simulasi performansi airofoil turbin angin naca …digilib.unila.ac.id/59059/18/skripsi tanpa bab...
TRANSCRIPT
SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN
ANGIN NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG
CHORD DAN SUDUT SERANG MENGGUNAKAN
SOFTWARE CFD
(Skripsi)
Oleh
RIZKY AGUS MAULANA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
ABSTRAK
SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN
NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN
SUDUT SERANG MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD
Oleh
RIZKY AGUS MAULANA
Penelitian tentang turbin angin berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir.
Efisiensi dan kinerja turbin angin tergantung pada desain dan bentuk sudu turbin
angin itu sendiri. Pembuatan model dengan semua variasi turbin angin akan
menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat ditentukan
secara pasti. Penggunaan software CFD sebagai alat untuk meneliti turbin angin
memungkinkan untuk mendapatkan tujuan perancangan tanpa harus membuat
model sebenarnya.
Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi panjang chord sudu
dan sudut serang terhadap performansi turbin angin dengan mensimulasikannya
dengan menggunakan software CFD. Simulasi aerodinamika pada airfoil yang
digunakan pada sudu turbin angin dilakukan untuk mengetahui karakteristik
aerodinamika dari airfoil yang digunakan. Airfoil NACA 4412 digunakan sebagai
bentuk dasar dari sudu turbin angin. Data hasil simulasi CFD 2D pada airfoil NACA
4412 cukup memenuhi dan sesuai dengan kondisi aktualnya dimana nilai eror yang
diperoleh kurang dari 10 % untuk simulasi 2D. Titik kritis dari koefisien lift terjadi
pada airfoil dengan sudut 16o dimana indikasi terjadinya kondisi stall akan terjadi
jika sudut serang terus dinaikan, dan nilai koefisien drag terkecil didapatkan pada
sudut serang -4o. Nilai glide ratio terbesar terjadi pada sudut serang 0o yaitu sebesar
36,585. Pada chord 1 m terlihat mengalami stall pada sudut serang 18o sedangkan
pada chord 0.65 m dan chord 0,3 m belum mengalami stall hingga sudut 20o.
Kata kunci : Airfoil, NACA 4412, CFD.
ABSTRACT
SIMULATION AIRFOIL PERFORMANCE NACA 4412 WIND
TURBINE OF VARIATION CHORD LENGTH AND ANGLE
OFATTACK USING CFD SOFTWARE
BY
RIZKY AGUS MAULANA
Research on wind turbines is growing rapidly in recent years. The efficiency and
performance of wind turbines depend on the design and shape of the wind turbine
blade itself. Model creation with all variations of wind turbines will cost a
considerable amount of time while the results cannot be determined for sure. The
use of CFD Software as a tool for researching wind turbines makes it possible to
obtain design objectives without having to create the actual model.
The purpose of this study is to determine the influence of long variations of the
chord and angle of attack against the performance of the wind turbine by simulting
it with the use of CFD software. An aerodynamic simulation of the airfoil used in
the wind turbine substation is performed to determine the aerodynamic
characteristics of the airfoil used. NACA airfoil 4412 is used as the base form of
the wind turbine blade. The 2D CFD simulation Data on the NACA 4412 airfoil is
quite fulfilling and in accordance with the actual conditions where the error value
is obtained less than 10% for the 2D simulation. The critical point of the lift
coefficient occurs in an airfoil with angle of attack 16o where a stall condition
indication occurs if the angle of attack is continuously adjusted, and the smallest
coefficient of drag is obtained at an angle of attack -4o. The biggest glide ratio
occurred at 0o attack angle of 36.585. On the 1 m chord is seen experiencing stall
at an angle of attack 18o while the chord is 0.65 m and a chord of 0.3 m has not
experienced stall until 20o angle.
Keywords: Airfoil, NACA 4412, CFD.
SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN
ANGIN NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG
CHORD DAN SUDUT SERANG MENGGUNAKAN
SOFTWARE CFD
Oleh
Rizky Agus Maulana
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kotabumi, Kabupaten Lampung
Utara pada tanggal 14 Agustus 1996. Yang merupkan
anak dari pasangan Bapak Ali Udin dan Ibu Sumarti yang
merupakan anak tiga dari tiga bersaudara. Penulis
menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1
Bandar Sakti pada tahun 2008, menyelesaikan pendidikan
Sekolah Menengah Pertama di SMPN 2 Tumijajar pada
tahun 2011, menyelesaikan pendidikan Sekolah
Menengah Atas di SMAN 1 Tumijajar pada tahun 2014, kemudian menjutkan
pendidikan sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Lampung pada tahun
2014 melalui jalur SNMPTN.
Selama menjadi mahasiswa penulis aktif dalam Himpunan Mahasiswa Teknik
Mesin Universitas Lampung (HIMATEM UNILA). Pada bidang akademik, penulis
melakuan Kerja Praktik (KP) di PT PLN (Persero) Sektor Pengendalian
Pembangkitan Bandar Lampung PL-Tanjung-Karang/PLTD/G Tarahan.
Selanjutnya pada tahun 2019 penulis menulis skripsi dengan judul “Simulasi
Performansi Airofoil Turbin Angin NACA 4412 Terhadap Variasi Panjang Chord
Dan Sudut Serang Menggunakan Software CFD” dengan bimbingan Bapak Agus
Sugiri S.T., M.T. dan Bapak M.Dyan Susila ES,S.T.,M.Eng.
Bandar Lampung, 10 September 2019
Rizky Agus Maulana
MOTTO
“ Sesungguhnya Allah tidak akan merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka
merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri “ (QS. Ar Ra’d :11 ).
“ Dan bahwanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang telah
diusahakannya” (An Najm :39 ).
“ Barangsiapa yang mempelajari ilmu pengetahuan yang seharusnya yang
ditunjukkan untuk mencari ridho Allah bahkan hanya untuk mendapatkan
kedudukan?kekayaan duniawi ia tidak akan mendapatkan baunya surga nanti
pada hari kiamat.
( riwayat Abu Hurairah radhiallahu anhu).
i
SANWACANA
Assalamualaikum Wr. Wb,
Allhamdulillahirobbil alamin, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah
S.W.T, Atas segala nikmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat melaksanakan
serta menyelesaikan skripsi dengan judul “Simulasi Performansi Airofoil Turbin
Angin NACA 4412 Terhadap Variasi Panjang Chord Dan Sudut Serang
Menggunakan Software CFD” Shalawat serta salam senantiasa tercurahkan
kepada junjungan kita nabi besar Muhammad S.A.W. Dalam kesempatan ini,
mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah
banyak membantu dalam menyelesaikan penelitian tugas akhir ini:
1. Allah S.W.T yang telah memberikan kelancaran, kesehatan dan nikmat yang
tiada duanya.
2. Orang tua tercinta bapak Aliudin dan ibu Sumarti dan kedua kakak Alvi dan
Rina yang senantiasa memberikan motivasi dan doa kepada penulis.
3. Bapak Prof. Drs. Suharno, Msc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Lampung.
4. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung.
5. Bapak Agus Sugiri S.T., M.Eng. sebagai Dosen Pembimbing I yang telah
meluangkan waktu dan pemikiran untuk membimbing penulis dalam
penyelesaian skripsi ini.
ii
6. Bapak M.Dyan Susila ES,S.T.,M.Eng. sebagai Dosen Pembimbing II yang telah
meluangkan waktu dan pemikiran untuk membimbing penulis dalam
penyelesaian skripsi ini.
7. Bapak Ir. Herry Wardono, M.Sc.,IPM sebagai Dosen Penguji yang telah memberikan
pengarahan dan masukan bagi penulis dalan menyelesaikan skripsi ini.
8. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan banyak
pengetahuan dalam proses perkuliahan maupun diluar proses perkuliahan.
