pengujian numerikal sudu turbin angin savonius tipe u

Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2019

ISSN (Cetak) 2527-6042

eISSN (Online) 2527-6050

I-112 SENTRA 2019

PENGUJIAN NUMERIKAL SUDU TURBIN ANGIN SAVONIUS

TIPE U UNTUK IMPLEMENTASI DI PANTAI UTARA

INDRAMAYU

Delffika Canra1, Meri Rahmi

2, Suliono

3

1,2,3 Politeknik Negeri Indramayu, Indramayu

Kontak Person: Delffika Canra

Jalan Lohbener Lama No.8 Indramayu, Jawa Barat E-mail: [email protected]

Abstrak Pemanfaatan potensi angin di pantai utara Jawa secara umum dan Indramayu khususnya, telah banyak digunakan oleh petani garam untuk memompa air laut kedalam tambak-tambak garam. Sedangkan untuk membangkit energi listrik belum ada di pantai utara Indramayu. Untuk membangkit listrik diperlukan jenis turbin angin sumbu vertikal yang mampu berputar pada kecepatan angin rendah. Kelebihan turbin angin sumbu vertikal dapat menghasilkan torsi yang relatif tinggi dibandingkan

dengan turbin angin sumbu horizontal pada kecepatan angin rendah.Turbin Angin Savonius Tipe-U merupakan salah satu turbin angin yang sering digunakan karena mudah dalam fabrikasi. Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian sebelumnya tentang pengaruh kelengkungan sudu. Penelitian sebelumnya membuktikan kelengkungan sudu radius 75 mm dengan Aspek rasio 1 : 4 adalah kelengkungan terbaik dalam penyerapan daya angin. Penelitian ini bertujuan mencari nilai torsi maksimal yang dihasilkan sudu beradius 2 x 75 mm dengan metoda pengujian numerikal menggunakan 2 software yang berbeda. Geometri rotor turbin diperbesar 2 kali dimaksudkan untuk bisa diimplementasikan di pantai utara Indramayu. Rotor dimodifikasi dengan meletakkkan poros ditengah-tengah rotor yang bertujuan supaya konstruksinya rigid, sehingga menghilangkan celah Overlap. Dari hasil simulasi 2 software didapatkan nilai torsi yang rendah dan kemungkingan tidak dapat membangkitkan energi listrik yang dibutuhkan di tambak-tambak petani pantai utara Indramayu. Hal ini kemungkinan

besar adalah karena konstruksi rotor yang menghilangkan celah Overlap. Kata kunci: Turbin Angin, Savonius tipe U, Torsi.

1. Pendahuluan

Pemanfaatan potensi angin di pantai utara Jawa secara umum dan Indramanyu khususnya, telah banyak digunakan oleh petani garam untuk memompa air laut kedalam tambak-tambak garam.

Sedangkan untuk membangkit listrik belum ada di pantai utara Indramayu. Petani masih mengandalkan

listrik PLN untuk penerangan di tambak-tambak mereka dan tentu saja memerlukan biaya yang tidak sedikit untuk instalasi listrik tersebut. Begitu juga para petani budidaya ikan bandeng yang tersebar di

pantai utara Indramayu. Memanfaatkan potensi angin untuk membangkit listrik diharapkan bisa

membantu para petani ini dalam mengurangi pemakaian listrik dari PLN. Untuk itu diperlukan penelitian

lebih lanjut untuk membangun turbin angin yang efektif untuk daerah pantai utara Indramayu khususnya.

Untuk membangkit listrik diperlukan jenis turbin angin sumbu vertikal yang mampu berputar

pada kecepatan angin rendah. Kelebihan turbin angin sumbu vertikal dapat menghasilkan torsi lebih tinggi dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal pada kecepatan angin rendah[1][2][4].

Turbin Angin Savonius Tipe-U merupakan salah satu turbin angin sumbu vertikal yang sering digunakan

karena mudah dalam fabrikasi. Penelitian sebelumnya tentang kelengkungan sudu rotor turbin yang divariasikan baik itu radius

kelengkungan sudu maupun lebar penampang sudu (Gambar 1), menunjukkan bahwa kelengkungan

radius 75 mm merupakan geometri sudu yang terbaik dalam penyerapan daya angin naik hingga 7,78 %

dibandingkan dengan geometri standar. Sedangkan pada lebar penampang 130 mm naik hingga 19,76 %.[1] Penelitian ini perlu dilajutkan agar dapat bisa diimplementasikan di pantai utara Indramayu.

