Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

Studi Eksperimental tentang Karakteristik Turbin Angin Sumbu VertikalJenis Darrieus-Savonius

Bambang Arip Dwiyantoro*, Vivien Suphandani dan RahmanJurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS),

Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya 60111 Indonesia*bambangads@me.its.ac.id

Abstrak

Turbin angin sumbu vertikal merupakan alat yang sedang dikembangkan dalam menghasilkanenergi dari hembusan angin. Salah satu penyebab masih sedikitnya penggunaan energi dari anginadalah desain dari turbin angin yang kurang tepat. Oleh karena itu dalam penelitian ini akandikembangkan desain turbin angin sumbu vertikal jenis Darrieus-Savonius yang optimal dan diujikarakteristiknya dengan metode eksperimental. Metode yang digunakan untuk mendesain turbinangin adalah dengan melakukan studi literatur, menganalisa bagian kritis dari turbin angin danmenganalisa struktur desain yang optimal. Prototipe turbin angin dari desain yang optimaldilakukan uji karakteristik di wind tunnel secara eksperimental dengan memvariasikan kecepatanangin. Dari hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar kecepatan angin maka semakinbesar pula putaran turbin angin dan torsi yang dibangkitkan. Dihasilkan desain turbin angin sumbuvertikal jenis Darrieus-Savonius yang mampu menghasilkan daya 500 Watt dengan kecepatan anginrata-rata 7.5 m/s.

Kata kunci : turbin angin, sumbu vertikal, Darrieus, Savonius, karakteristik, wind tunnel

Pendahuluan

VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) dapatdigolongkan menjadi dua tipe yaitu tipe lift dandrag. Contoh turbin vertikal tipe lift yaitu turbinDarrieus. Kelebihan turbin tipe lift adalahkemampuan mengekstraksi daya dari fluidadengan baik terutama pada kecepatan tinggi.Kelemahan dari turbin Darrieus adalahdiperlukannya sumber eksternal sebagaipendorong awal (starting). Berbagai penelitiantelah dilakukan untuk mengatasi kelemahan ini[1, 2]. Permasalahan stall sudu pada kecepatanrendah di wind turbine Darrieus dapat diatasidengan memberikan pitch (sudu dapat diputarpada sumbu span), sehingga angle of attack padasudu bervariasi utk berbagai kecepatan angin.

Pada turbin tipe drag, momentum aliran yangmenumbuk permukaan sudu akanmengakibatkan rotor berputar. Salah satu contohturbin tipe drag adalah turbin Savonius.Kelebihan dari turbin tipe drag adalahkemampuan self-starting dengan kecepatanangin yang kecil, sehingga tidak diperlukan

bantuan dorongan eksternal. Kelemahannyaadalah kecepatan putaran maksimum dari rotoryang tidak dapat melebihi kecepatan angin.Berbagai penelitian telah dilakukan untukmemperbaiki performa dari turbin Savonius,antara lain dengan memvariasikan jumlah sudubucket dan jarak antar bucket [3].

Gambar 1. Konfigurasi VAWT hybrid [4]

Dengan adanya berbagai kelebihan dankelemahan yang dimiliki baik oleh VAWT tipelift maupun tipe drag, maka dikembangkan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

turbin angin sumbu vertikal tipe hybrid yangmerupakan kombinasi tipe Darrieus dan tipeSavonius (hybrid D-S). Darrieus turbin bisadigunakan untuk berbagai arah angin, tetapimemiliki torsi yang rendah (kendala saat self-starting). Desain hybrid D-S dikembangkanuntuk mendapatkan torsi yg lebih besar untukself-starting. Terdapat dua konfigurasi untuk tipehybrid D-S. Pada konfigurasi pertama, rotorSavonius terletak pada pada poros dengan lokasiaksial yang sama (align) dengan sudu Darrieus.Untuk konfigurasi ini, rotor Savonius tampakberada didalam sudu Darrieus, sepertiditunjukkan pada Gambar 1a. Untuk konfigurasikedua, rotor Savonius dan sudu Darrieus terletakpada lokasi aksial yang berbeda, sehingga rotorSavonius tampak berada diluar sudu Darrieus,seperti ditunjukkan pada Gambar 1b.

Penelitian dengan terowongan anginmenunjukkan turbin dengan letak sudu Darrieus

dan Savonius pada lokasi aksial yang berbeda(type-B) mampu mengekstraksi daya lebih besar[4]. Namun disisi lain, hasil pemodelan dinamikdengan dimensi turbin yang bervariasi danberbagai kondisi angin menyimpulkan bahwatype-B tidak selalu memberikan performa yanglebih baik daripada type-A. Secara umum,dimensi yang lebih besar akan memberikankoeffisien daya efektif yang cenderung menurun.Namun, turbin type-B menunjukkan penurunanyang sangat signifikan pada dimensi besar untukhembusan angin dengan durasi pendek. Darigrafik tersebut, secara umum type-A lebih cocokdigunakan untuk aplikasi wind turbin tunggalkarena performanya yang relatif konsisten dalamberbagai kondisi. Namun untuk aplikasi windturbin kecil (dengan radius dibawah atau sekitar1 m), type-B mempunyai koefisien daya yanglebih baik.

