analisis kinerja turbin savonius tipe l 2 tingkat

Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No.2 Agustus 2015 63

ANALISIS KINERJA TURBIN SAVONIUS TIPE L 2 TINGKAT MENGGUNAKAN

SOFTWARE CFD

I Gede Eka Lesmana, Tanto Agus Priyono

Jurusan Teknik Mesin Peminatan Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila

Jl. Srengseng Sawah Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640 - Indonesia

Telp: (021) 78880305, 7270086, Fax: (021) 7864721, 7271868

Email: [email protected], Website: www.univpancasila.ac.id

ABSTRAK

Turbin Savonius merupakan turbin sumbu vertikal yang dapat beroperasi dengan baik pada kecepatan

angin rendah. Secara umum kinerja turbin dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah bentuk dari

sudu.

Penelitian ini dilakukan dengan memodifikasi rotor Savonius L 2 tingkat dengan variasi sudut

kelengkungan turbin sebanyak 5 variasi sudut, yaitu masing-masing sebesar 200, 300, 450, 600, 900 dan 5 variasi

kecepatan angin yaitu 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh dari

variasi sudut kelengkungan terhadap putaran turbin pada setiap variasi kecepatan angin.

Dari grafik hubungan putaran turbin terhadap kecepatan angin, diketahui bahwa putaran turbin akan naik

sejalan dengan pengurangan sudut kelengkungan dan penambahan kecepatan angin. Turbin yang memiliki

putaran paling besar adalah turbin dengan sudut kelengkungan 300 dan putaran paling kecil terdapat pada turbin

dengan sudut kelengkungan yang paling besar, yaitu pada sudut 900 .

Kata kunci: turbin angin sumbu vertikal, rotor Savonius L, kecepatan angin

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Di abad ini energi menjadi salah satu

bagian terpenting dalam kehidupan manusia karena

perkembangan teknologi yang begitu cepat

membutuhkan energi yang besar untuk mendukung

usaha tersebut. Namun demikian dengan semakin

menipisnya jumlah energi fosil yang menjadi

tulang punggung utama sumber energi, selain

semakin menipis keberadaanya, juga berdampak

kurang baik bagi lingkungan yang disebabkan oleh

gas buang hasil penggunaan energi fosil tersebut,

oleh karena itu dibutuhkan alternatif sumber energi

selain energi fosil untuk menggantikan energi fosil

tersebut di masa yang akan datang, yaitu suatu

sumber energi yang bersih, ramah lingkungan dan

juga berbiaya rendah. Salah satu pemanfaatan

energi terbarukan yang saat ini memiliki potensi

besar untuk dikembangkan adalah energi angin.

Energi ini merupakan energi yang bersih dan dalam

proses produksinya tidak mencemari lingkungan.

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.[1]

Pemanfaatan energi angin di Indonesia dewasa

ini diarahkan untuk listrik pedesaan, dan

berkontribusi sebagai energi altematif di masa

mendatang. Informasi kecepatan angin

menunjukkan bahwa penggunaan turbin angin kecil

adalah potensial, sementara penggunaan turbin

angin besar juga dimungkinkan. Dengan terus

berkembangnya teknologi energi angin dan

meningkatnya kebutuhan energi, sistem energi

angin akan semakin berdaya saing.[2]

Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan

Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi

menunjukan beberapa wilayah memiliki kecepatan

angin diatas 5 m/s, masing-masing , Nusa Tenggara

Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi selatan, dan

Pantai Selata Jawa.[3]

Turbin yang sesuai untuk kecepatan angin

rendah adalah turbin angin sumbu vertikal. Turbin

ini memiliki torsi awal yang besar pada kecepatan

angin rendah. Secara sederhana pembuatan

prototipe dapat dilakukan dengan membelah

sebuah kaleng menjadi dua kemudian

menggesernya, turbin seperti ini disebut juga

dengan rotor Savonius tipe U. Turbin Savonius

termasuk turbin tipe sumbu tegak (vertical axis)

yang rotornya dapat berputar untuk semua arah

angin.

Sejak ditemukan oleh Sigurt J. Savonius pada

tahun 1922 hingga saat ini, turbin Savonius banyak

mengalami pengembangan desain, dari mulai

bentuk sudu sampai dengan penambahan level atau

tingkat sudu dan bentuk twist dari sudu rotornya.