9. Seluruh Teknisi Lab Terpadu Teknik Mesin Universitas Lampung, terutama
Pak Sugiman selaku Teknisi Lab Fluida.
10. Teman-teman Kurang Piknik Anuk, Abbid, Rofik, Daud, Izqho, Budi, Bima
dan Teman seperjuangan penelitian Gian yang telah berbagi ilmu dan
pengalaman dalam menyelesaikan skripsi ini.
11. Yang terkasih Rini Agustina yang selalu ada dan memberikan semangat dalam
menyelesaikan skripsi ini.
12. Keluarga besar Teknik Mesin Universitas Lampung khususnya angkatan 2014,
yang telah memberikan dukungan dan semangatnya.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, Tetapi
besar harapan semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampunng, 10 September 2019
Penulis
Rizky Agus Maulana
NPM. 14150021077
DAFTAR ISI
Halaman
SANWACANA.............................................................................................. i
DAFTAR ISI ................................................................................................. iii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... vii
DAFTAR TABEL ......................................................................................... ix
DAFTAR NOTASI . ....................................................................................... x
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang .....................................................................................
B. Tujuan Penelitian ................................................................................... 2
C. Batasan Masalah ................................................................................... 3
D. Sistematika Penulisan ........................................................................... 3
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Sejarah Perkembangan Turbin Angin….............................................. 5
A. Turbin Angin....................................................................................... 7
1. Turbin Angin Sumbu Horisontal......................................................... 9
2. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)........................................ 12
a. Turbin angin Darrieus............................................................... 13
b. Turbin angin Savonius............................................................ 16
c. Turbin angin musgrove................................................................ 1
1
4
5
5
7
12
14
16
17
18
18
19
iv
B. Hukum Betz’s........................................................................................ 19
C. Tip Speed Ratio....................................................................................... 20
D. Solidity................................................................................................... 21
E. Airofoil.................................................................................................... 22
F. Computational Fluid Dynamics (CFD)................................................. 24
1. Tahapan-tahapan Simulasi CFD................................................... 25
a. Pre-processing............................................................................ 27
b. Solving....................................................................................... 27
c. Post-processing........................................................................... 28
2. Fluent............................................................................................ 31
III. METODOLOGI PENELITIAN……………………...………............. 36
A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan................................................... 29
B. Variabel Penelitian........................................................................... 30
1. Variabel terikat ................................................................................
2. Variabel bebas ..........................................................................
C. Urutan Proses Analisa……...........................................................
1. Pengumpulan Data Awal..........................................................
2. Studi Literatur..........................................................................
3. Simulasi dengan Secara CFD...................................................
4. Pembahasan Hasil....................................................................
5. Penarikan Kesimpulan...........................................................
36
37
37
37
37
39
39
39
42
40
25
26
27
27
27
27
28
28
28
28
29
29
29
29
30
30
30
v
D. Alat dan Bahan..............................................................................
1. Komputer..................................................................................
2. Software....................................................................................
E. Langkah-langkah Pengujian ............................................................
1. Pemodelan geometri airofoil secara 2D.......................................
a. Input koordinat geometri airfoil............................................
b. Pembentukan geometri airfoil.............................................
2. Simulasi Airfoil 2D...................................................................
a. Pembentukan Mesh..............................................................
b. Penentuan Boundary Condition..........................................
c. Melakukan Iterasi..................................................................
d. Melakukan Post Processing...............................................
F. Diagram Alir .......................................................................................
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN.....................................................................
A. Hasil Simulasi Airfoil 2D.........................................................................
1. Pengaruh Variasi Sudut Serang Airfoil NACA 4412.................
a. Koefisien lift pada variasi sudut serang..........................................
b. Koefisien drag pada variasi sudut serang............................................
c. Koefisien rasio glide pada variasi sudut serang..................................
2. Pengaruh Variasi Panjang Chord Airfoil NACA 4412...............
a. Koefisien lift pada variasi panjang chord....................................
b. Koefisien drag pada variasi panjang chord...............................
30
30
31
31
31
32
33
34
35
36
37
37
38
40
40
41
42
43
44
47
48
49
vi
B. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Eksperimen................
1. Perbandingan Koefisien Lift Simulasi Dengan Eksperimen.............
2. Perbandingan Koefisien Drag Simulasi Dengan Eksperimen.............
3. Perbandingan Rasio Glide Simulasi Dengan Eksperimen.................
V. PENUTUP..................................................................................................
A. Simpulan...................................................................................................
B. Saran..........................................................................................................
DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................
LAMPIRAN..........................................................................................................
49
50
51
52
53
53
54
55
58
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1. Negara yang telah memanfaatkan turbin angin sebagai pembangkit........... 10
2. Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia ....................... 11
3. Energi yang dihasilkan PLN ........................................................................ 11
4. Aliran angin yang terjadi di Indonesia ......................................................... 12
5. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horizontal................................... 13
6. Turbin angin sumbu horisontal .................................................................... 14
7. Sudu tunggal, dua sudu, tiga sudu dan sudu banyak ................................... 15
8. Turbin angin upwind dan downwind ............................................................ 16
9. Turbin angin sumbu vertikal.........................................................................16
10. Prinsip kerja turbin angin savonius .............................................................. 18
11. Prinsip kerja turbin angin savonius…...........................................................19
12. Variasi cp sesudah dan sebelum melewati turbin angin…...........................20
13. Parameter penting airofoil ........................................................................... 22
14. Airofoil lift dan drag .................................................................................... 23
15. Efek angle of attack terhadap koefisien lift…..............................................24
16. Geometri airfoil NACA 4412 ...................................................................... 32
17. Koordinat aerofoil yang sudah diubah ........................................................ 33
viii
18. Menginput koordinat aerofoil ke design modeler....................................... 34
19. Geometri aerofoil dan lingkungannya ......................................................... 34
20. Tampilan mesh dan lingkunganya yang telah dibuat di Ansys Fluent ........ 35
21. Tampilan mesh pada airofoil yang dibuat di Ansys Fluent ........................ 36
22. Boundary condition ..................................................................................... 36
23. Proses iterasi ................................................................................................ 37
24. Kontur kecepatan ......................................................................................... 37
25. Diagram alir penelitian ................................................................................ 38
26. Diagram alir simulasi .................................................................................. 39
27. Grafik α vs CL ............................................................................................. 42
28. Grafik α vs CD ............................................................................................. 43
29. Grafik α vs CL/CD ........................................................................................ 44
30. Vektor Kecepatan untuk α = 0o ................................................................... 45
31. Kontur Kecepatan untuk α = 0o ................................................................... 45
32. Kontur tekanan untuk α = 0o ....................................................................... 46
33. Grafik Nilai CL pada Variasi Chord dan Sudut Serang ............................. 48
34. Grafik Nilai CD pada Variasi Chord dan Sudut serang............................... 49
35. Grafik Perbandingan Nilai CL Eksperimen dan Simulasi .......................... 51
36. Grafik Perbandingan Nilai CD Eksperimen dan Simulasi ........................... 51
37. Grafik Perbandingan Rasio Glide Eksperimen dan Simulasi ..................... 52
9
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
1. Parameter Airfoil Simulasi ....................................................................... 40
2. Hasil Simulasi Variasi Sudut Serang ........................................................ 42
3. Hasil Simulasi Panjang Chord……….......................................................
4. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Eksperimen..................................