Sudah banyak metoda yang dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya tentang turbin angin

savonius tipe-U ini yang bertujuan untuk meningkatkan performa atau daya serap angin. Antara lain metoda yang digunakan adalah deflecting plate, multi steps, guide vanes, twisted-blade, guide-box

tunnel, dan overlap[5]. Semua metoda tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing,

hanya saja yang sering digunakan pada saat ini adalah metoda Overlap karena dapat meningkat nilai Cp

hingga 60 % [5]. Ada juga yang menggunakan metoda guide-box tunnel, akan tetapi dimodifikasi

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]




SENTRA 2019 I-113

menjadi circular shield[3]. Metoda ini dapat meningkatkan Cp hingga 30 % , akan tetapi masih terjadi

turbulensi yang besar pada saat angin keluar dari rotor hingga mengurangi torsi. Multi blades masih

banyak yang menggunkan karena self-starting yang baik[4], akan tetapi tidak menghasilkan Cp yang tinggi dibandingkan dengan 2 sudu. Hal ini dipengaruhi dari massa rotor tersebut.

Gambar 1 Desain geometri variasi sudu Penelitian sebelumnya.[1]

Penelitian ini bertujuan untuk mencari nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin angin dengan geometri rotor terbaik pada penelitian sebelumnya. Dan diharapkan bisa diimplementasikan di pantai

utara Indramayu.

2. Metode Penelitian

Banyak metoda penelitian yang bisa dilakukan pada turbin angin savonius tipe-U ini, akan tetapi

saat ini penelitian ini hanya merupakan penelitian lanjutan dimana dengan metoda yang sama dengan

penelitian sebelumnya. Metoda penelitian yang dipakai adalah metoda numerik atau simulasi menggunakan software solidwork dan ANSYS. Bedanya dengan penelitian sebelumnya adalah geometri

rotor diperbesar 2 kali, dimaksudkan rotor tidak dalam skala prototipe lagi. Kemudian variasi kecepatan

angin yang diujikan juga dinaikkan dan disesuaikan dengan kecepatan angin aktual di pantai utara Indramayu.

Gambar 2 Desain ukuran rotor original [1]




I-114 SENTRA 2019

Rator turbin angin didesain (Gambar 3) mengikuti geometri penelitian sebelumnya, akan tetapi

semua ukuran diperbesar 2 kali. Radius sudu didesain sebesar 2 x 75 mm, lebar penampang 200 mm, dan panjang sudu 800 mm. Ditengah-tengah rotor diberi poros supaya rotor tersebut rigid, sehingga

celah Overlap dihilangkan.

Gambar 3 Desain rotor turbin dengan ukuran 2 x prototipe

Gambar 4 Skema simulasi pada solidwork [1]

Rotor diletakkan ditengah box (gambar 4) yang sudah dibuat terlebih dahulu sebagai pembatas aliran angin. Kecepatan angin dimulai dari 3,5 m/s hingga 6 m/s dengan interval 0,5 m/s. Kecepatan

angin ini sudah desesuaikan dengan hasil survey di pantai utara Indramayu.

Dengan menggunakan teori momentum Betz [5] dimana angin kecepatan v1 melewati sebuah sudu turbin angin mengalami perubahan kecepatan v2, sehingga daya turbin yang bekerja dapat

diformulasikan :

𝑃 = 1

4 𝜌𝐴 (𝑣1 + 𝑣2). (𝑣1

2 − 𝑣22) (1)

Koefisien daya atau Coefficient of power (Cp) menentukan performa dari turbin angin tersebut dimana energi angin menentukan besarnya energi kinetik angin yang melalui sudu turbin angin tersebut

dan dapat diformulasikan :

𝑃0 = 1

2𝜌𝐴𝑣1

3 (2)

ROTOR

ANGIN BOX




SENTRA 2019 I-115

Sehingga Koefisien daya turbin dapat diformulasikan :

𝐶𝑝 = 𝑃

𝑃0=

1

4 𝜌𝐴 (𝑣1+ 𝑣2).(𝑣1

2−𝑣22)

1

2𝜌𝐴𝑣1

3 (3)

Sedangkan untuk mendapatkan daya generator untuk membangkit listrik adalah perlunya

mengukur besarnya tegangan (V) dan arus (I) yang dihasikan, dengan menggunakan formula :

Pgen = V.I (4)

Menghitung besar torsi yang terjadi juga tidak kalah pentingnya. Torsi bisa didefinisikan ukuran

keefekrifan gaya tersebut dalam menghasilkan putaran atau rotasi mengelilingi sumbu tersebut.