Adapun permasalahan pada penelitian ini adalah

mailto:[email protected]

http://www.univpancasila.ac.id/

64 Jurnal Mekanika Teknik Mesin S-1 FTUP Vol. 13 No. 2 Agustus 2015

apakah ada pengaruh dari sudut kelengkungan pada

sudu terhadap putaran turbin savonius yang akan

berpengaruh kepada daya yang dihasilkanya,

berdasarkan latar belakang di atas, maka dilakukan

pengembangan desain pada Savonius tipe L Dua

tingkat dengan melakukan modifikasi pada rotor

Savonius tipe L. Modifikasi menggunakan airfoil

type NACA 0012 dengan memvariasi sudut

kelengkungan dengan 5 variasi sudut, yaitu 20o,

30o, 45o, 60o, 90o, dengan panjang busur profil

lengkung sebesar r tetap, dan dengan Jumlah sudu

yang digunakan adalah sebanyak dua buah dan dua

tingkat, Penelitian dilakukan dengan lima variasi

kecepatan angin yang berbeda yaitu 1m/s, 2m/s,

3m/s, 4m/s, 5m/s, . Dan akan disimulasi software

CFD 10.1.

B. Tujuan

1.mengetahui pengaruh variasi sudut kelengkungan

terhadap putaran turbin.

2.mengetahui pengaruh variasi sudut kelengkung

terhadap daya yang dihasilkan.

3.mengetahui pengaruh penambahan kecepatan

angin terhadap putaran turbin .

4.dapat membuat prototype turbin Savonius tipe L

modifikasi dalam skala lab dari hasil design yang

terbaik.

C. Metode

Metode Perancangan Penelitian ini adalah sebagai

berikut :

1.studi literatur, yaitu mempelajari buku-buku,

jurnal ilmiah, atau referensi yang lainnya yang

dapat menunjang sebagai pelengkap dalam

menganalisis masalah dan perhitungan

2.simulasi dan analisis yaitu melakukan simulasi

dengan software CFD.

D. Batasan Masalah

Adapun batasan-batasan pada Penelitian ini adalah

sebagai berikut :

1.Variasi sudut kelengkungan sudu yang digunakan

sebanyak 5 variasi, masing- masing sebesar

20o,30o,45o,60o,90o.

2.Modifikasi hanya sampai 2 tingkat.

3.Massa, Material dan rugi-rugi akibat gesekan

tidak dihitung dalam perhitungan.

4.Kecepatan angin dianggap konstan dan laminar,

berasal dari satu arah, yaitu dari depan turbin

angin. Dengan keepatan 1m/s, 2m/s, 3 m/s, 4m/s,

5 m/s.

II. LANDASAN TEORI

A. ENERGI ANGIN

Angin merupakan udara yang bergerak

disebabkan adanya perbedaan tekanan. Udara akan

mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah

bertekanan lebih rendah. Perbedaan tekanan udara

dipengaruhi oleh sinar matahari. Daerah yang

banyak terkena paparan sinar matahari akan

memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada

daerah yang sedikit terkena paparan sinar matahari.

Menurut hukum gas ideal, temperatur berbanding

terbalik dengan tekanan, dimana temperatur yang

tinggi akan memiliki tekanan yang rendah, dan

sebaliknya.

1. Kelas-kelas kecepatan angin

Tabel 1

Potensi Angin Berdasarkan Kecepatanya.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 >32,6 >118

24,5-28,4 88-102,3

28,5-32,6 102,4-117

17,2-20,7 61,6-74,5

20,8-24-4 74,6-87,9

10,8-13,8 38,6-49,7

13,9-17,1 49,8-61,5

5,5-7,9 19,6-28,5

8-10,7 28,6-38,5

1,6-3,3 55-11,9

3,4-5,4 12-19,5

0,3-1,5 1-5,4

KELAS ANGINKECEPATAN ANGIN

m/s km/h

Tabel 2

Kecepatan Angin Di Jalan Tol Cipularang.[5]

2. Tenaga Total

Udara yang memiliki massa m dan

kecepatan v akan menghasilkan energi kinetik

sebesar.[6]

E = 1/2 mv2 ............................(1)

Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu

dengan kerapatan ρ, yaitu.[6] :

m = ρV = ρAv ........................(2)

Sehingga energi kinetik angin yang berhembus

dalam satuan waktu (daya angin) adalah.[6]:

P=1/2 (ρAv)(v2) ........................(3)

dimana: P = Daya Angin (Watt)

A= Luas penampang Turbin (m2)

ρ = Densitas Udara (1.225 kg/m3).

v = kecepatan Udara (m/s)

V= Debit (m3/s)


M= Massa (kg)

3. Tip Speed Ratio (TSR)

Tip Speed Ratio (TSR) merupakan

perbandingan antara kecepatan putar turbin

terhadap kecepatan angin. (TSR) dirumuskan

sebagai berikut.[6]:

λ = (Ω R)/v_w ..........................(4)

dimana: λ = Tip speed ratio

Ω = Kecepatan sudut Turbin (rad/s)

R = Jari-jari Turbin (m)

Vw = kecepatan angin (m/s)

4. Torsi

Torsi bisa disebut juga momen atau gaya yang

menyatakan benda berputar pada suatu sumbu,

atau torsi juga bisa didefinisikan ukuran

keefektifan gaya tersebut dalam menghasilkan

putaran atau rotasi mengelilingi sumbu tersebut.