40
41
47
50
10
DAFTAR NOTASI
1. D = Diameter turbin
2. v = Kecepatan angin
3. n = Putaran turbin
4. σ = Solidity turbin angin
5. N = Jumlah sudu
6. c = Panjang chord
7. R = Jari jari turbin angin
8. FL = Gaya Lift
9. CL = Koefisien lift
10. ρ = Massa jenis
11. A = Luas sudu
12. FD = Gaya Drag
13. CD = Koefisien drag
14. Re = Bilangan reynold
15. 𝛾 = viskositas
16. α = Sudut serang
17. TSR = Tip Speed Ratio
18. Cp = Koefisien Daya
(m)
(m/s)
(rpm)
-
-
(m)
(m)
(N)
-
(kg/m3)
(m2)
(N)
-
-
(kg/m.s)
( 0 )
-
-
11
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Meningkatnya keprihatinan atas pemanasan global, polusi lingkungan, dan
keamanan energi telah meningkatkan minat mengembangkan sumber-sumber
energi terbarukan dan ramah seperti angin, tenaga surya, pembangkit listrik
tenaga air, panas bumi, hidrogen, dan biomassa sebagai pengganti bahan bakar
fosil. Sebagai masalah yang terus meningkat selama ketersediaan sumber daya,
harga energi, dampak lingkungan, dan pertumbuhan populasi di seluruh dunia,
produksi energi terbarukan saat ini menjadi penting dalam mempertahankan
kebutuhan energi dan memenuhi kebutuhan masa depan. Energi angin menjadi
salah satu sumber energi yang paling efektif dalam biaya produksi energi
terbarukan. Energi angin dapat memberikan solusi yang sesuai untuk krisis
energi dan perubahan iklim global (Dhawale, 2017).
Dengan lebih lanjut melakukan diversifikasi pasokan energi, energi angin secara
dramatis mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil sehingga memperkuat
keamanan energi global. Selama tiga dekade terakhir, pertumbuhan yang luar
biasa dalam tenaga angin telah terlihat oleh seluruh dunia (Wagner, 2017).
2
Energi angin memiliki sejumlah manfaat dan keuntungan, tenaga angin
merupakan sumber energi bersih dan ramah lingkungan. Sebagai sumber energi
yang tak habis-habisnya dan gratis, energi ini tersedia dan berlimpah di sebagian
besar wilayah bumi. Selain itu, dalam penggunaan tenaga angin akan membantu
mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan juga biaya per kWh
tenaga angin juga jauh lebih rendah daripada tenaga surya. (Schubel, 2012)
Desain turbin terus berevolusi dan produsen berusaha mengurangi biaya dan
meningkatkan hasil melalui inovasi ilmiah. Rentang sudu meningkat seiring
dengan permintaan energi yang meningkat, dan desain yang mampu
menghasilkan daya yang sangat besar dimungkinkan pada tahun 2020. Sudah
banyak pengembangan jenis baru turbin angin untuk menghasilkan listrik dari
energi angin. Kecepatan rotasi sudu turbin angin dapat ditingkatkan karena
kemudi airfoil. Efek dari turbulensi memainkan peran penting pada kinerja
turbin angin. Perkembangan terakhir telah terlihat sudu turbin dengan ujung
trailing yang lebih tipis dan ujung sudu aerodinamis untuk mengurangi dampak
kebisingan dan mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (Jamieson, 2011).
Tris Sugiarto (2008) melakukan penelitian menggunakan Wind Tunnel dengan
judul “Analisa Karakteristik Airfoil NACA 4412 Dengan Metode Wind
Tunnel”. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan nilai lift dan drag akan
semakin besar seiring dengan kenaikan sudut serang. Tetapi, pada sudut serang
tertentu lift yang dihasilkan akan hilang. Kejadian itu disebut dengan stall.
3
Gema Pandji Erlangga (2017) melakukan penelitian menggunakan Wind Tunnel
dengan judul “Studi Eksperimental Karakteristik Aerodinamik Airfoil NACA
4412 Dengan Variasi Kecepatan Aliran Udara”. Dari hasil penelitian tersebut
didapatkan kecepatan aliran udara dan sudut serang mempunyai pengaruh pada
gaya lift dan gaya drag dari airfoil. semakin besar kecepatan udara maka gaya
lift dan gaya drag yang dialami oleh airfoil semakin besar. Begitu juga untuk
sudut serang, semakin besar sudut serang maka gaya lift dan gaya drag semakin
besar. Tetapi untuk sudut serang jika terlalu besar maka airfoil akan kehilangan
gaya angkat atau mengalami stall.
Wisnu Ramadika dan Rosyida Permatasari (2018) melakukan penelitian yang
berjudul ”Pengaruh Panjang Chord Terhadap Nilai Koefisien Gaya Angkat (CL)
Dan Koefisien Gaya Hambat (CD) Pada Variasi Sudut Serang Hydrofoil Naca
0018 Menggunakan Computational Fluid Dynamics”. Dari hasil penelitian
tersebut didapatkan nilai CD dari masing-masing chord mengalami pergerakan
naik terhadap kenaikan sudut serang pada airfoil yang simetris.
Hasil dari berbagai eksperimen telah banyak digunakan untuk merancang
berbagai tipe turbin angin. Namun pengujian dengan menggunakan Wind Tunnel
membutuhkan seperangkat peralatan dan membutuhkan biaya yang cukup
mahal. Dengan bantuan software Computational Fluid Dynamics (CFD), para
peneliti dapat menganalisis dan merancang turbin angin yang lebih baik dan
lebih murah dari segi biaya perancangan. Perancangan dengan menggunakan
4
software CFD merupakan tolak ukur sebagai perkiraan dalam merancang dan
membuat turbin angin yang sebenarnya (Castillo, 2011).
Oleh karena itu, hal yang menjadi pembahasan pada penelitian ini adalah untuk
menganalisis desain airfoil turbin angin dengan menggunkan model dua dimensi
dari National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) 4412, dengan
variasi panjang chord sudu dan sudut serang turbin angin dengan menggunakan
bantuan perangkat lunak CFD.
B. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini antara lain adalah :
1. Mendapatkan nilai koefisien lift, koefisien drag, serta perbandingan
koefisien lift dengan koefisien drag (glide ratio) yang paling maksimal pada
variasi sudut serang untuk airfoil NACA 4412.
2. Mengetahui pengaruh variasi panjang chord pada sudut serang tertentu
terhadap karakteristik aerodinamik airfoil NACA 4412.
3. Validasi dengan cara membandingkan data karakteristik aerodinamika hasil
analisa simulasi dengan nilai data hasil eksperimen Robert M. Pinkertons
yang berjudul “The Variation with Reynolds Number of Pressure
Distribution Over an Airfoil Section report No.613” yang menyajikan hasil
penelitian secara eksperimen dengan menggunakan terowongan angin untuk
airfoil tipe NACA 4412.
5
C. Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dari penulisan laporan kerja praktik ini adalah :
1. Airofoil yang akan dianalisis adalah tipe NACA 4412 untuk mendapatkan
koefisien lift, koefisien drag dimana analisis dilakukan secara 2D.
2. Simulasi dilakukan secara numerik dengan bantuan software Computational
Fluid Dynamic dimana pembentukan geometri dilakukan dengan bantuan
preprocessor Design Modeler dan analisis fluidanya dengan menggunakan
Fluent dan Ansys Workbench.
3. Dalam tugas akhir ini tidak dibahas proses perancangan dari turbin angin.
D. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan dalam penyusunan laporan kerja praktik ini
adalah sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini membahas tentang latar belakang, tujuan, batasan masalah dan
sistemtika penulisan.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini menjelaskan tentang teori-teori yang mendukung pada penelitian.
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisikan tentang hal-hal yang berkaitan dengan pelaksanaan penelitian,
yaitu tempat penelitian, alat dan bahan penelitian dan prosedur penelitian.
6
BAB VI. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisikan data-data dan hasil simulasi serta pembahasan dari hasil
simulasi tersebut.
BAB V. PENUTUP
Berisikan simpulan yang didapat dari pembahasan hasil simulasi, serta saran
tentang studi kasus yang diambil.
