terhadap performa turbinlib.unnes.ac.id/36609/1/5212414034_optimized.pdfpanjang batang dan bentuk...
TRANSCRIPT
i
PENGARUH PANJANG BATANG DAN BENTUK
DAUN EKOR PADA TURBIN ANGIN SUMBU
HORIZONTAL DENGAN MEKANISME FURLING
TERHADAP PERFORMA TURBIN
Skripsi
Diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin
Oleh
Basori Hidayatullah
NIM. 5212414034
TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2020
ii
PERSETUJUAN PEMBIMBING
Nama : Basori Hidayatullah
NIM : 5212414034
Program Studi : Teknik Mesin
Judul : Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada Turbin
Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling
Terhadap Performa Turbin
Skripsi/TA ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke sidang panitia
ujian Skripsi/TA Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Negeri Semarang.
Semarang, 13 November 2019
Pembimbing,
Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D.
NIP. 197706222006041001
iii
PENGESAHAN
Skripsi dengan judul Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada
Turbin Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap Performa
Turbin telah dipertahankan di depan Panitia Ujian Skripsi Fakultas Teknik
UNNES pada tanggal 16 Desember 2019
Oleh
Nama : Basori Hidayatullah
NIM : 5212414034
Program Studi : Teknik Mesin
Panitia:
Ketua Panitia
Rusiyanto, S.Pd., M.T.
NIP. 197403211999031002
Sekretaris
Samsudin Anis S.T., M.T., Ph.D.
NIP. 197601012003121002
Penguji I
Drs. Sunyoto, M.Si.
NIP. 196511051991021001
Penguji II
Widya Aryadi, S.T., M.Eng.
NIP. 197209101999031001
Pembimbing
Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D.
NIP. 197706222006041001
Mengetahui:
Dekan Fakultas Teknik UNNES
Dr. Nur Qudus, M.T., IPM.
NIP. 196911301994031001
iv
PERNYATAAN KEASLIAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa:
1. Skripsi ini, adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan gelar
akademik (sarjana, magister, dan/atau doktor), baik di Universitas Negeri
Semarang (UNNES) maupun di perguruan tinggi lain.
2. Karya tulis ini adalah murni gagasan, rumusan, dan penelitian saya sendiri,
tanpa bantuan pihak lain, kecuali arahan Pembimbing dan masukan Tim
Penguji.
3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis
atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas
dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama pengarang
dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan apabila di kemudian hari
terdapat penyimpangan dan ketidakbenaran dalam pernyataan ini, maka saya
bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar yang telah
diperoleh karena karya ini, serta sanksi lainnya sesuai dengan norma yang
berlaku di perguruan tinggi ini.
Semarang, 6 Januari 2020
Yang membuat pernyataan,
Basori Hidayatullah
NIM. 5212414034
v
MOTTO
“Follow the right path you wanna choose”
“Allah takkan melupakan kebaikan yang kau beri, kesusahan orang lain
yang kau atasi, dan mata yang hampir saja menangis lalu kau buat bahagia.”
“Jadilah orang baik, meskipun kau tak diperlakukan baik oleh orang lain.”
-Aan Candra Talib-
Teruntuk Bapak, Ibu, dan Kakakku. Merupakan orang orang yang paling penting
dalam hidupku.
vi
SARI
Hidayatullah, Basori. 2019. Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor
pada Turbin Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap
Performa Turbin. Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D. Program Studi Teknik
Mesin.
Turbin angin skala kecil yang beroperasi pada kecepatan angin rendah
secara teratur akan menghadapi permasalahan kinerja yawing yang berhubungan
dengan ekor. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh
panjang batang dan bentuk daun ekor terhadap performa turbin melalui daya yang
dihasilkan dan sudut yawing dan furling yang dibentuk.
Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Variasi panjang batang
ekor yang digunakan adalah 0,35 m, 0,53 m, dan 0,71 m. Variasi bentuk daun
ekor yang digunakan adalah Rectangular, Trapezoidal, Triangular, Up
Rectangular, Down Rectangular, Up Trapezoidal, Down Trapezoidal, Up
Triangular dan Down Triangular. Variasi kecepatan angin yang digunakan adalah
4,3 m/s, 4,8 m/s dan 5,2 m/s. Pengujian langsung dilakukan di Pantai Marina
Semarang. Pengukuran daya menggunakan multimeter digital, pengukuran sudut
yawing dan furling menggunakan rekaman video dan diukur menggunakan
aplikasi Solidworks. Pengukuran kecepatan angin menggunakan anemometer
digital.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa konfigurasi terbaik adalah bentuk
ekor Triangular dengan panjang batang batang 0,53 m. Untuk konfigurasi ini,
daya yang dihasilkan mengalami peningkatan dari kecepatan angin 4,3 m / s
(0,816 watt) ke 4,8 m / s (1,140 watt) dan mengalami penurunan pada kecepatan
angin 5,2 m / s (1,081 watt), ini sesuai dengan desain rancangan dimana pada
kecepatan angin di atas 5 m / s, desain mekanisme furling akan bekerja untuk
mengurangi penangkapan energi angin dengan mengalihkan arah rotor ke arah
angin. Sehingga kerusakan mata pisau karena tekanan angin yang lebih tinggi
dapat diminimalisir.
Kata kunci: Furling, Turbin Angin Sumbu Horizontal, Yawing, Panjang Batang
Ekor, Bentuk Daun Ekor.
vii
PRAKATA
Segala puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang
berjudul Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada Turbin Angin
Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap Performa Turbin.
Proposal skripsi ini disusun sebagai salah satu persyaratan meraih gelar Sarjana
Teknik pada Program Studi S1 Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang.
Shalawat dan salam disampaikan kepada Nabi Muhammad SAW, mudah-
mudahan kita semua mendapatkan safaat Nya di yaumil akhir nanti, Aamiin.
Penyelesaian skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena
itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih serta
penghargaan kepada:
1. Prof. Dr. Fathur Rokhman, M.Hum., Rektor Universitas Negeri Semarang
atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menempuh studi di
Universitas Negeri Semarang.
2. Dr. Nur Qudus, M.T., IPM., Dekan Fakultas Teknik, Rusiyanto, S.Pd.,
M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin, Samsudin Anis S.T., M.T., Ph.D.,
Koordinator Program Studi Teknik Mesin S1 atas fasilitas yang disediakan
bagi mahasiswa.
3. Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D., Pembimbing yang penuh
perhatian dan atas perkenaan memberi bimbingan dan dapat dihubungi
sewaktu-waktu disertai kemudahan menunjukan sumber-sumber yang
relevan dengan penulisan skripsi ini.
4. Drs. Sunyoto, M.Si. dan Widya Aryadi, S.T., M.Eng., Penguji yang telah
memberi masukan yang sangat berharga berupa saran, ralat, perbaikan,
pertanyaan, komentar, tanggapan, menambah bobot dan kualitas skripsi
ini.
5. Semua dosen Jurusan Teknik Mesin FT. UNNES yang telah memberi
bekal pengetahuan yang berharga.
viii
6. Keluargaku yang selalu mendoakan serta memberikan dukungan moril
maupun materi.
7. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin angkatan 2014 yang telah
memberikan semangat dan saran dalam pembuatan skripsi ini.
8. Semua pihak yang telah memberi bantuan untuk pembuatan skripsi ini
yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki banyak
kekurangan yang disebabkan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis.
Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran agar kedepannya skripsi
ini dapat bermanfaat.
