ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT
SKRIPSI Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata I
Disusun Oleh: HERMAN 05050009
JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2010
i
LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING
Skripsi dengan judul: ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT
Yang dipersiapkan oleh : Nama
: Herman
Nomor Mahasiswa : 05050009 Jurusan
: Teknik Penerbangan
Telah Memenuhi Persyaratan dan siap untuk diujikan
Disetujui pada Tanggal 22 Januari 2010
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
M Ardi Cahyono, ST,MT
Sri Mulyani, ST
ii
LEMBAR PENGESAHAN ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Yang dipersiapkan dan disusun oleh: HERMAN NIM: 05050009
Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 25 Januari 2010 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Teknik Susunan Tim Penguji Nama lengkap
Tanda tangan
Ketua Penguji
: M Ardi Cahyono, ST, MT
.........................
Penguji I
: Sri Mulyani, ST
.........................
Penguji II
: Muhammad yusuf, ST
.........................
Penguji III
: Ir Djarot Wahyu Santoso, MT
.........................
Yogyakarta, 25 Januari 2010 Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan
Ir Djarot Wahyu Santoso, MT
iii
PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini saya :
Nama
: Herman
Nomor Mahasiswa : 05050009 Jurusan
: Teknik Penerbangan
Judul Skrips
: Analisis perbandingan aerodinamika turbin angin poros horisontal terhadap perhitungan daya rotor yang dihasilkan pada model airfoil blade jenis NRELdengan menggunakan software CFD fluent
Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain, kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks.
Yogyakarta, 21 Januari 2010 Yang Menyatakan
HERMAN NIM. 05050009
iv
LEMBAR PERSEMBAHAN
Tugas akhir ini kupersembahkan kepada : Akhmad syatori dan Sunirih, Ayah dan ibuku yang tercinta Edy supriadi dan Trisna utami, adikadik-adikku Dan seluruh keluarga besarku di indramayu Mariah ismail TemanTeman-teman TPA 2005 DosenDosen- dosen STTA Yogyakarta Trimakasih atas Doa, semangat, dan dukungannya
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Yang Maha Esa yang telah memberikan Rahmat serta Hidayah kepada penulis, karena dengan Rahmat dan Hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi
ini
disusun sebagai
salah
satu
syarat
akademis
untuk
menyelesaikan pendidikan S-1 Studi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta Dalam kesempatan ini penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung dalam menyelesaikan skripsi ini, karena tanpa dukungan dari pihak-pihak tersebut, penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik, oleh karena itu penulis ingin berterima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya, yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 2. Mariah Ismail yang tidak henti-hentinya memberikan semangat 3. Bapak Ir. Suyitmadi. MT selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto. 4. Bapak Ir. Djarot Wahyu S,MT selaku Ketua Jurusan Teknik Penerbangan dan juga dosen penguji pada skripsi ini. 5. Bapak M. Ardi Cahyono.ST.MT selaku Dosen Pembimbing I, yang sangat banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini. 6. Ibu Sri Mulyani. ST, selaku Sekjur Jurusan Teknik Penerbangan sekaligus dosen pembimbing yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini. 7. Bapak Muhammad yusuf. ST selaku dosen penguji pada skripsi ini 8. Bapak dan ibu dosen di jurusan teknik penerbangan STTA Yogyakarta yang telah memberikan bekal ilmu dan pengetahuan kepada penulis. 9. Mas didi beserta keluarga, selaku penghuni kost di Yogyakarta, trimakasih atas semua kebaikannya.
vi
10. Teman-teman TPA 2005 yang telah memberikan semangat dan dukungannya, dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu. 11. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu-persatu yang telah banyak membantu dalam penyelesaian skripsi ini.
Demikian yang dapat penulis sampaikan, dan penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya jika dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat kesalahan dan kekurangan, karena penulis sadar kesempurnaan hanya milik Allah Yang Maha Esa, dan manusia sebagai penulis masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran dari rekan-rekan semua sangat penulis harapkan. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.