DAFTAR PUSTAKA
Memuat literatur yang menunjang penyusunan penelitian ini.
LAMPIRAN
Memuat segala sesuatu yang berhubungan dengan materi yang dibahas sebagai
pelengkap laporan.
7
II. TINJAUAN PUSTAKA
G. Sejarah Perkembangan Turbin Angin
Kincir angin telah digunakan selama setidaknya 3000 tahun, terutama untuk
menggiling biji-bijian atau memompa air, sementara di kapal layar angin telah
menjadi sumber tenaga penting bahkan lebih lama. Dari sejak abad ketiga belas,
kincir angin sumbu horisontal merupakan bagian integral dari ekonomi
pedesaan dan mulai tidak digunakan dengan munculnya mesin berbahan bakar
fosil murah dan kemudian penyebaran listrik dipedesaan.
Penggunaan kincir angin (atau turbin angin) untuk menghasilkan listrik dapat
ditelusuri kembali ke akhir abad kesembilan belas dengan generator kincir
angin DC 12 kW yang dibangun oleh Brush di Amerika Serikat dan penelitian
yang dilakukan oleh LaCour di Denmark. Namun, untuk sebagian besar abad
kedua puluh sedikit minat dalam menggunakan energi angin selain dari
pengisian baterai untuk tempat tinggal yang jauh dan sistem berdaya rendah ini
dengan cepat diganti setelah akses ke jaringan listrik menjadi tersedia. Namun
pada awal tahun 1950 Andrea Field menemukan sebuah desain turbin angin
yang menghasilkan 100 kW berdiameter 24m pneumatik di Inggris.
8
Dalam sudu berongga turbin ini, yang terbuka di ujungnya, digunakan untuk
menarik udara melalui menara tempat turbin lain menggerakkan generator. Di
Denmark, mesin Gedser berdiameter 200 kW 24 m dibangun pada tahun 1956,
sedangkan Electriciteʻ de France menguji turbin berdiameter 1,1 MW 35 m
pada tahun 1963. Di Jerman, Profesor Hutter membangun sejumlah turbin
ringan dan inovatif di tahun 1950-an dan 1960-an. Terlepas dari kemajuan
teknis dan antusiasme ini, antara lain, dari Golding di Asosiasi Riset Listrik di
Inggris, hanya ada sedikit minat berkelanjutan pada pembangkit listrik tenaga
angin hingga harga minyak naik secara dramatis pada tahun 1973. Dorongan
untuk pengembangan energi angin pada tahun 1973 adalah karna kekhawatiran
harga minyak dan akan sumber daya bahan bakar fosil yang terbatas. Sekarang,
tentu saja, pendorong utama untuk menggunakan turbin angin adalah untuk
menghasilkan tenaga listrik dengan emisi CO2 yang sangat rendah (selama
siklus hidup pembuatan, instalasi, operasi, dan penonaktifan).
Energi angin diidentifikasi memiliki peran kunci untuk digunakan untuk
pasokan energi terbarukan dengan peningkatan kapasitas turbin angin terpasang
dari 2,5 GW pada tahun 1995 menjadi 40 GW pada tahun 2010. Target ini
kemungkinan akan tercapai karena pada saat penulisan, Januari 2001, ada
sekitar 12 GW angin terpasang kapasitas turbin di Eropa, 2,5 GW yang
dibangun pada tahun 2000 dibandingkan dengan hanya 300 MW pada tahun
1993. Tingkat pertumbuhan tahunan rata-rata pemasangan turbin angin di Eropa
dari tahun 1993–1999 adalah sekitar 40 persen.
9
Alasan pengembangan energi angin di beberapa negara berkembang pesat
sementara di negara lain tidak memenuhi potensi untuk dilakukan
pengembangan. Faktor-faktor penting termasuk mekanisme dukungan finansial
untuk listrik yang dihasilkan oleh angin, proses di mana otoritas perencanaan
lokal tidak memberikan izin untuk pembangunan area turbin angin, dan persepsi
masyarakat lokal khususnya sehubungan dengan dampak visual dari daerahnya.
Untuk mengatasi kekhawatiran penduduk pedesaan akan dampak lingkungan
dari ladang angin, sekarang ada minat untuk pengembangan turbin angin
dilokasi lepas pantai. Penggunaan energi angin di Indonesia sendiri belum
maksimal. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Salah satu faktornya adalah
kecepatan angin rata rata yang ada di Indonesia tergolong rendah yaitu lebih
kecil dari 10 m/s.
Penggunaan energi di masa yang akan datang akan terus bertambah sesuai
dengan meningkatnya jumlah penduduk dan meningkatnya kegiatan ekonomi
di Indonesia. Untuk itulah dibutuhkan penelitian lebih lanjut agar energi angin
ini dapat dimanfaatkan dengan maksimal. Sebagai perbandingan, berikut ini
ditunjukkan negara negara yang telah memanfaatkan energi angin untuk
membangkitkan listrik.
10
Gambar 1. Negara yang telah memanfaatkan turbin angin sebagai pembangkit
(Global wind statistic, 2017)
Pada gambar 1 dapat terlihat beberapa negara yang sudah memanfaatkan turbin
angin sebagai pembagkit, dimana indonesia sendiri belum bisa masuk didalam
jajaran sepuluh besar, sementara pemanfaatan energi angin sebagai pembangkit
listrik di dunia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini karena angin
merupakan sumber energi yang masih sangat besar dan belum dimanfaatkan
secara maksimal. Gambar 2 menunjukkan peningkatan jumlah kapasitas listrik
yang dibangkitkan oleh turbin angin.
11
Gambar 2. Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia
(Global wind statistic, 2017)
Menurut data yang diambil dari laporan tahunan PLN pada tahun 2017, PLN
masih sangat tergantung kepada pemakaian BBM sebagai sumber bahan bakar
untuk penghasil listriknya. Dari semua pembangkit terpasang yang dimiliki
PLN, energi yang dihasilkan oleh energi angin cukup kecil (Energi Bayu).
Berikut ini ditampilkan pembangkit listrik yang dimiliki oleh PLN.
Gambar 3. Energi yang dihasilkan PLN
(Statistik PLN, 2017)
Dari gambar 3 terlihat bahwa angin (bayu) menghasilkan energi yang tidak
besar. Padahal Indonesia memiliki potensi pembangkit energi angin yang belum
dimaksimalkan. Gambar 4 menunjukkan aliran angin yang ada di Indonesia.
12
Untuk beberapa daerah di Indonesia, angin yang berhembus cukup untuk
dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik.
Gambar 4. Aliran angin yang terjadi di Indonesia
(BMKG, 2019)
H. Turbin Angin
Angin memiliki energi berdasarkan gerakannya. Perangkat apa pun yang
mampu memperlambat massa udara yang bergerak, seperti layar atau baling-
baling, dapat mengekstraksi sebagian energi dan mengubahnya menjadi
pekerjaan yang bermanfaat. Faktor-faktor yang menentukan output dari
konverter energi angin adalah kecepatan angin, penampang angin yang dilalui
oleh rotor, efisiensi konversi keseluruhan rotor, sistem transmisi dan generator
13
atau pompa. Turbin angin bekerja berdasarkan prinsip konversi energi kinetik
angin menjadi energi mekanik. Kincir angin dapat digunakan untuk menggiling
biji-bijian, mengangkat air, dan menghasilkan listrik. Fokus penelitian ini
adalah pada kincir angin untuk menghasilkan listrik, ini disebut generator turbin
angin. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horisontal ditunjukkan pada
Gambar 5.