Torsi pada turbin bisa dirumuskan sebagai berikut

[6]:

Q = P/Ω = P/(π.D.N)............................(5)

dimana:

P = Daya (watt)

Q = Torsi (Nm)

Ω = Kecepatan sudut (rad/s)

D = diameter (m)

N = Putaran (det-1)

5. Teori Momentum Elementer Betz.

Gambar 1. Faktor daya sebagai fungsi TSR

berbagai jenis turbin.[7]

Cp maksimum diperoleh apabila v2/v1 = 1/3

yang menghasilkan nilai sebesar 0,593. Ini

berarti, meski dengan asumsi ideal, dimana aliran

dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran

dihitung dengan 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 menjadi daya mekanik.

Angka ini kemudian disebut faktor Betz. Angka

inilah yang dijadikan parameter atau acuan untuk

mendesain suatu turbin angin.

6. Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin konversi energi

dengan sudu berputar yang mengkonversikan

energi kinetik angin menjadi energi mekanik.

Energi mekanik digunakan langsung sebagai

penggerak seperti pompa atau grinding stones,

maka dalam hal ini (turbin) disebut windmill.

Ekstraksi potensi angin pada mulanya digunakan

untuk menggerakkan kapal dengan tenaga angin,

dan grinding stone. Kini turbin angin lebih

banyak digunakan untuk menyuplai kebutuhan

listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip

konversi energi dan memanfaatkan sumber daya

alam yang dapat diperbaharui yaitu angin.

Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Komponen turbin angin.[10]

Keterangan Gambar :

Arah angin pada HAWT type up wind

1.Diameter rotor

2.Hub Height

3.Rotor blade

4.Gear box

5.Generator

6.Necelle

7.Tower HAWT

8.Arah angin HAWT

9.Tinggi rotor

10.Tower VAWT

11.Equator height

12.Fixed pitch rotor blade

III. METODE ANALISA

A. Metode Analisa

Metode yang digunakan dalam penelitian

ini adalah metode simulasi, Kegiatan yang akan

dilakukan adalah merancang turbin savonius type L

dengan lima variasi sudut kelengkungan sudunya

yaitu: 20o, 30o, 45o, 60o,90o, dan lima variasi

kecepatan angin 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s,

dengan dua buah sudu, dua tingkat. Pengambilan


data dalam penelitian ini dengan perhitungan dan

mensimulasikan design blade kedalam software

CDF dan akan di ketahui Putaranya dalam rpm,

sehingga didapatkan hasil sudut terbaik yang akan

dijadikan model prototype skala lab.

B. Alat dan Bahan Moke Up.

1. Plat Alumunium tipis

2. Lem

3. Gunting

4. Anemometer

5. Cutter

6. Kawat email & Magnet.

7. Kipas angin/Blower.

8. Bearing

9. Kayu kotak

10. Selotip

11. Multimeter.

C. Tempat dan Waktu Penelitian

Lab Teknik Mesin Universitas Pancasil

D. Urutan Proses Analisis

Gambar 3. Diagram alir penelitian

1. Perancangan Turbin

Hal yang akan dilakukan pertama kali

adalah merancang Turbin, turbin ini adalah

kombinasi antara antara profil datar dan

lengkungan, dikarenakan dalam merancang turbin

harus ditentukan jenis bladenya , maka hal yang

pertama dalam merancang turbin adalah

menentukan jenis dari blade yang akan dipakai,

blade yang akan dipakai adalah jenis NACA 0012,

jenis NACA ini sudah digunakan oleh peneliti lain

dalam mendesain turbin VAWT terutama tipe

darius, modifikasi akan dilakukan pada bagian

kelengkungan dari Blade nya.lalu dihitung

mengunakan rumus rumus yang sesuai dengan

literatur yang mendukung untuk mendapatkan hasil

yang baik.

Spesifikasi rancangan Turbin savonius modifikasi

yang akan dihitung adalah sebagai berikut:.