Besarnya torsi dapat diformulasikan :

𝑇 = 𝑣2𝑟3

𝜆2 (5)

Sedangkan tip ratio speed dihitung dengan formula :

𝜆 = 𝜋 𝐷 𝑛

60 𝑣 (6)

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Simulasi menggunakan Solidwork

Dengan memvariasikan kecepatanan angin, dapat dilihat dari hasil simulasi bahwa ada perbedaan

kecepatan angin masuk dengan kecepatan angin keluar. Perbedaan kecepatan angin akan mempengaruhi daya angin dan daya turbin (Gambar 5). Penurunan kecepatan angin pada v2 rata-rata 9,5%.

Gambar 5 Contoh hasil simulasi SolidWork

Arah Angin Keluar (v2)

Arah Angin Masuk (v1)




I-116 SENTRA 2019

Dari hasil pengolahan data (tabel 1), torsi rotor terus meningkat sering dengan meningkatnya

kecepatan angin. Peningkatan signifikan terjadi mulai dari kecepatan angin 6 m/s.

Tabel 1 Hasil Pengolahan Data Simulasi SolidWork

No v1 v2 T

[m/s] [m/s] [Nm]

1 3.5 3.152 0.051 0.987

2 4.0 3.384 0.067 0.983

3 4.5 4.204 0.085 0.987

4 5.0 4.346 0.104 0.989

5 5.5 5.097 0.125 0.993

6 6.0 5.543 0.148 0.997

7 6.5 6.038 0.174 0.995

Meskipun meningkat tapi nilai torsi ini masih jauh dari harapan, dengan nilai torsi yang dihasilkan dari simulasi diperkirakan belum mampu membangkit energi listrik dengan voltase ataupun daya yang

besar. Berdasarkan data torsi ini, kemungkinan mampu menghasilkan daya listrik 10 – 12 V arus DC.

Kemungkinan bisa diterapkan pada perangkat mikrokontroller berarus lemah.

Dibandingkan dengan hasil simulasi pada penelitian sebelumnya, nilai torsi mengalami penurunan hingga 40 %. Hal ini kemungkinan terjadi karena pada konstruksi rotor pada prototipe

penelitian sebelumnya mempunyai celah overlap untuk laluan angin yang keluar dari rotor, sedangkan

pada rotor ini, celah tersebut didesain tertutup oleh poros rotor. Kemungkinan akan terjadi turbulensi yang besar dan tentunya akan mengurangi daya serap angin. Rotor akan tidak rigid jika tidak ada poros

ditengah-tengah rotor. Sedangkan pada rotor ukuran prototipe tidak menjadi masalah. Selain konstruksi,

kelemahan lainnya adalah material dan massa rotor yang tidak dapat didefinisikan pada software ini.

3.2 Simulasi menggunakan ANSYS

Penggunaan software ANSYS sedikit lebih menantang dan merepotkan untuk melakukan

simulasi. Berbeda dengan software sebelumnya arah angin masuk dan keluar tidak bisa dibuat lurus dengan baik (Gambar 6). Akan tetapi tetap terjadi perubahan kecepatan angin setelah melewati rotor

turbin.

Gambar 6 Contoh hasil simulasi ANSYS

Arah Angin Keluar (v2)

Arah Angin Masuk (v1)




SENTRA 2019 I-117

Dari hasil pengolahan data (tabel 2), nilai torsi rotor sangat rendah dibandingkan dengan software

sebelumnya. Torsi juga mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya kecepatan angin tetapi

tidak signifikan.

Tabel 2 Hasil pengolahan data simulasi ANSYS

No v1 v2 T

[m/s] [m/s] [Nm]

1 3.5 2.750 0.0613 0.9047

2 4.0 3.450 0.0643 10.095

3 4.5 3.730 0.0667 11.151

4 5.0 4.600 0.0685 12.226

5 5.5 4.700 0.0694 13.361

6 6.0 4.950 0.0720 14.310

7 6.5 5.260 0.0732 15.375

Pada software ini menunjukkan nilai torsi turbin sangat rendah, tetapi nilai TRS (Tip Ratio Speed)

malahan meningkat. Fenomena ini menunjukkan rotor bisa berputar hingga putaran tinggi akan tetapi

tidak mempunyai daya untuk menerima beban. Dan kemungkinan rendah sekali untuk menghasilkan listrik.