Semarang, 6 Januari 2020
penulis
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL DALAM ............................................................................... i
PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................................................... ii
PENGESAHAN ..................................................................................................... iii
PERNYATAAN KEASLIAN ................................................................................ iv
MOTTO .................................................................................................................. v
SARI ....................................................................................................................... vi
PRAKATA ............................................................................................................ vii
DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xvi
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1
1.2 Identifikasi Masalah .................................................................................... 4
1.3 Pembatasan Masalah ................................................................................... 5
1.4 Rumusan Masalah ....................................................................................... 6
1.5 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 6
1.6 Manfaat Penelitian ....................................................................................... 7
1.6.1 Secara Teoritis ............................................................................................. 7
1.6.2 Secara Praktis .............................................................................................. 7
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI ................................... 8
2.1 Kajian Pustaka ............................................................................................. 8
2.2 Landasan Teori .......................................................................................... 11
2.2.1 Energi Angin ............................................................................................. 11
2.2.2 Konversi Energi Angin .............................................................................. 12
2.2.3 Turbin Angin ............................................................................................. 14
2.2.4 Klasifikasi Turbin Angin ........................................................................... 14
2.2.5 Jenis – jenis Bilah ...................................................................................... 15
2.2.6 Airfoil ........................................................................................................ 16
2.2.7 Ekor Turbin ............................................................................................... 18
x
2.2.8 Mekanisme Furling ................................................................................... 19
2.2.9 Cara Kerja Mekanisme Furling ................................................................. 21
2.2.10 Rumus Perancangan Mekanisme Furling ................................................. 22
2.3 Kerangka Berfikir ...................................................................................... 26
2.4 Hipotesis .................................................................................................... 27
BAB III METODE PENELITIAN....................................................................... 29
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................... 29
3.1.1 Waktu Penelitian ....................................................................................... 29
3.1.2 Tempat Penelitian ...................................................................................... 29
3.2 Desain Penelitian ....................................................................................... 29
3.2.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................................ 29
3.2.2 Spesifikasi Bilah ........................................................................................ 31
3.2.3 Hasil Perancangan Desain Ekor ................................................................ 32
3.2.4 Spesifikasi Panjang Batang Ekor dan Bentuk Daun Ekor ......................... 34
3.2.5 Skema Alat pengujian ............................................................................... 34
3.3 Alat dan Bahan Penelitian ......................................................................... 35
3.3.1 Alat Penelitian ........................................................................................... 35
3.3.2 Bahan Penelitian ........................................................................................ 38
3.4 Parameter Penelitian .................................................................................. 40
3.5 Teknik Pengumpulan Data ........................................................................ 41
3.6 Kalibrasi Instrumen ................................................................................... 47
3.7 Teknik Analisis Data ................................................................................. 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 50
4.1 Deskripsi Data ........................................................................................... 50
4.2 Analisis Data dan Pembahasan ................................................................. 55
4.2.1 Hubungan Daya dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ....................... 56
4.2.2 Hubungan Daya dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ...................... 65
4.2.3 Hubungan Sudut Yawing dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ......... 70
4.2.4 Hubungan Sudut Furling dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ......... 77
4.2.5 Hubungan Sudut Yawing dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ........ 85