Yogyakarta, Januari 2010
Penulis
vii
ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Oleh : Herman 05050009 ABSTRAK Turbin angin adalah suatu alat yang didesain untuk menangkap energi kinetik angin. Komponen pertama yang berperan untuk menangkap energi angin adalah rotor turbin angin. Rotor menghasilkan daya mekanik berupa putaran poros. Yang dipergunakan untuk memutar generator listrik melalui sebuah sistem transmisi, generator ini lah yang akan mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Untuk blade turbin angin digunakan airfoil tipe NREL S833, S834, S835. Penghitungan coefficient drag dan coefficient lift dari masing-masing tipe airfoil menggunakan software fluent dan didapatkan hasil coefficient lift maksimum untuk NREL S833 sebesar 1,2706, NREL S834 : 0,96493 dan NREL S835 : 1,3154 sehingga yang paling tinggi menghasilkan gaya lift adalah airfoil tipe NREL S835. Sebagai pembanding saat perhitungan daya, desain blade untuk tipe airfoil divariasikan, variasi desain blade rotor pertama dengan nilai sudut θ dan chord fleksibel untuk tiap segmennya, menghasilkan daya optimal pada airfoil tipe NREL S834 dengan nilai 6,1004925 watt. Variasi desain blade rotor kedua dengan nilai sudut θ fleksibel dan nilai chord tetap menghasilkan daya terbesar pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt. Variasi desain blade rotor ketiga dengan nilai sudut θ tetap dan nilai chord tetap untuk tiap segmennya menghasilkan daya terbesar pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt 40,43831 Kata kunci: Wind turbin, Lift, Drag, Fluent, Daya rotor, Thrust
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ……………………………………………………… i LEMBAR PERSETUJUAN ………………………………………………. ii LEMBAR PENGESAHAN ……………………………………………….. iii LEMBAR PERNYATAAN ……………………………………………….. iv LEMBAR PERSEMBAHAN ……………………………………………... v KATA PENGANTAR …………………………………………………….. vi ABSTRAK ………………………………………………………………… viii DAFTAR ISI ………………………………………………………………. ix DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………… xii DAFTAR TABEL …………………………………………………………. xv DAFTAR GRAFIK ………………………………………………………... xvii DAFTAR SIMBOL ………………………………………………………... xviii DAFTAR KARAKTER …………………………………………………… xx DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………………. xxi BAB I PENDAHULUAN ………………………………………………..
1
1.1 Latar Belakang Masalah ……………………………………. 1 1.2 Tujuan Penulisan ……………………………………………
4
1.3 Rumusan Masalah ……………………………………….....
4
1.4 Batasan Masalah …………………………………………… 5 1.5 Manfaat Penelitian …………………………………………
5
1.6 Sistematika Penulisan ……………………………………… 6 BAB II LANDASAN TEORI ……………………………………………
7
2.1 Pengenalan Turbin angin …………………………………… 7 2.2 Jenis Desain Turbin Angin ………………………………….. 9 2.3 Airfoil Blade ………………………………………………...
12
2.4 Bahan Dan Konsep Jumlah Blade …………………………... 14 2.4.1 Bahan Blade ……………………………………….... 14 2.4.2 Konsep Jumlah Blade ……………………………...... 15 ix
2.5 Fungsi Dan Komponen Utama Pada Turbin Angin ………… 16 2.6 Vortex System Dibelakang Turbin Angin …………………..
19
2.7 Teori Momentum …………………………………………… 22 2.8 Teori Momentum Element Bilah …………………………… 29 2.8 Lift , Drag dan Koefisien Momen Airfoil ………………….. 34 2.9 Pengenalan CFD Dan Aplikasinya ………………………… 38 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ………………………………..
41
3.1 Tinjuan Umum Airfoil Uji ………………………………….. 41 3.2 Teknik Pengumpulan Data ………………………………….. 42 3.3 Proses Analisa simulasi ……………………………………... 43 3.4 Proses Perhitungan ………………………………………….. 44 3.5 Format Penelitian ……………………………………………. 45 3.6 Analisa Perhitungan Awal …………………………………... 47 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN ……………………………...
