik dengan posisi sudu
Kontur kecepatan pada posisi sudu 00 yang ditunjukkan pada Gambar 5 memperlihatkan pada sisi cembung sudu dorong kincir standar/tanpa pengarah (a) mempunyai kecepatan angin lebih besar dibanding yang lain, di sini tampak aliran seperti Coanda bekerja menarik sudu dorong untuk berputar searah jarum jam. Disamping kecepatan angin pada sisi cembung sudu dorong, kecepatan angin pada sisi cekung sudu balik kincir standar (a) mempunyai kecepatan angin yang lebih besar, sehingga mempermudah kincir untuk berputar. Vortek yang terjadi pada sisi cekung sudu balik kincir standar (a) diperlihatkan lebih sedikit, sehingga gangguan yang diakibatkan oleh vortek lebih kecil dibandingkan dengan model yang lain (b, c, d). Jika dihubungkan dengan torsi yang diperlihatkan pada Gambar 9, pada posisi sudu 00 kincir tanpa pengarah mempunyai nilai paling besar dibanding dengan torsi yang terjadi pada kincir dengan tambahan plat pengarah. Dari Gambar 6 c diperlihatkan kontur kecepatan angin pada posisi sudu 450 model 2, tampak bahwa kecepatan angin pada sisi cembung baik pada sudu dorong dan sudu balik serta pada daerah overlap lebih besar dibanding dengan model yang lain maupun standar, dari aliran ini memberikan dampak pada torsi yang terjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Berturut-turut dari torsi yang besar ke yang kecil adalah model 2, model 1, model 3 dan yang paling kecil kincir standar. Sedang pada posisi sudu 900 dan 1350 aliran pada daerah overlap mempunyai peran besar untuk membuat kinerja kincir sedang vortek yang terjadi pada sisi cekung sudu balik dan pada sisi cembung sudu dorong memberikan dampak yang negatif. Dari Gambar 9 diperlihatkan bahwa kincir dengan tambahan plat pengarah saat posisi sudu 450 dan 900 mempunyai torsi statik yang lebih besar SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
57
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534
dibandingkan dengan kincir standar. Pada posisi sudu 450 kincir dengan model 2 memiliki torsi 30% lebih besar dibanding kincir standar. Bila kincir berhenti pada posisi sudu antara 300 sampai 1050 kincir dengan plat pengarah akan lebih mudah bekerja dibanding dengan kincir standar, namun bila kincir berhenti pada posisi sudu yang lain plat pengarah mengganggu kincir untuk memulai bekerja. Jarak antara kincir dengan plat pengarah mempunyai pengaruh yang cukup besar, terlihat pada pola aliran yang terjadi seperti ditunjukkan pada Gambar 5 sampai Gambar 8.
Kesimpulan Dari simulasi CFD dengan kecepatan angin 5 m/detik diperoleh bahwa penambahan plat pengarah bekerja efektif pada posisi sudu 300 sampai 1050 dan bekerja maksimum pada posisi sudu 450. Kincir dengan tambahan plat pengarah pada posisi sudu 450 dan 900 memiliki torsi statis yang lebih tinggi dibanding dengan torsi statis pada kincir standar. Kenaikan torsi statis sebesar 30% pada kincir model 2 sebagai akibat kenaikan kecepatan angin pada sisi cembung baik pada sudu dorong maupun sudu balik dibandingkan dengan kincir Savonius tanpa pengarah.
Ucapan Terima Kasih Kepala Studio Perancangan dan Design Teknik Mesin Universitas Brawijaya yang telah membantu dalam penyediaan software ANSYS.
Daftar Pustaka 1. Altan, B.D., Atilgan, M., dan Ozdamar, A., 2008, An Experimental Study on Improvement of a 2. 3. 4. 5. 6.
Savonius Rotor Performance, Experimental Thermal and Fluid Science, 32, pp. 1673-1678. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2008, An Experimental and Numerical Study on the Improvement of the Performance of Savonius Wind Rotor, Energy Conversion and Management, 49, pp. 3425-3432. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2010, The Use of a Curtain Design to Increase the Performance Level of a Savonius Wind Rotors, Renewable Energy, 35, pp. 821-829. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2012, A Study on Increasing the Performance of Savonius Wind Rotors, Journal of Mechanical Science and Technology, 26 (5), pp. 1493-1499. Fujisawa, N., 1992, On the Torque Mechanism of Savonius Rotors, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 40, pp. 277-292. Gupta, R., Das, R., Gautam, R., dan Deka, S.S., 2012, CFD Analysis of a Two-bucket Savonius Rotor for Various Overlap Conditions, ISESCO Journal of Science and Technology, 8 (13), pp. 67-74.
7. Irabu, K., dan Roy, J.N., 2007, Characteristic of Wind Power on Savonius Rotor Using a Guide-box Tunnel, Experimental Thermal and Fluid Science, 32, pp. 580-586. 8. Nakajima, M., Lio, S., dan Ikeda, T., 2008, Performance of Double-step Savonius Rotor for Environmentally Friendly Hydraulic Turbine, Journal of Fluid Science and Techology, 3 (3), pp. 410419. 9. Nakajima, M., Lio, S., dan Ikeda, T., 2008, Performance of Savonius Rotor for Environmentally Friendly Hydraulic Turbine, Journal of Fluid Science and Techology, 3 (3), pp. 420-429.
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
58