4.2.6 Hubungan Sudut Furling dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ........ 88
4.2.7 Hubungan Sudut Yawing dengan Panjang Ekor ........................................ 90
xi
4.2.8 Hubungan Sudut Furling dengan Panjang Ekor ....................................... 92
4.2.9 Stabilitas Performa Ekor Pada Turbin Angin ............................................ 93
BAB V PENUTUP ............................................................................................... 95
5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 95
5.2 Saran .......................................................................................................... 97
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 99
LAMPIRAN ........................................................................................................ 101
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Sumber Daya Energi Baru dan Energi Terbarukan ................................ 1
Tabel 3.1 Data Hasil Perhitungan Rancangan....................................................... 32
Tabel 3.2 Variasi Bentuk Daun Ekor Turbin ........................................................ 33
Tabel 3.3 Instrumen Penelitian Pengujian Kerja Ekor dalam Mengarahkan Turbin
untuk Kestabilan dan Efektifitas Performa Ekor. ................................. 42
Tabel 3.4 Instrumen Penelitian Pengukuran Daya, Sudut Furling dan Sudut
Yawing pada Turbin Angin di Lapangan. ............................................ 44
Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Rakitan Ekor ................................................... 51
Tabel 4.2 Pengujian Kerja Ekor Dalam Mengarahkan Turbin ............................. 53
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Peta Potensi Tenaga Angin ................................................................. 2
Gambar 2.1 Aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas ............... 12
Gambar 2.2 Efisiensi turbin angin ........................................................................ 13
Gambar 2.3 Gaya lift dan gaya drag ..................................................................... 14
Gambar 2.4 (a) TASH dan (b) TASV ................................................................... 15
Gambar 2.5 Jenis – jenis bilah .............................................................................. 16
Gambar 2.6 Airfoil dengan bagian – bagiannya. ................................................... 17
Gambar 2.7 Macam – macam ide desain ekor turbin............................................ 19
Gambar 2.8 Geometri turbin angin skala kecil dengan kontrol furling ................ 20
Gambar 2.9 Cara kerja mekanisme furling ........................................................... 21
Gambar 2.10 Diagram Cp dan Ct sebagai fungsi TSR .......................................... 23
Gambar 2.11 Skema mekanisme furling ............................................................... 25
Gambar 2.12 Skema mekanisme furling saat kecepatan angin tinggi .................. 25
Gambar 2.13 Skema mekanisme furling tampak belakang ................................... 26
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ...................................................................... 31
Gambar 3.2 NACA 3612...................................................................................... 32
Gambar 3.3 Bilah taper NACA 3612 ................................................................... 32
Gambar 3.4 Skema alat pengujian ........................................................................ 35
Gambar 3.5 Anemometer digital ........................................................................... 36
Gambar 3.6 Multimeter digital .............................................................................. 36
Gambar 3.7 Gergaji besi ....................................................................................... 37
Gambar 3.8 Bor tangan ......................................................................................... 37
Gambar 3.9 Penggaris ........................................................................................... 38
Gambar 3.10 DC Motor Generator ....................................................................... 38
Gambar 3.11 Triplek ............................................................................................. 39
Gambar 3.12 Pipa Aluminium .............................................................................. 39
Gambar 4.1 Skema metode pengukuran data ........................................................ 50
Gambar 4.2 Grafik daya - kecepatan angin (Rectangular) .................................... 56
Gambar 4.3 Grafik daya - kecepatan angin (Trapezoidal) .................................... 57
Gambar 4.4 Grafik daya - kecepatan angin (Triangular) ..................................... 58
xiv
Gambar 4.5 Grafik daya - kecepatan angin (Up Rectangular) ............................. 59
Gambar 4.6 Grafik daya - kecepatan angin (Down Rectangular) ......................... 60
Gambar 4.7 Grafik daya - kecepatan angin (Up Trapezoidal) .............................. 61
Gambar 4.8 Grafik daya - kecepatan angin (Down Trapezoidal) ......................... 61
Gambar 4.9 Grafik daya - kecepatan angin (Up Triangular)................................ 62
Gambar 4.10 Grafik daya - kecepatan angin (Down Triangular) ......................... 63
Gambar 4.11 Grafik daya - kecepatan angin (0,35 m) .......................................... 65
Gambar 4.12 Tabel daya pada batang ekor 0,35 m ............................................... 66
Gambar 4.13 Grafik daya - kecepatan angin (0,53 m) .......................................... 66
Gambar 4.14 Tabel daya pada batang ekor 0,53 m ............................................... 67
Gambar 4.15 Grafik daya - kecepatan angin (0,71 m) .......................................... 67