50
4.1 Pemodelan Pada Gambit ……………………………………. 50 4.2 Simulasi Pada Fluent ………………………………………... 56 4.3 Contour pada Fluent…………………………………………. 66 4.4 Data Hasil Simulasi Pada Software Fluent ………………….. 67 4.5 Perhitungan Sistem Persamaan Coefficient Lift Dan Drag …. 74 4.5.1 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S833 ……… 75 4.5.2 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S834 ……… 78 4.5.3 Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S835 ……… 80 4.6 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin ……… 84 4.6.1 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S833 ………………………………………………… 86 4.6.2 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S834 ………………………………………… 95
x
4.6.3 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S835 ………………………………………… 100 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………….
106
5.1 Kesimpulan …………………………………………………. 106 5.2 Saran ………………………………………………………... 106 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………… 107 LAMPIRAN
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1
Turbin angin sumbu vertikal (TASV) ……………………… 3
Gambar 1.2
Turbin angin sumbu horisontal (TASH) …………………… 3
Gambar 2.1
Skema terjadinya angin pasat ……………………………… 7
Gambar 2.2
Turbin angin sumbu horizontal ……………………………. 8
Gambar 2.3
TASH (Turbin angin sumbu horisontal) …………………… 9
Gambar 2.4
Macam tipe TASH ………………………………………… 10
Gambar 2.5
TASV (Turbin angin sumbu vertikal) ……………………... 11
Gambar 2.6
Airfoil ……………………………………………………… 12
Gambar 2.7
Skema terjadinya lift ………………………………………. 13
Gambar 2.8
Komponen Pada Turbin Angin ……………………………. 17
Gambar 2.9
Generator …………………………………………………... 18
Gambar 2.10
Skema vortex system dibelakang turbin angin ……………. 19
Gambar 2.11 Rotor turbin angin dengan radius R ……………………….. 20 Gambar 2.12
Pemotongan radial pada rotor turbin angin ………………. 20
Gambar 2.13 Vortex system dibelakang turbin angin pada CFD ………… 21 Gambar 2.14 Diagram kecepatan dan tekanan udara ketika melintasi rotor 23 Gambar 2.15 Volume atur pada rotor ……………………………………. 24 Gambar 2.16 Volume atur pada rotor ……………………………………. 26 Gambar 2.17 Volume atur pada rotor ……………………………………. 29 Gambar 2.18 Diagram kecepatan pada rotor …………………………….. 30 Gambar 2.19 Diagram kecepatan pada bidang rotor …………………….. 31 Gambar 2.20 Variasi koefisient gaya angkat terhadap sudut serang (α) … 34 Gambar 2.21 Definisi lift dan drag ………………………………………. 35 Gambar 2.22 Contoh tampilan hasil simulasi pada CFD ………………… 38 Gambar 3.1
Airfoil NREL S833 ………………………………………… 41
Gambar 3.2
Airfoil NREL S834 ………………………………………… 41
Gambar 3.3
Airfoil NREL S835 ………………………………………... 41
Gambar 3.4
Diagram alir prosedur simulasi ……………………………. 43
Gambar 3.5
Diagram alir teori momentum elemen bilah ………………. 44 xii
Gambar 4.1
Gambit startup …………………………………………….. 50
Gambar 4.2
Titik koordinat airfoil ……………………………………... 50
Gambar 4.3
Garis pada airfoil ………………………………………….. 51
Gambar 4.4
Gambit garis topologi ……………………………………... 52
Gambar 4.5
Gambit bidang topologi …………………………………… 53
Gambar 4.6
Gambit mesh garis …………………………………………. 54
Gambar 4.7
Gambit mesh bidang ……………………………………….. 55
Gambar 4.8
Tipe kondisi batas ………………………………………….. 56
Gambar 4.9
Eksport mesh file …………………………………………… 56