Gambar 5. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horisontal
(Turbinesinfo, 2011)
Sejak awal teknologi energi angin, mesin dari beberapa jenis dan bentuk
dirancang dan dikembangkan di berbagai belahan dunia. Beberapa di antaranya
adalah desain inovatif yang tidak diterima secara komersial. Meskipun ada
beberapa cara untuk mengategorikan turbin angin, mereka secara luas
diklasifikasikan berdasarkan sumbu rotasi mereka yang antaralain:
14
3. Turbin Angin Sumbu Horisontal
Turbin angin sumbu horisontal memiliki sumbu rotasi horizontal ke tanah
dan hampir sejajar dengan aliran angin seperti gambar 6. Sebagian besar
turbin angin komersial termasuk dalam kategori ini. Mesin sumbu
horisontal memiliki beberapa keunggulan seperti kecepatan angin cut-in
yang rendah. Secara umum, mereka menunjukkan koefisien daya yang
relatif tinggi. Namun, generator dan gearbox turbin ini harus ditempatkan
di atas menara yang membuat desainnya lebih kompleks dan mahal.
Gambar 6. Turbin angin sumbu horisontal
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
Kerugian lain adalah perlunya penggerak ekor atau yaw untuk mengarahkan
turbin ke arah angin. Bergantung pada jumlah sudu, turbin angin sumbu
15
horizontal diklasifikasikan lebih lanjut sebagai sudu tunggal, dua sudu, tiga
sudu dan sudu banyak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Sudu tunggal, dua sudu, tiga sudu dan sudu banyak
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
Turbin bersudu tunggal lebih murah karena penghematan pada material
sudu. Drag losses juga minimum untuk turbin ini. Namun, untuk
menyeimbangkan bilah, penghitung berat harus ditempatkan berlawanan
dengan hub. Desain bersudu tunggal tidak terlalu populer karena masalah
keseimbangan. Rotor dua sudu juga memiliki kekurangan ini, tetapi pada
tingkat yang lebih rendah. Sebagian besar turbin komersial yang digunakan
untuk pembangkit listrik memiliki tiga sudu.
Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah
angin terhadap rotor turbin, yaitu:
a. Upwind, apabila turbin angin diletakkan menghadap arah angin.
b. Downwind, apabila turbin angin dihadapkan membelakangi arah angin.
16
Gambar 8. Turbin angin upwind dan downwind
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
4. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Sumbu rotasi turbin angin sumbu vertikal (TASV) adalah vertikal ke tanah
dan hampir tegak lurus dengan arah angin seperti yang terlihat pada Gambar
9. Turbin ini dapat menerima angin dari segala arah. Karenanya perangkat
yaw yang rumit dapat dihilangkan. Generator dan gearbox dari sistem ini
dapat ditempatkan di permukaan tanah, yang membuat desain menara
sederhana dan lebih ekonomis. Apalagi pemeliharaan turbin ini bisa
dilakukan di permukaan tanah.
Gambar 9. Turbin angin sumbu vertikal
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
17
Kerugian utama dari beberapa TASV adalah bahwa mereka biasanya tidak
dapat mulai sendiri. Mekanisme tambahan mungkin diperlukan untuk
mendorong dan memulai turbin setelah dihentikan. Saat rotor
menyelesaikan putarannya, sudu harus melewati zona mati aerodinamis
yang akan menghasilkan penurunan efisiensi sistem. Ada kemungkinan
bahwa sudu dapat beroperasi pada kecepatan tinggi yang akan berbahaya
dan menyebabkan sistem gagal jika tidak dikontrol dengan baik. Beberapa
tipe turbin angin sumbu vertikal dijelaskan sebagai berikut:
d. Turbin angin Darrieus
Rotor Darrieus dinamai penemunya Georges Jeans Darrieus, bekerja
karena gaya angkat yang dihasilkan dari satu set aerofoil . Dalam desain
aslinya sudu berbentuk seperti pengocok telur dan berada di bawah
tekanan murni saat beroperasi. Konfigurasi sudu yang khas ini
membantu meminimalkan tegangan lengkung yang dialami oleh sudu.
Ada beberapa variasi dalam desain Darrieus yang beberapa di antaranya
dengan sudu vertikal lurus, biasa disebut Giromills. Rotor Darrieus
biasanya bekerja pada rasio kecepatan tip tinggi yang membuatnya
menarik sebagai generator listrik tenaga angin. Namun, mereka tidak
memulai sendiri dan memerlukan 'eksitasi' eksternal untuk cut-in. Selain
itu, rotor menghasilkan torsi puncak hanya dua kali per putaran.
18
e. Turbin angin Savonius
Turbin angin Savonius, ditemukan oleh S.J. Savonius, adalah mesin
sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu setengah silinder (atau elips)
yang tersusun dalam bentuk shape S. Kekuatan pendorong dasar rotor
Savonius adalah drag. Koefisien drag permukaan cekung lebih besar
dari permukaan cembung. Oleh karena itu, setengah silinder dengan sisi
cekung yang menghadap angin akan mengalami gaya drag lebih besar
dari silinder lainnya, sehingga memaksa rotor berputar.
Gambar 10. Prinsip kerja turbin angin savonius
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
f. Turbin angin musgrove
Musgrove rotor dikembangkan oleh tim peneliti di bawah Prof.
Musgrove di Universitas Reading, Inggris. Pada dasarnya adalah mesin
lift sumbu vertikal yang memiliki sudu berbentuk 'H' dan poros tengah.
Pada angin kencang, kecepatan rotor berubah menjadi titik horizontal
karena gaya sentrifugal. Ini menghilangkan risiko gaya aerodinamis
19
yang lebih tinggi pada sudu. Berdasarkan penggerak gaya aerodinamis,
turbin angin diklasifikasikan sebagai mesin drag dan lift.
Gambar 11. Prinsip kerja turbin angin savonius
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
I. Hukum Betz’s
Hukum Betz menyatakan bahwa kita hanya dapat mengubah maksimal 59%
energi kinetik dalam angin menjadi energi mekanik menggunakan turbin angin.
Ini karena angin di sisi belakang rotor harus memiliki kecepatan yang cukup
tinggi untuk menjauh dan memungkinkan lebih banyak angin untuk melalui
bidang rotor. Hubungan antara kekuatan PR dan PRmax daya maksimum
diberikan oleh koefisien daya cp.
PR = P1 − P2 = cp ·PRmax (1)
Koefisien daya maksimum ditentukan melalui rasio v2/v1 dan pengaturan
derivasi ke nol.
20
cpmax = 1627
= 0 .593 (2)
v2 = 1
3 ·v1 atau a =
13 (3)
Oleh karena itu, turbin yang ideal akan memperlambat angin hingga 2/3 dari
kecepatan aslinya (hukum Betz).
Gambar 12. Variasi cp sesudah dan sebelum melewati turbin angin
(Wind Energy Handbook, 2001)
J. Tip Speed Ratio
Tip speed ratio adalah faktor yang sangat penting dalam desain turbin angin,
yang didefinisikan sebagai rasio kecepatan tangensial pada ujung sudu dengan
kecepatan angin aktual.
𝑇𝑆𝑅 = 𝜋∙𝐷∙𝑛
𝜐 (4)
21
dimana,
D = diameter turbin (m)
v = kecepatan angin (m/s)
n = putaran turbin (rpm)
Jika kecepatan sudut sudu ω terlalu kecil, sebagian besar angin mungkin lewat
tanpa gangguan melewati sudu, area yang tersapu sudu membuat sedikit kerja
yang berguna pada sudu. Sebaliknya, jika ω terlalu besar, sudu berputar cepat
dapat menghalangi aliran angin sehingga mengurangi ekstraksi daya. Setiap
desain rotor memiliki Tip speed ratio yang optimal di mana ekstraksi daya
maksimum dapat dicapai (Castillo, 2011).
