SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik EKAWIRA K NAPITUPULU NIM

UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH

SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

EKAWIRA K NAPITUPULU NIM. 080401061

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

i Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Objek dalam penelitian ini adalah turbin angin Darrieus-H dengan profil sudu NACA 0012 dengan panjang chord 0.3 m. Dimensi turbin ini yaitu dengan diameter (D) 1.5 m dan tinggi (H) 1.5 m. Adapun variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah variasi jumlah sudu (3, 4 dan 5 buah) dan variasi sudut pitch sudu (00, 20, 40, 60, 80, 100, 120). Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu dan pengaruh sudut pitch terhadap performansi turbin angin Darrieus-H. Penelitian ini dilakukan dengan melakukan serangkaian pengujian turbin angin pada kecepatan angin 3,85 m/s. Angin ini dibangkitkan oleh sebuah kipas yang ditempatkan pada jarak 5 m dari turbin. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin, untuk jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah dengan efisiensi masing-masing 15,91%; 12,14% dan 11,49%. Sedangkan dari variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3, 4 dan 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 60

Kata kunci: turbin Darrieus-H, NACA 0012,jumlah sudu, sudut pitch, efisiensi

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0012 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH”. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Proses pembuatan objek penelitian dan kegiatan penelitian yang dilakukan penulis terlaksana dan terwujud berkat doa dan dukungan semua pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1.

Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2.

Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3.

Bapak Ir. Tekad Sitepu dan Tulus B Sitorus ST, MT selaku dosen penguji yang memberikan masukan kepada penulis.

4.

Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

5.

Bapak Sarjana, ST sebagai Laboran Proses Produksi yang memberikan bimbingan dan arahan selama proses pabrikasi objek penelitian.

6.

Kedua orang tua penulis, J. Napitupulu dan R. br Purba yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

i Universitas Sumatera Utara

7.

Rekan-rekan satu tim kerja, Andinata Sitepu dan Libert Sijabat yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

8.

Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis. Mungkin masih ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan

skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini. Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, 6 September 2013

Ekawira K Napitupulu

ii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI ABSTRAK KATA PENGANTAR .................................................................................................i DAFTAR ISI ................................................................................................................. iii DAFTAR SIMBOL ...................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... viii DAFTAR TABEL ........................................................................................................ x BAB I

PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 1 1.2 Tujuan Penelitian ........................................................................................... 1 1.3 Rumusan dan Batasan Masalah ..................................................................... 2 1.3.1 Rumusan Masalah ................................................................................ 2 1.3.2 Batasan Masalah .................................................................................. 2 1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................................... 2 1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................... 3 1.6 Metode Pengumpulan Data ........................................................................... 3 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................. 4

2.1 Energi Angin ………………….................................................................... 4 2.1.1 Kondisi angin….. ................................................................................ 4 2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan….......................... 5 2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah…................................................................................................ 6 2.2 Potensi Angin di Indonesia…........................................................................ 6 2.3 Turbin Angin ................................................................................................ 8 2.3.1 Jenis-jenis turbin angin......................................................................... 9 2.3.2 Teori elemen momentum Betz.............................................................. 10 2.4 Turbin Angin Darrieus................................................................................... 14 2.4.1 Airfoil………………........................................................................... 14 2.4.2 Turbin angin Darrieus-H....................................................................... 16 2.4.3 Sudut serang dan sudut pitch................................................................ 18 2.5 Sistem Kelistrikan..……............................................................................... 22

iii Universitas Sumatera Utara

2.5.1 Generator…..……............................................................................... 22 2.5.2 Sistem penyimpanan energi listrik........................................................ 23 BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................... 25 3.1 Tempat Penelitian .......................................................................................... 25 3.2 Objek Penelitian dan Alat Penelitian ............................................................. 25 3.2.1 Objek penelitian……........................................................................... 25 3.2.2 Alat penelitian……............................................................................. 29 3.3 Pelaksanaan Penelitian .................................................................................. 33 3.3.1 Tahap persiapan ................................................................................... 33 3.3.2 Tahap pengujian dan pengambilan data ............................................. 33 3.4 Diagram Alir Penelitian .................................................................................. 35 BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA ........................................ 36 4.1 Hasil Pengujian .............................................................................................. 36 4.1.1 Pengukuaran kecepatan angin…………….......................................... 36 4.1.2 Data pengujian tanpa beban………..................................................... 37 4.1.3 Data pengujian beban 3 Watt ………................................................. 38 4.1.4 Data pengujian beban 5 Watt …………............................................. 38 4.1.5 Data pengujian beban 10 Watt …………........................................... 38 4.2 Analisis Data ................................................................................................. 39 4.2.1 Perhitungan daya Aangin ..................................................................... 39 4.2.2 Perhitungan Tip Speed Ratio ................................................................ 39 4.2.3 Perhitungan efisiensi turbin ................................................................ 40 4.3 Perbandingan turbin angin Savonius dengan Darrieus-H.............................. 49 4.4 Mengapa prototipe turbin Darrieus-H ini kurang efisien?............................. 50 4.5 Usaha dan tantangan untuk meningkatkan efisiensi turbin angin Darrieus-H................................................................................................... 51 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 53