Gambar 4.16 Tabel daya pada batang ekor 0,71 m ............................................... 68
Gambar 4.17 Tabel daya pada semua variasi panjang batang ekor ...................... 69
Gambar 4.18 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Rectangular).................... 70
Gambar 4.19 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Trapezoidal) .................... 71
Gambar 4.20 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Triangular) ...................... 72
Gambar 4.21 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Rectangular) .............. 73
Gambar 4.22 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Rectangular) ......... 74
Gambar 4.23 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Trapezoidal) .............. 74
Gambar 4.24 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Trapezoidal) ......... 75
Gambar 4.25 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Triangular) ................ 76
Gambar 4.26 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Triangular) ........... 77
Gambar 4.27 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Rectangular) .................... 78
Gambar 4.28 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Trapezoidal) ..................... 78
Gambar 4.29 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Triangular) ...................... 79
Gambar 4.30 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Rectangular) .............. 80
Gambar 4.31 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Rectangular) .......... 81
Gambar 4.32 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Trapezoidal) ............... 82
Gambar 4.33 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Trapezoidal) .......... 82
Gambar 4.34 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Triangular)................. 83
Gambar 4.35 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Triangular) ............ 84
Gambar 4.36 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (0,35 m) ............................ 85
xv
Gambar 4.37 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (0,53 m) ............................ 86
Gambar 4.38 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (0,71 m) ............................ 87
Gambar 4.39 Grafik sudut furling - kecepatan angin (0,35 m) ............................. 88
Gambar 4.40 Grafik sudut furling - kecepatan angin (0,53 m) ............................. 89
Gambar 4.41 Grafik sudut furling - kecepatan angin (0,71 m) ............................. 90
Gambar 4.42 Grafik sudut yawing - panjang batang ekor (4,3 m/s) ..................... 91
Gambar 4.43 Grafik sudut yawing - panjang batang ekor (4,8 m/s) ..................... 91
Gambar 4.44 Grafik sudut yawing - panjang batang ekor (5,2 m/s) ..................... 92
Gambar 4.45 Grafik sudut furling - panjang batang ekor (4,3 m/s) ...................... 92
Gambar 4.46 Grafik sudut furling - panjang batang ekor (4,8 m/s) ...................... 93
Gambar 4.47 Grafik sudut furling - panjang batang ekor (5,2 m/s) ...................... 93
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 : Perhitungan rancangan ekor turbin ................................................ 101
Lampiran 2 : Desain rancangan........................................................................... 105
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Konsumsi energi di Indonesia semakin hari semakin meningkat bersamaan
dengan semakin berkurangnya sumber energi tidak terbarukan yang sekarang
umum dipakai. Perlu adanya alternatif pengganti energi lain untuk menanggulangi
permasalahan ini, seperti yang sudah banyak kita ketahui, banyak sekali alternatif
sumber daya energi terbarukan yang bisa menjadi pilihan, seperti halnya
pemanfaatan sumber daya alam yang tersedia dan mampu diperbaharui atau biasa
disebut Renewable Energy. Macam – macam sumber daya energi baru terbarukan
ditunjukkan pada tabel 1.1 berikut:
Tabel 1.1 Sumber Daya Energi Baru dan Energi Terbarukan
Jenis Energi Sumber Daya Kapasitas
Terpasang
Pemanfaatan
%
Tenaga Air 94.476 MW 5.024 MW 5,3 %
Panas Bumi 29.544 MW 1.403,5 MW 4,8 %
Bioenergi 32.000 MW dan
200.000 bpd BBN 1.740,4 MW 5,4 %
Surya 4,80 kWh/m2/day
207,9 GW 78,5 MW
Angin dan
Hybrid
3 – 6 m/s
60 GW 3,1 MW
Energi Laut
61 GW.
Gelombang: 1.995 MW
Panas Laut (OTEC): 41.001
MW
Arus Laut: 17.989 MW
0,01 MW
Shale Gas 574 TSCF
Coal Bed
Methane (CBM) 456,7 TSCF
Catatan:
1) Angka potensi dari Draft RUEN, 2016
2) Data Ratifikasi antara ESDM dan Asosiasi Energi Laut Indonesia (ASELI), 2014
3) Purwarupa Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), 2010
4) DJ EBTKE, 2014
(Sumber: DEN, 2016: 29)
2
Sumber daya jenis ini juga tidak menimbulkan polusi yang bisa
membahayakan kesehatan manusia.
Dari tabel data di atas, energi alternatif yang bisa dijadikan pengganti bahan
bakar fosil antara lain adalah tenaga air, panas bumi, bioenergi, surya, angin dan
hybrid, energi laut, shale gas, coal bed methane (CBM). Berdasarkan sumber daya
energi baru terbarukan yang sudah terdata, semuanya bisa dijadikan energi
alternatif karena perbandingan kapasitas yang terpasang dan juga pemanfaatanya
masih sangat sedikit, sehingga sangat memungkinkan untuk dimanfaatkan dan
dikembangkan sebagai pengganti alternatif energi.
Salah satu energi yang sudah dimanfaatkan dan dikembangkan saat ini
adalah energi angin. Energi angin sendiri pemanfaatanya masih cenderung sedikit,
dengan potensi tenaga angin yang ada di Indonesia sesuai dengan gambar berikut:
Gambar 1.1 Peta Potensi Tenaga Angin
(Sumber: DEN, 2016: 30)
3
Pada Tahun 2018 telah dibangun first wind farm di Indonesia, yaitu PLTB
Sidrap I, pada bulan Juli 2018. Wind farm ini mampu menghasilkan 75 MW listrik
dan dialirkan ke 70.000 rumah tangga di Sulawesi Utara. Proyek lainnya yaitu
Karaha Unit I (30 MW) di Jawa Barat dan Sarulla Unit III (110 MW) di Sumatera
Selatan (Arinaldo, et al, 2018: 4).