Gambar 4. Sketsa modifikasi rotor turbin

Gambar 5. Bentuk rotor Savonius 2 tingkat


Gambar 6. Jenis modifikasi sudut sudu

Tabel 3.

Spesifikasi Rotor Turbin Savonius Tipe L

Modifikasi

1 20 0,1595 0,32 0,75

2 20 0,1595 0,32 0,75

3 20 0,1595 0,32 0,75

4 20 0,1595 0,32 0,75

5 20 0,1595 0,32 0,75

1 30 0,1573 0,32 0,75

2 30 0,1573 0,32 0,75

3 30 0,1573 0,32 0,75

4 30 0,1573 0,32 0,75

5 30 0,1573 0,32 0,75

1 45 0,1514 0,32 0,75

2 45 0,1514 0,32 0,75

3 45 0,1514 0,32 0,75

4 45 0,1514 0,32 0,75

5 45 0,1514 0,32 0,75

1 60 0,1436 0,32 0,75

2 60 0,1436 0,32 0,75

3 60 0,1436 0,32 0,75

4 60 0,1436 0,32 0,75

5 60 0,1436 0,32 0,75

1 90 0,1134 0,32 0,75

2 90 0,1134 0,32 0,75

3 90 0,1134 0,32 0,75

4 90 0,1134 0,32 0,75

5 90 0,1134 0,32 0,75

Vw(m/s) Sudut(o) r (m)

Diameter

penutup

(m)

Tinggi(m)

Tipe 3

Tipe 4

Tipe 5

Rotor

Tipe 1

Tipe 2

2.Simulasi Menggunakan Software CFD

Di sini data perhitungan akan di ujikan dengan

software CFD untuk melihat kedekatan

perhitungan dengan prototype yang akan dibuat,

yaitu dengan menggambar turbin savonus

modifikasi dengan program pro-enginering sesuai

dengan ukuran ukuran yang telah ditentukan lalu

dimasukan dalam software CFD 10.1 yang akan

disimulasikan dengan kecepatan angin yang

berbeda yaitu 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s, dan

akan diambil data outputnya berupa kecepatan

sudutnya (Rpm).

3.Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan dengan

mengambil dari hasil perhitungan manual yang

akan dibandingkan dengan hasil dari simulasi dari

software CFD, dengan kecepatan angin yang

berbeda yaitu: 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s, 5m/s,

pengambilan data ini juga akan mengukur dari

prototype terbaik yang akan dibuat, agar diketahui

kedekatan data secara teori dengan aktual.

4.Analisis

Dari pengambilan data diperoleh

hubungan antara putaran turbin (rpm) terhadap

kecepatan angin dari masing-masing variasi sudut

turbin. Dari data yang diperoleh maka selanjutnya

data dianalisis dengan acuan teori yang ada.

5.Pembuatan Moke-Up

Setelah melakukan analisis, dan

mendapatkan data-data, maka akan didapatkan satu

data yang paling baik, dan akan dibuat Moke up

nya.

Turbin yang akan dibuat mengunakan bahan

alumunium tipis, karena alumunium mudah untuk

dibentuk.dan akan dirakit sedemikian rupa agar

sesui dengan bentuk yang diinginkan.

IV.HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk menentukan turbin terbaik, maka harus

dihitung secara manual, untuk mengetahui nilai

nilai yang terbaik dan sudut yang terbaik, pada

perhitungan ini maka hanya akan dihitug satu kali

menggunakan manual dan akan dilanjutkan dengan

tabulasi exel agar diketahui nilai nilai secara

langsung, maka perhitunganya sebagai berikut:

1. Diketahui suatu data untuk mendesain sebuah

turbin savonois 2 tingkat.

a.Variable bebas

1). kecepaan udara: Vw = 1m/s,2m/s, 3m/s,4m/s,

5m/s.

2).Sudut sudu blade (a) = 200,300, 450, 600,

900.

b.Variable Tetap

1). Ukuran panjang blade NACA 16 cm dan tebal

nya 1,92cm

2). Cp max= 0,2.(Berdasarkan Faktor Betz untuk

turbin savonius 0,15-0,2. )

3). Tinggi satu tingkat = 0,375m, jadi 2x 0,375=

0,75m karena 2 tingkat.

4). Diameter Penutup Turbin = 32 cm ,Tinggi

75cm[7]

5). (aliran udara dianggap laminar).

6). Massa jenis udara= 1,225 (kg/m3)

Tabel 4.

Hasil Perhitungan Untuk Putaran Turbin


Tabel 5.