5.1 Kesimpulan .................................................................................................... 53 5.2 Saran……...................................................................................................... 53 DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................... 55 LAMPIRAN L1. Ketidakpastian dan data hasil pengujian........................................................ 57

iv Universitas Sumatera Utara

L2. Skema pengujian ………………………………………………………........ 72 L3. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir.......................................................... 73 L4. Data kecepatan angin di Indonesia…............................................................ 74 L5. Data kecepatan angin Sumut tahun 2011....................................................... 75 L6. Koordinat airfoil NACA 0012…. ................................................................. 76 L7. Nilai ekonomis berbagai sumber daya............................................................ 77 L8. Taksasi biaya……………….......................................................................... 78 L9 Perancangan turbin angin Darrieus-H…........................................................ 83

v

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR SIMBOL AoA

angle of attack, (0)

TSR

tip speed ratio

VAWT vertical axis wind turbine HAWT horizontal axis wind turbine NACA National Advisory Committee for Aeronautics rpm

revolution per minute

a

interference factor

A

luas sapuan rotor, m2

c

panjang chord sudu, m

C

kecepatan absolut elemen sudu

CD

koefisien drag

CL

koefisien lift

Cp

koefisien daya

Cp,max

koefisien daya maksimum

d

diameter turbin, m

D

gaya drag, N

F

gaya, N

Fmax

gaya maksimum, N

Ek

energi kinetik angin, J

H

tinggi turbin, m

I

kuat arus, A

L

gaya lift, N

m

massa, kg aliran massa, kg/s putaran, 1/s

n

koefisien kekasaran permukaan tanah

N

jumlah sudu daya angin, J/s

Pa

daya angin, J/s daya turbin, J/s

vi

Universitas Sumatera Utara

radius turbin, m Re

bilangan Reynold waktu, s

V∞

kecepatan angin, m/s

V’

kecepatan angin tepat pada turbin, m/s tegangan, Volt tegangan rata – rata, Volt

U’

kecepatan tangensial elemen sudu, m/s

Z

ketinggian, m kecepatan sudut rotor, rad/s kerapatan angin, kg/m3 sudut serang (angle of attack), (0)

θ

sudut azimuthal sudu, (0) tip speed ratio

σ

rasio kepadatan sudu (solidity)

vii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1

Aliran angin di Indonesia………………........................................... 7

Gambar 2.2

Pengelompokan turbin angin.............................................................. 9

Gambar 2.3

Pemodelan aliran Betz……………………....................................... 10

Gambar 2.4

Koefisien performansi vs rasio kecepatan........................................ 13

Gambar 2.5

Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz…..................... 13

Gambar 2.6

Turbin angin Darrieus-H lima sudu……………………………....... 14

Gambar 2.7

Nomenklatur airfoil……………………………. ............................. 15

Gambar 2.8

Contoh airfoil…………………………… ....................................... 16

Gambar 2.9

Gaya-gaya aeodinamik pada sudu turbin.......................................... 17

Gambar 2.10 Sudu turbin pada beberapa kondisi sudut…....................................... 18 Gambar 2.11 Arah sudut pitch…………………………........................................ 19 Gambar 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi TSR, sudut azimuth dan sudut pitch.………………………………….................................... 20 Gambar 2.13 Perubahan sudut serang…………………........................................ 21 Gambar 2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai…………….................... 24 Gambar 3.1

Koefisien daya untuk berbagai jenis turbin........................................ 26

Gambar 3.2

Prototipe turbin angin Darrieus-H, 3 sudu dan 5 sudu....................... 28

Gambar 3.3

Sudu turbin angin Darrieus-H dengan profil NACA 0012............... 29

Gambar 3.4

Anemometer dan Tachometer….…................................................... 30

Gambar 3.5

Multimeter……................................................................................ 31