Gambar 4.10 Pemilihan jenis versi Fluent ……………………………….. 57 Gambar 4.11 Check data …………………………………………………. 57 Gambar 4.12 Parameter untuk mendefinisikan model …………………… 58 Gambar 4.13 Mengaktifkan persamaan energy ………………………….. 58 Gambar 4.14 Mengaktifkan model turbulen Spalart-Allmaras ………….. 59 Gambar 4.15 Mendefinisikan material …………………………………… 60 Gambar 4.16 Mendefinisikan kondisi operasi …………………………… 60 Gambar 4.17 Mendefinisikan kondisi batas ……………………………... 61 Gambar 4.18 Mendefinisikan parameter solutions……………………….. 61 Gambar 4.19 Menginisiasi perhitungan ………………………………….. 62 Gambar 4.20 Mengaktifkan residual plotting ……………………………. 62 Gambar 4.21 Mengaktifkan grafik koefisien lift dan koefisein drag ……. 63 Gambar 4.22 Memasukkan nilai reference ………………………………….. 64 Gambar 4.23 Menentukan jumlah iterasi ………………………………… 64 Gambar 4.24 Melihat hasil iterasi dalam bentuk contour ………………... 65 Gambar 4.25 Mencetak hasil Cl dan Cd …………………………………..
65
Gambar 4.26 Contur kecepatan airfoil NREL S833 dengan sudut serang 0° 66 Gambar 4.27 Contur tekanan airfoil NREL S833 dengan sudut serang 0° . 66 Gambar 4.28 Airfoil NREL S833 ………………………………………… 67 Gambar 4.29 Airfoil NREL S834 ………………………………………… 69 Gambar 4.30
Airfoil NREL S835 ………………………………………... 72
Gambar 4.31 Countour kecepatan wind turbin pada CFD ……………….. 84
xiii
Gambar 4.32 Ilustrasi pembagian segmen pada blade …………………… 84 Gambar 4.33 Tampilan software wind turbine blade calculator ………… 86
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Format penelitian untuk model variasi blade 1 ………………. 45
Tabel 3.2
Format penelitian untuk model variasi blade 2 ………………. 46
Tabel 3.3
Format penelitian untuk model variasi blade 3 ………………. 46
Table 4.1
Tabel garis topologi ………………………………………….. 51
Tabel 4.2
Hasil pengujian Cl dan Cd airfoil NREL S833 ………………. 67
Tabel 4.3
Hasil pengujian Cl dan Cd airfoil NREL S834 ………………. 70
Tabel 4.4
Hasil pengujian Cl dan Cd airfoil NREL S835 ………………. 72
Tabel 4.5
Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S833... 76
Table 4.6
Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S833.. 77
Table 4.7
Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S834.. 78
Tabel 4.8
Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S834.. 79
Tabel 4.9
Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cl NREL S835.. 81
Tabel 4.10 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk Cd NREL S835.. 82 Tabel 4.11 Hasil perhitungan pada software blade calculator …………... 85 Tabel 4.12 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor 1 …………………………………………. 91 Tabel 4.13 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor 2 …………………………………………. 92 Tabel 4.14 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor 3 …………………………………………. 93 Tabel 4.15 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi design blade rotor 1 …………………………………………. 95 Tabel 4.16 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi design blade rotor 2 …………………………………………. 96 Tabel 4.17 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi desain blade rotor 3 ………………………………………… 98 Tabel 4.18 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi desain blade rotor 1 …………………………………………. 100
xv
Tabel 4.19 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi desain blade rotor 2………………………………………….. 101 Tabel 4.20 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi design blade rotor 3………………………………………….. 102 Tabel 4.21 Perbandingan nilai daya rotor dan thrust yang dihasilkan untuk tiap variasi design blade rotor ………………………... 104