K. Solidity
Solidity σ didefinisikan sebagai rasio antara area sudu total dan area turbin yang
diproyeksikan (Tullis, 2008). Ini adalah parameter non-dimensi penting yang
memengaruhi kemampuan self-starting. Besarnya nilai solidity dapat dihitung
dari persamaan berikut ini:
𝜎 =𝑁∙𝑐
2∙𝜋∙ 𝑟 (5)
dimana :
σ = solidity turbin angin
N = jumlah sudu
c = panjang sudu (m)
R = jari jari turbin angin (m)
22
Solidity menentukan kapan asumsi model momentum dapat diterapkan, dan
hanya ketika menggunakan σ ≥ 0,4 self-starting turbin dapat dicapai (Tong,
2010).
L. Airofoil
Airofoil merupakan penampang sayap pesawat terbang. Airofoil digunakan
untuk mendapatkan gaya lift yang besar sehingga pesawat mampu untuk
terbang. Untuk ekstraksi energi yang efisien, sudu turbin angin modern dibuat
dengan bagian airfoil. Fitur utama dari airfoil tersebut ditunjukkan pada
Gambar 12. Airofoil yang digunakan untuk turbin angin adalah foil udara
penerbangan di bawah seri NACA (National Advisory Committee for
Aeronautics). NACA menentukan fitur airfoil dengan angka. Sebagai contoh,
dalam spesifikasi empat digit, angka pertama menunjukkan camber maksimum
Airofoil pada garis chord (dalam persen chord), angka kedua memberikan
lokasi titik camber maksimum dari tepi depan dan angka ketiga dan keempat
menunjukkan ketebalan maksimum.
Gambar 13. Parameter penting airofoil
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
23
Dengan demikian foil udara NACA 2415 memiliki camber maksimum 2 persen,
terletak pada 0,4 kali panjang chord dari tepi depan dan ketebalan maksimum
adalah 15 persen dari chord. Ketika airofoil ditempatkan dalam aliran angin,
udara melewati permukaan atas dan bawah sudu. Karena kelengkungan sudu
yang khas, udara yang melewati sisi atas harus menempuh jarak yang lebih jauh
per satuan waktu daripada yang melewati sisi yang lebih rendah. Dengan
demikian partikel udara di lapisan atas bergerak lebih cepat. Menurut teorema
Bernoulli, ini harusnya membuat daerah bertekanan rendah pada bagian atas
airofoil. Perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah dari airofoil akan
menghasilkan gaya (F). Komponen gaya ini tegak lurus dengan arah aliran tidak
terganggu yang disebut gaya lift (L) ditunjukkan gambar 13. Gaya ke arah aliran
yang tidak terganggu disebut gaya drag (D).
Gambar 14. Aerofoil lift dan drag
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
Persamaan gaya lift dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐿 = 𝐶𝐿 ∙1
2∙ 𝜌𝑎 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉2 (6)
24
Persamaan gaya drag dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐷 = 𝐶𝐷 ∙1
2∙ 𝜌𝑎 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉2 (7)
dimana CL adalah koefisien lift, CD adalah koefisien gaya drag, ρ adalah massa
jenis udara, V adalah kecepatan angin relative, A adalah luas sudu.
Gambar 15. Efek angle of attack terhadap koefisien lift
(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)
Sudut antara arah angin yang tidak terganggu dan chord dari Airofoil dikenal
sebagai angle of attack (α). Gaya lift dan drag yang dialami oleh Airofoil
dipengaruhi oleh α. Gambar 14 mengilustrasikan efek sudut serang pada
koefisien lift Airofoil. Pada angle of attack yang lebih rendah, gaya lift
meningkat dengan α. Faktor lain yang mempengaruhi gaya angkat dan seret
yang dikembangkan oleh airfoil adalah angka Reynolds. Angka Reynolds
adalah rasio antara gaya gravitasi dan gaya viskos.
𝑅𝑒=𝑉∙𝐶
𝛾 (8)
25
di mana V adalah kecepatan aliran, C adalah panjang chord dan 𝛾 adalah
viskositas kinematik fluida. Untuk udara, viskositas kinematik pada 20o C
adalah 15x10-6 m2/s. Sebagai contoh, ketika airfoil chord 0,33 m ditempatkan
dalam aliran 7 m/s, Re dari aliran adalah 1,54x105. Namun, dalam banyak
perhitungan awal, efek Re dapat diabaikan karena hanya memiliki efek kecil
pada karakteristik lift-drag.
M. Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational fluid dynamics atau yang sekarang lebih dikenal sebagai CFD
adalah sekumpulan metodologi yang menggunakan komputer untuk melakukan
simulasi numerik aliran fluida. Kata ’simulasi’ di sini mengindikasikan bahwa
kita menggunakan komputer untuk menyelesaikan sekumpulan hukum (atau
persamaan-persamaan fisis) yang mengatur peristiwa pergerakan fluida di mana
geometrinya telah dimodelkan pula oleh komputer. Dengan CFD, dapat
dibangun prototipe, dianalisa, dievaluasi, serta dioptimasi suatu sistem semisal
blok mesin, pesawat terbang, terowongan angin, sistem perpipaan, dan lain
sebagainya.
Penggunaan CFD di dunia industri relatif baru, pertama kali digunakan sekitar
tahun 1960an pada industri penerbangan. Karena kesuksesan CFD di industri
penerbangan semenjak pertama kali digunakan, CFD secara cepat menjadi
komponen vital di dalam dunia industri khususnya desain produk, manufaktur,
proses, evaluasi, serta optimasi; sejak itu pula CFD digunakan tidak hanya
26
diindustri penerbangan. Karena tersedianya komputer dan tampilan yang ramah
pengguna (user-friendy interfaces), CFD secara luas memasuki komunitas
industri pada tahun 1990an dan tetap dikembangkan serta digunakan sampai
saat ini.
Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran
fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena aliran lainnya dengan
menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada
dasarnya, persamaan-persamaan fisis yang mengatur peristiwa aliran fluida
(fluid flow governing equations) adalah persamaan-persamaan diferensial yang
merepresentasikan hukum-hukum kekekalan massa, momentum, dan energi.
Penggunaan CFD sangatlah luas, tidak terbatas pada industri penerbangan saja
CFD juga dapat memberikan pemahaman yang lebih lengkap tentang sifat
aliran fluida.
3. Tahapan-tahapan Simulasi CFD
Pada umumnya, ketika melakukan simulasi dengan CFD, ada tiga tahapan
yang harus dilalui:
a. Pre-processing. Pre-processing adalah tahapan pertama dalam memba
ngun dan menganalisis model CFD. Pada tahapan ini, dilakukan
pembuatan model geometri dengan paket CAD (Computer Aided
Design), membuat mesh atau grid yang sesuai, dan menerapkan kondisi
batas dan sifat-sifat fluidanya.
27
b. Solving. Inti dari perhitungan solusi simulasi ada pada tahap solving.
Pada tahap ini, solusi dihitung berdasarkan kondisi-kondisi yang
diterapkan pada tahap pre-processing.
c. Post-processing. Post-processing adalah tahap terakhir dalam CFD.
Pada tahap ini, dilakukan interpretasi dari data hasil simulasi yang dapat
berupa visualisasi kontur, animasi, vektor, kurva, histogram, dan lain
sebagainya.
4. Fluent
Fluent CFD adalah software CFD komersial yang diproduksi oleh Fluent
Inc. Fluent adalah provider software dan penyedia layanan CFD terbesar di
dunia. Fluent menawarkan software CFD yang bersifat general-purpose
untuk dunia industri secara luas. Software Fluent CFD yang disediakan oleh
Fluent Inc. adalah software komputer berbasis teknologi canggih untuk
melakukan modeling dan simulasi aliran fluida dan transfer panas pada
suatu geometri dari yang sederhana hingga yang kompleks. Dengan
menggunakan software Fluent, dapat juga dilakukan komputasi paralel
untuk menghitung solusi dari model dengan mesh yang sangat banyak
dengan menggunakan beberapa prosesor komputer.