Gambar 3.6

Busur derajat……………………………………………………....... 31

Gambar 3.7

Motor penggerak fan……………....................................................... 32

Gambar 3.8

Permanent magnet generator (PMG)………..................................... 32

Gambar 3.9

Prosedur pengujian………………………........................................ 34

Gambar 3.10 Diagram alir penelitian………………….......................................... 35 Gambar 4.1

Pengukuran kecepatan angin…………….......................................... 36

Gambar 4.2

Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah………………………….………….......................................... 44

Gambar 4.3

Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu tiga buah …………………………………….......................................... 44

viii Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.4

Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu tiga buah…………………...…………….......................................... 45

Gambar 4.5

Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu empat buah……………….…………….......................................... 45

Gambar 4.6

Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu empat buah……………….…………….......................................... 46

Gambar 4.7

Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu empat buah………………..…………….......................................... 46

Gambar 4.8

Grafik sudut pitch terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima buah……………………… …………….......................................... 47

Gambar 4.9

Grafik sudut pitch terhadap tip speed ratio untuk jumlah sudu lima buah……………………….…………….......................................... 47

Gambar 4.10 Grafik tip speed ratio terhadap efisiensi turbin untuk jumlah sudu lima buah……………………………….......................................... 48 Gambar 4.11 Grafik jumlah sudu terhadap efisiensi maksimum........................... 48

ix

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Tabel 2.1

Kondisi angin……………………….................................................... 4

Tabel 2.2

Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah………….5

Tabel 2.3

Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah.......................................... 6

Tabel 2.4

Potensi energi terbarukan di Indonesia................................................. 7

Tabel 2.5

Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang..................... 8

Tabel 3.1

Spesifikasi prototipe turbin angin Darrieus-H..................................... 28

Tabel 3.2

Spesifikasi sudu………………........................................................... 28

Tabel 3.3

Spesifikasi anemometer……. ............................................................. 29

Tabel 3.4

Spesifikasi multimeter……….. .......................................................... 30

Tabel 4.1

Data kecepatan angin pada berbagai titik............................................. 37

Tabel 4.2

Data pengujian 3, 4, dan 5 sudu…....................................................... 37

Tabel 4.3

Data pengujian beban3 Watt……........................................................ 38

Tabel 4.4

Data pengujian beban 5 Watt..…........................................................ 38

Tabel 4.5

Data pengujian beban 10 Watt..…........................................................ 38

Tabel 4.6

Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt.................................................... 41

Tabel 4.7

Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 41

Tabel 4.8

Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 41

Tabel 4.9

Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 42

Tabel 4.10

Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 42

Tabel 4.11

Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 42

Tabel 4.12

Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt................................................. 42

Tabel 4.13

Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 43

Tabel 4.14

Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 43

Tabel 4.15

Perhitungan turbin angin Savonius….................................................. 49

Tabel 4.16

Perhitungan turbin angin Darrieus-H.................................................. 49

Tabel 4.17

Perbedaan konstruksi turbin angin Savonius dan Darrieus................ 50

Tabel L.1

Data pengujian 3 sudu tanpa beban.................................................... 60

Tabel L.2

Data pengujian 3 sudu beban 10 Watt.................................................. 61

Tabel L.3

Data pengujian 3 sudu beban 5 Watt.................................................... 62 x Universitas Sumatera Utara

Tabel L.4

Data pengujian 3 sudu beban 3 Watt.................................................... 63

Tabel L.5

Data pengujian 4 sudu tanpa beban.................................................... 64

Tabel L.6

Data pengujian 4 sudu beban 10 Watt.................................................. 65

Tabel L.7

Data pengujian 4 sudu beban 5 Watt.................................................... 66

Tabel L.8

Data pengujian 4 sudu beban 3 Watt.................................................... 67

Tabel L.9

Data pengujian 5 sudu tanpa beban.................................................... 68

Tabel L.10 Data pengujian 5 sudu beban 10 Watt.................................................. 69 Tabel L.11 Data pengujian 5 sudu beban 5 Watt.................................................... 70 Tabel L.12 Data pengujian 5 sudu beban 3 Watt.................................................... 71 Tabel L.13 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir................................................. 73 Tabel L.14 Relatif rata-rata Kec.Angin Sumut...................................................

75

Tabel L.15 Koordinat airfoil NACA 0012……..................................................... 76 Tabel L.16 Nilai ekonomis berbagai sumber energi............................................... 77 Tabel L.17 Taksasi biaya pembuatan prototipe turbin angin.................................78

xi Universitas Sumatera Utara