Gambar 2. Desain VAWT Darrieus-Savonius

Tabel 1. Spesifikasi VAWT Darrieus-Savonius

Bagian bergerak

Darrieus Blade: 3 Blades (each 120˚)

Airfoil: Symetric dengan chord length : 10 cm

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

Savonius Blade: 2 level Savonius Blade

Airfoil: Half Round type

Shaft: Double Shaft System (inner dan outer).

Bagiam tetap (tower)

Tinggi: 4 m (dari ground)

Diameter: ±14 cm dengan thickness 0.8 cm

Gambar 2 menunjukkan desain turbinangin tipe Darrieus-Savonius, dimana dibuatdengan menggabungkan jenis Darrieusturbin angin dengan Savonius turbin angin.Turbin angin jenis DS memiliki tinggi 2,16m, dan diameter 2,34 m. Ada tiga buahDarrieus blade, dan dua tingkat Savoniusblade turbin angin. Generator listrik terletakdi bawah sistem blade keseluruhan. Tabel 1menunjukkan spesifikasi turbin angin jenisDarrieus-Savonius.

Perhitungan turbin angin

Daya yang dihasilkan pada poros suatuturbin angin merupakan transformasi energikinetik yang terdapat pada aliran angin.Besarnya nilai torsi dari turbin angin darrieusrotor kombinasi savonius adalahpenjumlahan dari besar torsi yang dihasilkanoleh sudu darrieus dan sudu savonius.Besarnya torsi (T) yang dihasilkan dapatdihitung sebesar [5]:

T = FD . r .........................................(1)

FD adalah gaya yang terjadi di turbin angindan r adalah jarak lengan gaya terhadapsumbu. Gaya ini didapat dari perumusan:

FD = 0.5 CD V2 A ...........................(2)

dimana CD adalah besarnya coefficient ofdrag dan A adalah frontal area dari sudu yangterkena angin yaitu luasan penampangandari luasan darrieus dijumlah dengan luasansavonius dalam satuan meter persegi.

Nilai torsi statis didapatkan ketika turbinmulai berputar dari keadaan diam. Hal inimenunjukkan bahwa kecepatan angin yangmenyebabkan turbin dapat berputar darikeadaan diam adalah kecepatan anginminimum. Besarnya coefficient of torque(CT) dapat dirumuskan:

..........................(3)

Koefisien daya total yang dimiliki olehsuatu turbin angin, yaitu kemampuansebuah turbin angin untuk menghasilkandaya. Koefisien daya total (CP) didapat daripersamaan:

CP = CT . .......................................(4)

λ adalah tip speed ratio (TSR) dari turbinangin darrieus-savonius. Besar tip speed

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

ratio didapat menggunakan persamaan:

......................................(5)

D adalah diameter dari turbin angin skalamodel darrieus-savonius dalam satuan meter,

sedangkan adalah kecepatan angular.

Hasil Pengujian dan Diskusi

Pengujian yang dilakukan pada windtunnel menghasilkan beberapa datadiantaranya adalah arus listrik, teganganlistrik, kecepatan angin dan putaran dariturbin angin. Tabel 2 merupakan data yangdidapat dari hasil pengujian di wind tunnel.Sebelum melakukan pengambilan data diwind tunnel terlebih dulu dilakukankalibrasi agar data yang didapatkan benar-benar sesuai dengan kondisi yangsebenarnya.

Tabel 2. Data pengujianKecepatan

angin(m/s)

I(A)

V(Volt)

P(Watt)

7,5 0.0038 1.1352 0,0077,8 0.0073 1.2725 0,0158,1 0.0174 1.4873 0,0388,4 0.0231 1.5517 0,0568,7 0.0262 1.6218 0,0669 0.0282 1.6782 0,0749,3 0.0314 1.7311 0,0859,9 0.0354 1.7651 0,09710,4 0.0377 1.8223 0,10510,5 0.0402 1.8672 0,114

Dalam pengujian ini, gaya yang terjadisesaat angin mengenai turbin angin adalahgaya drag dan gaya lift. Gaya drag terjadisaat angin mengenai penampang sududarrieus-savonius, sedangkan gaya lift

terjadi saat angin mengenai penampangsudu darrieus, akan tetapi karena sududarrieus pada penelitian ini tidak memilikisudut serang (angle of attack) maka gayayang terjadi hanya gaya drag. Tabel 3menunjukkan hasil perhitungan gaya padaturbin angin.