Hasil Perhitungan Daya & Torsi

Gambar 7. Pengaruh sudut terhadap putaran

turbin

Gambar 8. Pengaruh sudut terhadap daya

Gambar 9. Pengaruh sudut terhadap torsi

B.SIMULASI CFD.

Hal yang harus dilakukan adalah mengambar

model sesuai ukuran yang telah di tentukan,

setelah itu masukan paremeter dan hasilnya

sebagai berikut:

Gambar 10. Proses simulasi CFD


Gambar 11. Savonius dalam simulasi

Dilihat gambar di atas, turbin dimasukan kedalam

sebuah box agar hembusan angin dapat diterima

secara sempurna, berdasarkan pengujian simulasi

CFD dengan lama iterasi 300 iterasi seperti di atas

maka didapatkan hasil kecepatan dari turbin

sebagai berikut:

Tabel 6. Nilai Hasil Simulasi Cfd 300 Iterasi

Gambar 12. Pengaruh Sudut terhadap putaran

dengan simulasi CFD.

Gambar 13. Pengaruh Sudut terhadap Top Speed

Rasio dengan simulasi CFD

Gambar 14. Pengaruh sudut terhadap Torsi

dengan simulasi CFD

Gambar 15. Pengaruh Sudut terhadap Daya

dengan simulasi CFD


C. PEMBUATAN MOKE-UP

Gambar 16. Moke-Up Turbin savonius 2 Tingkat

dengan sudut 30 derajat

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. KESIMPULAN

Berdasarkan penelitian yang telah

dilakukan, maka dapat disimpulkan:

1.Sudut 30 derajat adalah sudut yang paling baik .

2.Semakin melengkung sudut ke arah sudut

terkecil maka kecepatanya semakin besar, namun

maximal hanya sampai 30 derajat. Karena pada

sudut 20 derajat kecepatanya kembali berkurang.

3.Semakin besar sudutnya maka daya dan

torsinya akan semakin berkurang.

4.Nilai TSR Maksimal adalah 0.6 pada turbin

sudut 30 derajat, dan terendah pada turbin

bersudut 90 derajat dengan nilai 0,09.

5.Kecepatan turbin bertambah sebanding dengan

bertambahnya kecepatan angin.

B.SARAN

1.Untuk penelitian selanjutnya diharapkan dengan

ukuran yang lebih besar, agar dapat diketahui

pengaruhnya.

2.Diharapkan agar penelitian selanjutnya agar

diteliti pengaruh dari jarak overlaping sudunya

3.Diharapkan agar menggunakan material yang

lebih ringan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Daryanto, Y., 2007. Kajian Potensi Angin

Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Balai

PPTAGG - UPT-LAGG.

2. Syahrul., 2008. Prospek Pemanfaatan Energi

Angin Sebagai Energi Alternatif di Daerah

Pedesaan, Vol. 3, No.2.

3. Pujanarsa, Astu & Djati Nursuhud, Mesin

Konversi Energi, Edisi ke 3, penerbit andi,

Yogyakarta.

4. Sukandarrumidi, Herry Zadrak Kotta, Djoko

Wintolo, Energi Terbarukan, Gajah Mada

University Press.

5. Soelaiman,F., Tandian, Nathanael P., dan

Rosidin, N., 2006. Perancangan, Pembuatan dan

Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor

Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan

Tol; Bandung. ITB.

6. Lysen.E.H, Introduction To Wind Energy, 2nd

Edition, may 1983.

7. Mohamed,Hassan Ahmed Mohamed. 2011.

Design Optimization of Savonius and Wells

Turbines, Otto-von-Guericke-Universita¨t

Magdeburg.

8. Dutta,Animesh. 2006. Basics of Wind

Technology. Asian Institute of Technology

Thailand. 6 Juli 2006.

9. Marizka Lustia,2010, Analisis Kinerja Turin

Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor

Savonius Type L Untuk Optimasi kinerja Turbin,

Tugas sarjana, Surakarta:UNS.

10. Paul Gipe, wind-works.org, Wind Technology

Historical Drive Trains Conversion Devices

Configurations (HAWT, VAWT) Rotor Design.

11. El wakil M M, Powerplant Technology. Mc

Graw Hill International, 1985

12. T.Letcher, Small Scale Wind Turbines

Optimized for Low Wind Speeds, The Ohio State

University, Columbus, OH.

13. Peter J. Schubel and Richard J. Crossley,

Wind Turbine Blade Design , Faculty of

Engineering, Division of Materials, Mechanics

and Structures, University of Nottingham,

University Park, Nottingham NG7 2RD, UK.

14. http://www.accessscience.com, Air Foil

NACA.

analisis kinerja turbin savonius tipe l 2 tingkat

Documents