22
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan digedung H Jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung dan Laboratorium Teknik Mesin Universitas Lampung,
dimulai dari bulan Januari 2019 sampai dengan Agustus 2019.
B. Variabel Penelitian
Pada penelitian ini ditentukan dua buah variable penelitian, yakni variabel
terikat dan variabel bebas, variabel ini digunakan untuk mempermudah dalam
pengambilan kesimpulan.
1. Variabel Terikat
Untuk menyederhanakan permasalahan dalam aliran fluida , maka dalam
penelitian ini di tetapkan variabel terikat yaitu:
a. Sudut serang aerofoil
b. Panjang chord
29
2. Variabel Bebas
Variable bebas yaitu variable yang mempengaruhi variable terikat. Adapun
yang menjadi variabel bebas dalam penelitian ini yaitu:
a. Koefisien gaya lift
b. Koefisien gaya drag
C. Urutan Proses Analisis
Untuk melakukan perhitungan performansi turbin angin ini maka dibuat urutan
proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik yang
meliputi:
1. Pengumpulan Data Awal
Data data yang dikumpulkan merupakan gambaran umum berupa latar
belakang dan ide yang berhubungan dengan turbin angin. Permasalahan dan
pemecahan masalah yang telah dilakukan para peneliti yang berhasil
dikumpulkan dipelajari untuk menentukan langkah langkah yang dapat
dilakukan. Berdasarkan hal tersebut, penulis menetapkan latar belakang dan
tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini.
2. Studi Literatur
Penulis melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan dari buku
buku , jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis
juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis
pengerjaan simulasi.
30
3. Simulasi dengan secara CFD
Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu menginput
data ke komputer, melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing,
dan akhirnya mensimulasikan. Software yang digunakan pada masing
masing tahapan yaitu notepad, Ms. Excel, Ansys Design Modeler dan Ansys
Fluent.
4. Pembahasan Hasil
Pembahasan hasil dilakukan dengan melihat hasil yang didapat setelah
dilakukan simulasi berupa kontur kecepatan, tekanan, koefisien gaya lift dan
koefisien gaya drag. Hasil yang didapat lalu ditampilkan berupa grafik
dengan membandingkan dengan data eksperimen.
5. Penarikan Kesimpulan
Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian
yang telah ditetapkan sebelumnya. Dengan demikian diharapkan tidak
terjadi penyimpangan dari tujuan penelitian.
D. Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Komputer
Peralatan pengujian merupakan seperangkat komputer yang telah terinstal
software yang berkaitan dengan spesifikasi komputer sebagai berikut:
31
- Processor : AMD A4
- RAM : 4 Gb
- VGA : AMD Radeon HD 8330
- Operating system : Win10 64 bit
2. Software
Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah notepad, Ms. Excel
untuk input koordinat geometri, software Ansys Design Modeler untuk
mendesain dimensi dari airofoil dan software Ansys Fluent untuk
mensimulasikan hasil dari desain yang telah dibuat.
E. Langkah-langkah Pengujian
Adapun langkah-langkah pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah
sebagai berikut:
1. Pemodelan geometri airofoil secara 2D
airofoil yang dipilih merupakan airofoil NACA tipe 4412 yang diunduh dari
situs milik Universitas Illinois. Penampang dari airfoil ini ditunjukkan oleh
gambar 16. Alasan pemilihan aerofoil NACA 4412 untuk disimulasi adalah
sebagai berikut:
a. seri 44xx merupakan tipe airofoil yang sering digunakan untuk turbin
angin dan disebut juga laminar airofoil.
b. memiliki gaya drag yang kecil pada besar sudut serang tertentu.
c. Tidak terlalu terpengaruh oleh kekasaran pada permukaannya (surface
roughness).
32
Gambar 16. Geometri airfoil NACA 4412
(University of Illinois at Urbana-Champaign, 2018)
Langkah langkah dalam melakukan pemodelan geometri dibagi kedalam
dua tahap yaitu input koordinat geometri dan pembentukan geometri
aerofoil di software Ansys Design Modeler.
a. Input koordinat geometri airfoil
Koordinat geometri yang telah diunduh dari situs resmi milik
Universitas Illinois berupa file notepad yang tersusun atas 2 kolom.
Kolom ini mewakili sumbu x dan sumbu y. Untuk dapat diinput ke
software Ansys Design Modeler, diperlukan koordinat untuk sumbu z.
Langkah yang dilakukan adalah meng copy file yang ada di notepad ke
Ms. Excell. Proses pengubahan file ini ditunjukkan oleh gambar 17.
33
Gambar 17. Koordinat aerofoil yang sudah diubah
b. Pembentukan geometri airfoil
Langkah kedua adalah membentuk geometri dengan software Ansys
Design Modeler. Tahapan yang dilakukan adalah menginput koordinat
airofoil ditunjukkan pada gambar 18. Proses simulasi airofoil ini
dilakukan seperti di terowongan angin . hanya saja terowongan angin
digantikan oleh bentuk simulasi dalam bentuk CFD. Langkah
berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana airofoil ini
diletakkan seperti gambar 19.
34
Gambar 18. Menginput koordinat airofoil ke design modeler
Gambar 19. Geometri airofoil dan lingkungannya
2. Simulasi Airofoil 2D
File model geometri yang telah dihasilkan di design modeler lalu dibuka di
Fluent. Setelah terbuka, dilakukan proses mesh dan pengecekan kondisi
mesh apakah sudah benar atau terdapat error. Jika muncul pesan error maka
hal yang harus dilakukan adalah melakukan meshing ulang.
airofoil
35
a. Pembentukan mesh
Langkah selanjutnya yang akan dilakukan setelah membuat geometri
adalah melakukan pembagian objek menjadi bagian bagian kecil disebut
dengan meshing. Ukuran mesh yang terdapat pada suatu objek akan
mempengaruhi ketelitian hasil perhitungan CFD. Semakin kecil ukuran
mesh pada suatu objek, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti,
tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama
dibandingkan dengan objek yang memiliki ukuran mesh yang lebih
besar. Konsep pembuatan mesh yang dilakukan dimulai dari mesh garis
lalu mesh bidang. Hasil meshing yang dilakukan ditunjukkan oleh
gambar 20 dan gambar 21 menunjukkan tampilan mesh zoom in.
Gambar 20. Tampilan mesh dan lingkunganya yang telah dibuat di
Ansys Fluent
36
Gambar 21. Tampilan mesh pada airofoil yang dibuat di Ansys Fluent
b. Penentuan boundary condition
Setelah selesai melakukan meshing pada bentuk geometri, hal
selanjutnya adalah menetapkan boundary condition. Boundary
condition diperlukan sebagai parameter yang akan dikenali Fluent untuk
menyelesaikan suatu kasus CFD. Parameter yang digunakan dalam
menyelesaikan kasus ini adalah dengan menggunakan boundary
Velocity Inlet. Penelitian ini berupa simulasi seperti di terowongan
angin maka parameter yang digunakan harus mirip seperti simulasi di
terowongan angin agar hasilnya nanti dapat dibandingkan. Penetapan
boundary condition ditunjukkan oleh gambar 22.
Gambar 22. Boundary condition
Velocity
inlet
wall
outlet
37
c. Melakukan iterasi
Langkah berikutnya setelah penentuan nilai boundary condition adalah
melakukan inisialisasi dan iterasi. Simulasi akan mencapai konvergen
setelah melalui beberapa iterasi. Proses iterasi ditunjukkan gambar 23.
Gambar 23. Proses iterasi
d. Melakukan post processing
Hasil konvergen akan didapat setelah dilakukan beberapa kali iterasi.