xvi
DAFTAR GRAFIK
Grafik 2.1
Hubungan CT dan CP terhadap reduksi axial (a) untuk turbin angin sumbu horizontal ideal ………………………………... 28
Grafik 4.1
Cl vs α airfoil NREL S833 ………………………………….. 68
Grafik 4.2
Cd vs α airfoil NREL S833 ………………………………….. 68
Grafik 4.3
Cl vs Cd airfoil NREL S833 …………………………………. 68
Grafik 4.4
Cl vs α airfoil NREL S834 …………………………………... 70
Grafik 4.5
Cd vs α airfoil NREL S834 …………………………………... 71
Grafik 4.6
Cl vs Cd airfoil NREL S834 …………………………………. 71
Grafik 4.7
Cl vs α airfoil NREL S835 ………………………………….. 73
Grafik 4.8
Cd vs α airfoil NREL S835 …………………………………. 73
Grafik 4.9
Cl vs Cd airfoil NREL S835 …………………………………. 74
Grafik 4.10 Hubungan CT dan CP terhadap reduksi axial (a) untuk turbin angin sumbu horizontal yang ideal ………………………….. 89
xvii
DAFTAR SIMBOL
A
Area rotor
aAB
Transformasi matrix dari sistem A ke B
a
faktor reduksi aksial, radius tower
a’
Faktor reduksi tangensial
B
Jumlah dari blade
Cp
Coefficient power
CT
Coefficient thrust
Cl
Coefficient lift
Cd
Coefficient drag
Cm
Moment coefficient
Cn
Coefficient beban normal
Ct
Coefficient beban tangential
Cθ
Azimuthal component of axial velocity
c
Chord
D
Diameter rotor, drag
dA
Normal vector to area
E
Modulus of elasticity
ES
Moment of stiffness
F
Force (vector)
f
External body force (vector)
f
Force, probability, frequency
H
Tinggi menara, form factor
hw
Weibull distribution
I
Moment of inertia, turbulence intensity
K
Stiffness matrix
k
Form factor
L
Lift,
l
Skala panjang
xviii
M
Torque, aerodynamic moment
Ma
Mach number
݉ሶ
Aliran massa
m
Mass per length
n
Rotational speed of shaft
P
Momentum (vector)
P
Power
P
Pressure, load
PN
Load normal to rotor plane
PT
Load tangential to rotor plane
Re
Reynolds number
R
Rotor radius, resistance
r
Radius (vector)
r
Radius
T
Thrust, total time
U
Boundary layer edge velocity
u
x-component of velocity vector, axial velocity at rotor plane, deflection
u1
Velocity in wake
Vb
Blade velocity (vector)
Vo
Wind speed
V∞
Velocity at infinity
Vrel
Relative velocity to aerofoil
Vθ
Tangential velocity component
V2
Velocity in rotor plane for a shrouded rotor
v
y-component of velocity vector
w
Induced velocity
x
Local tip speed ratio
xix
DAFTAR KARAKTER
α
angle of attack
β
twist of blade
∆t
Time increment
δ
Boundary layer thickness
δ*
Displacement thickness
ε
Augmentation factor, strain
θ
Momentum thickness, local pitch
θp
Pitch angle
θo
Azimuthal position where blade is deepest into the wake
θwing
Azimuthal position of blade
θyaw
Yaw angle
κ
Curvature about the principal axis
λ
Tip speed ratio
µ
Dynamic viscosity
ν
Kinematic viscosity, wind shear exponent
ρ
Density
σ
Solidity, stress, standard deviation
σr
Stress range
σm
Mean stress
τ
Shear stress, time constant
φ
Flow angle
χ
Wake skew angle
ω
Angular velocity of rotor, eigenfrequency
ωn
Frequency in discrete Fourier transformation
xx
DAFTAR LAMPIRAN
1. Contour hasil simulasi pada software fluent………………………… 108 2. Titik koordinat airfol NREL S833………………………………….. 113 3. Titik koordinat airfoil NREL S834………………………………… 114 4. Titik koordinat airfoil NREL S835………………………………… 115 5. Tabel skala beauford……………………………………………….. 116 6. Hasil perhitungan airfoil NREL……………………………………. 117
xxi