Tabel 3. Hasil perhitungan gaya pada turbinKecepatan

angin(m/s)

Gayapada sududarrieus

(N)

Gayapada sudusavonius

(N)

Gayatotal(N)

7,5 0,007 1,045 1,057,8 0,007 1,126 1,138,1 0,008 1,183 1,198,4 0,009 1,239 1,258,7 0,011 1,297 1,319 0,012 1,388 1,409,3 0,013 1,481 1,499,9 0,014 1,677 1,6910,4 0,015 1,849 1,8610,5 0,016 1,885 1,90

Angin yang datang menyebabkan gayadrag terjadi pada sudu darrieus dan padasudu savonius. Besarnya nilai coefficient ofdrag bentuk C-section open facing flow(CD=0.09) lebih besar daripada coefficientof drag bentuk C-section open facingdownstream (CD=0.06) sehingga gaya dragyang dihasilkan juga lebih besar. Nilaikoefisien power skala model yang didapatkanditunjukkan pada Tabel 4.

Tabel 4. Nilai koefisien power skala modelPutaranturbin(rpm)

V(m/s)

TSR CT CP

742 7,5 0,859 0,15 0,13762 7,8 0,867 0,16 0,14786 8,1 0,872 0,18 0,16836 8,4 0,883 0,21 0,19858 8,7 0,886 0,23 0,20

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

892 9 0,890 0,27 0,24912 9,3 0,894 0,29 0,26942 9,9 0,892 0,33 0,30976 10,4 0,904 0,38 0,34992 10,5 0,947 0,43 0,39

Gambar 3 menunjukkan hubungan antarakecepatan angin (V) yang mengenai suduturbin angin dengan putaran (n) yangdihasilkan oleh turbin angin. Data dihasilkanpada saat turbin angin mulai menghasilkandaya yaitu pada kecepatan angin di wind

tunnel 7,5 m/s dengan putaran turbin angin742 rpm. Grafik diatas menunjukkansemakin besar kecepatan angin yangmengenai sudu turbin angin maka putaranyang dihasilkan juga semakin besar. Hal inidisebabkan energi yang dimiliki oleh anginsemakin besar kecepatan angin yang terjadisehingga dapat menghasilkan putaran turbinyang semakin tinggi.

Gambar 3. Grafik hubungan antara putaran turbin amngin model terhadap kecepatan angin

Gambar 4. Grafik hubungan antara koefisien power turbin angin model terhadap TSR

Gambar 4 menggambarkan perbandinganantara koefisien power dari turbin angin

model terhadap tip speed ratio. Koefisienpower dari suatu turbin angin akan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-17

meningkat seiring dengan meningkatnya tipspeed ratio. Hal ini disebabkan karena tipspeed ratio dipengaruhi oleh kecepatanangin yang mengenai sudu turbin angin,dimana semakin besar kecepatan angin makatip speed ratio semakin besar. Turbinmengalami CP maksimum pada TSR 0,95yaitu sebesar 42 %.

Konsep flow similarity digunakan dalamproses ini untuk mendapatkan kondisi dilapangan, dalam hal ini prototipe turbinangin riil, yang sesuai dengan kondisi dilaboratorium pada saat pengujian denganturbin angin model. Untuk melakukananalisa flow similarity, syarat pertama adalahgeometric similarity, dimana bentuk dariturbin angin model dan prototipe harus sama.Syarat yang kedua adalah kinematicsimilarity, yaitu karakteristik aliran yangmelintasi turbin angin model harus samadengan aliran yang melintasi turbin anginprototipe. Syarat ketiga adalah dynamicsimilarity, dimana semua gaya yang terjadipada turbin angin model harus mempunyairasio yang sama pada turbin anginprototype. Dari analisa non dimensionalparameter didapatkan:

......(6)

Bila tip speed ratio (TSR) pada turbinangin prototipe (λp ) sama dengan tip speedratio rata-rata turbin angin model yaitusebesar 0,86, maka besarnya daya turbinyang dihasilkan sebesar 500 Watt

Kesimpulan

Dari hasil pengujian karakteristik turbin anginsumbu vertikal jenis Darrieus-Savoniusmenunjukkan bahwa semakin besar kecepatanangina menyebabkan energi yang dihasilkanoleh turbin angin juga semakin besar, oleh

sebab itu koefisien power dari turbin anginsemakin meningkat. Desain turbin angin inimampu menghasilkan daya 500 Watt padakecepatan angin 7.5 m/s.

Referensi

[1] M. N. Nahas, A self-starting darrieus-type windmill, Energy 18 (1993) 899-906.[2] Howell, Robert, and N. Durrani, Windtunnel and numerical study of a small VAWT,Renewable Energy 35 (2010) 412-422.[3] R. Gupta and K. K. Sharma, Flow physicsof a combined darrieus-savonius rotor usingcomputational fluid dynamics, Int. ResearchJ. Eng. Sci., Tech. and Innov. 1 (2012) 1-13.[4] Wakui and T. Nagao, Hybrid configurat ofDarrieus and Savonius rotors for stand‐alonewind turbine‐generator systems, ElectricalEng. in Japan 150 (2005) 13-22.[5] J. F. Walker and J. Nicholas, Wind energytechnology, Washington, 1997.