Untuk menjadikan energi angin agar dapat dimanfaatkan, maka diperlukan
sebuah alat konversi, maka dibuatlah turbin angin. Turbin angin merupakan
sebuah peralatan konversi yang cara kerjanya adalah dengan mengkonversikan
energi kinetik yang selanjutnya menjadi energi listrik.
Turbin angin skala kecil yaitu turbin angin yang memproduksi tenaga antara
1 hingga 100 kW. Turbin angin skala kecil yang beroperasi pada kecepatan angin
rendah secara teratur akan menghadapi permasalahan kinerja yawing atau gerakan
horizontal karena sifat dari angin yang tidak rata. Gaya dorong mengenai titik
tengah dari sumbu rotor, jika terdapat jarak atau pergeseran dari sumbu yaw maka
akan menimbulkan momen yaw (Piggott, 1997: 101). Rotor yang menoleh dari
arah angin kurang efisien jika dibandingkan dengan rotor yang tidak menoleh dari
arah angin, maka perlu dipertimbangkan efisiensi untuk tujuan produksi energi.
Rakitan ekor digunakan untuk memastikan ekstraksi potensi angin secara
maksimum meskipun pada kondisi kecepatan angin yang rendah (Nikhil dan
Sandip, 2015: 38). Ekor turbin pada turbin angin skala kecil difungsikan untuk
mengubah arah dan mengakomodasi variasi arah angin yang datang. Ekor
diperlukan untuk menghasilkan respon yang cepat dan stabil sesuai dengan
perubahan arah angin dan membuat turbin angin skala kecil menghadap ke arah
4
angin (Singamsitty dan Zhou, 2017: 582). Kecepatan angin yang sangat fluktuatif
juga akan mengakibatkan keterbatasan dari kemampuan turbin angin itu sendiri.
Pada kondisi kecepatan angin diatas kecepatan angin rancangan, putaran atau rpm
sudu dan generator akan melebihi putaran rancangan, sehingga terjadi overspeed
(Atmadi dan Fitroh, 2007). Perlindungan dilakukan untuk mencegah terjadinya
overspeed. Karena tanpa adanya sistem perlindungan, akan terjadi kegagalan
fungsi, dan mengakibatkan kerusakan pada turbin (Suandi, et al, 2017: 21).
Diperlukan adanya mekanisme yang bisa mengatur kemampuan yawing dari
turbin sehingga bisa memaksimalkan hasil konversi angin dan meminimalisir
kerusakan (mekanisme furling).
Pengoptimalan pemanfaatan energi angin dengan turbin angin skala kecil
yang menggunakan mekanisme furling masih sangat perlu untuk dikembangkan
dengan memvariasikan beberapa variabel pendukung. Sedangkan mekanisme
furling ini sendiri merupakan mekanisme yang dominan untuk mengatasi
permasalahan overspeed dan juga kontrol daya pada turbin angin skala kecil
(Audierne, et al, 2010: 2278). Karenannya dalam penelitian ini penulis
mengambil judul analisis pengaruh panjang dan bentuk daun ekor turbin angin
sumbu horizontal dengan mekanisme furling terhadap performa turbin.
1.2 Identifikasi Masalah
Permasalahan yang muncul dalam latar belakang di atas adalah
a. Kurang maksimalnya struktur turbin angin yang mengurangi optimalnya
penangkapan angin;
5
b. Struktur turbin angin dengan penambahan ekor yang masih perlu
penyesuaian untuk mendapatkan keseimbangan dari ekor sebagai peningkat
performa ekor turbin;
c. Penelitian mengenai bentuk sistem ekor turbin sebagai langkah untuk
mengoptimalkan penangkapan energi angin yang masih minim;
1.3 Pembatasan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah yang telah diuraikan, terdapat beberapa
batasan masalah sebagai berikut:
a. Turbin angin menggunakan bilah jenis taper dan jenis airfoil NACA 3612.
b. Turbin angin menggunakan orientasi yaw pasif dan mekanisme furling.
c. Variasi panjang ekor yang akan diteliti yaitu 0,35 m, 0,53 m, dan 0,71 m.
d. Variasi bentuk daun ekor yang akan diteliti yaitu berbentuk Rectangular,
Trapezoidal, Triangular, Up Rectangular, Down Rectangular, Up
Trapezoidal, Down Trapezoidal, Up Triangular dan Down Triangular.