Langkah selanjutnya adalah melakukan post-processing berupa nilai CL,
CD, vektor kecepatan, kontur tekanan serta data data lain yang
dibutuhkan pada penelitian ini seperti ditunjukkan oleh gambar 24.
Gambar 24. Kontur kecepatan
38
F. Diagram Alir
Gambar 25. Diagram alir penelitian
Ya
Tidak
MULAI
Identifikasi masalah dan menetapkan
tujuan penelitian
STUDI AWAL:
:::AWAL AWAL Studi literatur
PENGUMPULAN DATA:
- Data aerofoil
- Data eksperimen
PENGOLAHAN DATA : Input data
Komputasi data
ANALISIS DATA
KESIMPULAN
SELESAI
39
Gambar 26. Diagram alir prosedur simulasi
Tidak
Ya
Tidak
Ya
Pendefinisian bidang batas pada geometri
Pengecekan mesh
Mesh baik?
Penentuan kondisi batas
Proses numerik
Iterasi berhasil ?
1 . Plot kontur tekanan dan kecepatan . Plot grafik 2
. Plot kecepatan angin 3
Selesai
Mulai
47
V. PENUTUP
A. Simpulan
Adapun dari hasil pengambilan data dan pengamatan yang dilakukan dapat
ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Airfoil NACA 4412 memiliki nilai rasio glide paling optimal pada sudut
serang 0o yaitu sebesar 36,585. Dimana terlihat pada kontur tekanan bahwa
tekanan maksimum yang terjadi pada airfoil sudut serang 0o terjadi pada
leading edge airfoil, selain itu juga tekanan yang paling rendah terjadi pada
permukaan atas airfoil sehingga pada kondisi ini gaya lift akan lebih besar
dibandingkan dengan gaya drag yang terjadi. Aliran udara yang mengalir
terlihat rapat dan tidak terjadi kondisi flow separation yang dapat
menyebabkan kondisi stall pada airfoil. Sedangkan untuk nilai koefisien lift
maksimum terdapat pada sudut serang 16o yaitu sebesar 1,540 dan nilai
koefisien drag minimum pada sudut serang -4o yaitu sebesar 0.001.
2. Pada chord 1 m terlihat mengalami stall pada sudut serang 18o ditandai
dengan menurunya nilai koefisen lift dan meningkatnya nilai koefisen drag,
sedangkan pada chord 0.65 m dan chord 0,3 m belum terlihat mengalami
54
stall hingga sudut serang 20o. Stall terjadi karena adanya separasi aliran
pada sudut serang 18o, dimana kecepatan aliran di atas chord lebih lambat
dibandingkan kecepatan di bawah chord dikarenakan tekanan di atas chord
lebih besar dibandingkan tekanan di bawah chord.
3. Rata-rata persentase error yang terjadi menunjukan hasil yang sesuai yaitu
kurang dari 10%, sehingga simulasi CFD 2D pada airfoil ini cukup sesuai
dengan kondisi aktualnya. Eror tersebut dikarenakan pengaruh model grid
mesh yang digunakan dan dikarenakan pada simulasi CFD, aliran turbulen
digunakan sepenuhnya dikeseluruhan bagian airfoil sedangkan pada
aktualnya ada aliran laminar disetengah bagian airfoil.
B. Saran
Ada beberapa saran yang penulis tuliskan untuk perbaikan penelitian ini
dikemudian hari yaitu sebagai berikut:
1. Simulasi CFD sebaiknya dilakukan dengan menggunakan komputer dengan
spesifikasi komputer yang lebih baik sehingga pada proses iterasi bisa
dilakukan dengan cepat dalam pengambilan data dan didapatkan model
mesh yang lebih baik dengan jumlah mesh yang lebih banyak agar data yang
didapatkan lebih akurat.
2. Variasi airfoil yang lain perlu untuk disimulasi untuk mengetahui airfoil
yang paling optimal dalam mengekstrak energi angin.
3. Agar simulasi yang dilakukan lebih akurat dan presisi, model mesh diatur
menjadi lebih baik (finer mesh).
55
DAFTAR PUSTAKA
Aryanto, F., Mara, I.M. dan Nuarsa, M. 2013. Pengaruh kecepatan angin dan variasi
jumlah sudu terhadap unjuk kerja turbin angin poros horizontal. Dinamika
teknik mesin, Vol.3 No. 1.
Burton, Tony. 2001. Wind Energy handbook. John Wiley & Sons, Ltd. England.
Castillo. 2011. Small-scale vertical axis wind turbine design. Tamper university of
applied scince.
Dhawale, Shubham. 2017. Computational Fluid Dynamic Analysis Of Airfoil
NACA 0015. International Journal of Mechanical Engineering and
Technology (IJMET).
Dsouza, Alister, Gleason. 2015. Study of Aerofoil Design Parameters for Low
Speed Wind Tunnel. Dept. of Mechanical Engineering, Sahyadri College of
Engineering & Management, India.
El.Ali, M. 2007. Comparison between solar and wind energy in lebanon. 9th
international conference on electrical power quality and utilisation.
Barcelona.
Erlangga, Gema Pandji. 2017. Studi Eksperimental Karakteristik Aerodinamik
Airfoil Naca 4412 Dengan Variasi Kecepatan Aliran Udara. Departemen
56
Teknik Fisika, Fakultas Teknologi, Industri Institut Teknologi Sepuluh
Nopember, Surabaya.
Imran, Al Ichlas. 2017. Simulasi Desain Horizontal Wind Turbin Dengan Air Foil
Naca 2410 Untuk Potensi Listrik Di Sulawesi Tenggara Menggunakan
Software Ansys 16.0. Staf Pengajar Teknik Mesin. Universitas Halu Oleo.
Juliyana, S Jebarose. 2017. Design And Analysis Of NACA 4420 Wind Turbine
Aerofoil Using Cfd. International Journal of Mechanical Engineering and
Technology (IJMET).
Matthew, S. 2006. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics.
Springer . Berlin, Jerman.
P. Jamieson. 2011. Innovation in wind turbine design. John Wiley & Sons.
Pinkerton, Robert m. 1997. Calculated and measured pressure distributions over
the mid span section of the NACA 4412 airfoil, Report No.563, United States
of America.
Ramadika, Wisnu. 2018. Pengaruh Panjang Chord Terhadap Nilai Koefisien Gaya
Angkat (Cl) Dan Koefisien Gaya Hambat (Cd) Pada Variasi Sudut Serang
Hydrofoil Naca 0018 Menggunakan Computational Fluid Dynamics.
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti.
S. Oerlemans, J. Schepers, G. Guidati, and S. Wagner. 2001. Experimental
demonstration of wind turbine noise reduction through optimized airfoil
shape and trailing-edge serrations. Nationaal Lucht-en Ruimtevaart.
Schubel , Peter J. 2012. Wind turbine blade design. Jurnal Enesis. Nottingham.
Inggris Raya.
Statistik PLN 2018 yang diterbitkan oleh sekretariat perusahaan PT.PLN.
57
Sugiarto, Tris. 2007. Analisa Karakteristik Airfoil Naca 4412 Dengan Metode
Wind Tunnel. Intuisi Teknologi dan Seni.
Tong, Wei. 2010. Wind Power generation and wind turbine design. WIT Press:
Southampton.
Tullis. 2008. medium-solidity vertical axis wind turbines.
Versteeg, H.K. 1995. An introduction to computational fluid dynamics. Longman.
England.
Wagner, H J. 2017. Introduction to wind energy systems. Ruhr-University Bochum.
Bochum, Germany.
Website:
http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html. diakses tanggal 26
Maret 2019.
http://www.bmkg.go.id/BMKG_Pusat/Meteorologi/Prakiraan_Angin.bmkg.
diakses tanggal 26 Maret 2019.
http://www.gwec.net/global-figures/graphs/. diakses tanggal 23 Maret 2019.