Dari 2 software yang digunakan menunjukkan nilai torsi masih rendah dan memungkinkan tidak

bisa membagkitkan listrik dengan daya yang besar. Perbedaan 2 software tersebut diperlihatkan pada grafik gambar 7 bahwa software Solidwork menunjukkan nilai torsi bisa meningkat dengan signifikan

seiring dengan kecepatan angin, sedangkan pada ANSYS, peningkatan tidak terlalu signifikan atau relatif

stabil.

Gambar 7 Grafik Perbandingan 2 Software

Penggunaan poros ditengah-tengah rotor yang menghilangkan celah Overlap bisa menjadi

penyebab penurunan nilai torsi tersebut. Karena kemungkinan besar terjadi turbulensi yang besar

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

Tors

i [N

m}

Kecepatan Angin [m/s]

Perbandingan Torsi antara 2 Software

ANSYS SolidWork




I-118 SENTRA 2019

didaerah tersebut. Konstruksi dari rotor turbin sangat mempengaruhi penyerapan daya angin, semakin

besar daya serap angin didapat maka semakin besar torsi yang bisa dihasilkan. Sealin dari jenis material

dan massa rotor, kekakuan (rigid) konstruksi sangat berpengaruh dan tentu saja tidak bisa diabaikan. Aspek rasio 1 : 4 untuk geometri sudu dan perbesaran 2 kali pada geometri rotor membuat

konstruksi tersebut tidak rigid. Hal ini yang menjadi dasar penambahan poros ditengah-tengah rotor,

dan mengabaikan celah Ovelap rotor tersebut. Akan tetapi hasilnya menunjukkan penurunan yang signifikan. Padahal metode penggunaan Overlap sangat banyak digunakan karena sudah terbukti

meningkatkan Cp hingga 60 %[5]. Dan metode Overlap hanya digunakan pada rotor 2 sudu, tidak

digunakan pada multi sudu.

Sebaiknya dicari solusi lainnya untuk memodifikasi konstruksi rotor agar tetap rigid tanpa menghilangkan bagian celah Overlap. Mungkin menambahkan tiang penyangga dikedua sisi samping

rotor yang langsung terhubung di endplate bagian atas dan bawah, dan sedikit memperbesar diameter

poros yang terhubung antara endplate dengan tiang penyangga.

4. Kesimpulan

Dari hasil simulasi 2 software menunjukkan penurunan signifikan dari hasil penelitian

sebelumnya hingga 40 %. Hingga konstruksi rotor ini belum dapat membangkit energi listrik dengan daya yang besar. Menghilangkan nilai Overlap ternyata sangat mempengaruhi dalam penyerapan angin.

Sebaiknya poros ditengah-tangah rotor dihilangkan dan mempertimbangkan metode lainnya dalam

konstruksi rotor agar tetap rigid.

Daftar Notasi

P : Daya turbin (watt)

: Kerapatan udara (1,29 kg/m3)

A : Luas area sapuan (m2) v : Kecepatan angin (m/s)

P0 : Daya angin (watt)

Cp : Koefisien power Pgen : Daya generator listrik (watt)

V : Tegangan listrik (V)

I : Arus listrik (A)

T : Torsi (Nm) r : Lebar penampang sudu (mm)

: Tip Ratio Speed

D : Diameter sudu (endplate) (mm)

n : Putaran sudu (rpm)

Referensi

[1] Canra. D, Haris. E, Suliono. Analisa Busur Sudu Turbin Angin Savonius Tipe-U Menggunakan

Perangkat Lunak. Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA). Universitas Muhammmadiyah Malang. 2018; 4 : I 1-7.

[2] Sumiati. R. Pengujian Turbin Angin Savonius Tipe U sudu di Lokasi Pantai Air Tawar Padang.

Jurnal Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang, Juni 2012; 1(1): 26-32. [3] M. Haydarul. H, Nugroho. G, Musyafa'.A. Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius

dengan Variasi Jumlah Blade Terintegrasi Circular Shield untuk Memperoleh daya Maksimum.

Jurnal Teknik POMITS. 2013; 7(7): 1-6.

[4] Rudianto D.T, Ahmadi N. Rancang Bangun Turbin Angin Savonius 200 Watt. Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Kedirgantaraan (SENATIK). Yogyakarta. 2016; 2: 71-75.

[5] Mohamed Hasan A.M. Design Optimazation of Savonius and Wells Turbines. Disertasi. University

of Magdeburg, Magdeburg; 2011.

pengujian numerikal sudu turbin angin savonius tipe u

Documents