Luasan masing – masing bentuk daun ekor sama yaitu 0,385 m2.
e. Untuk pengujian kestabilan ekor dilakukan dengan menempatkan rotor pada
sudut 90o dan 180o dari arah datangnya angin.
f. Data kecepatan angin di lapangan yang diambil yaitu kecepatan 4,3 m/s, 4,8
m/s dan 5,2 m/s.
g. Panjang garis horizontal daun ekor adalah 0,15 m.
h. Performa turbin dalam penelitian ini menggunakan parameter daya sebagai
acuan. Sudut yawing dan sudut furling yang terbentuk digunakan sebagai
validasi dari kinerja ekor.
6
1.4 Rumusan Masalah
Dari uraian latar belakang dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:
a. Bagaimana pengaruh panjang batang ekor terhadap performa turbin angin?
b. Bagaimana pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin angin?
c. Berapa daya maksimum yang dapat dicapai oleh desain turbin angin dengan
ekor turbin mekanisme furling?
d. Apakah pada kecepatan tinggi (overspeed) mekanisme furling dapat bekerja
dengan baik pada turbin?
e. Manakah konfigurasi ekor yang paling stabil dari variasi yang diuji coba
untuk mengarahkan angin?
1.5 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
a. Mengetahui pengaruh panjang batang ekor turbin terhadap performa turbin
angin;
b. Mengetahui pengaruh bentuk daun ekor turbin terhadap performa turbin
angin;
c. Mengetahui daya maksimum yang dapat dicapai oleh desain turbin angin
dengan ekor turbin menggunakan mekanisme furling;
d. Mengetahui apakah pada kecepatan tinggi (overspeed), mekanisme furling
dapat bekerja;
e. Mengetahui konfigurasi ekor yang paling stabil untuk mengarahkan turbin.
7
1.6 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut;
1.6.1 Secara Teoritis
a. Memberikan kontribusi terhadap perkembangan ilmu pengetahuan pada
khususnya, maupun masyarakat luas pada umumnya mengenai
pengoptimalan penangkapan energi angin dengan menggunakan turbin
angin.
b. Sebagai acuan dan bahan pertimbangan pada penelitian pengaruh ekor
turbin terhadap pengoptimalan kerja turbin.
1.6.2 Secara Praktis
a. Dapat menjadi bahan pertimbangan pemerintah dalam pengembangan
pemanfaatan energi angin dengan menggunakan pengoptimalan kerja turbin
angin;
b. Penggunaan energi bersih yang akan digunakan oleh masyarakat luas
sehingga mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil dan juga
mengurangi polusi lingkungan;
c. Menambah wawasan dan sebagai referensi dalam hal penelitian tentang
energi angin, trubin angin maupun pengoptimalan kerja turbin angin
tersebut.
8
BAB II
KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Kajian Pustaka
Penelitian mengenai perancangan sistem orientasi yang didasarkan pada
penyusunan rancangan rakitan ekor yang dilakukan oleh Atmadi dan Fitroh,
(2007). Penelitian ini mengasumsikan pada kecepatan angin 10 m/s sudu akan
berputar pada 100 rpm dan menghasilkan daya 50 kW dan pada kecepatan angin
rancangan 10 m/s sudu tidak bisa bekerja dengan baik dan hanya menghasilkan 20
kW dan berputar pada 60 rpm. Semua variabel divariasikan kecuali sudut
ekornya. Dengan variasi jarak eksentrisitas 0,05 – 0,20 m, panjang batang ekor
6,00 – 8,00 m, posisi titik gaya ekor 3,00 – 4,19 m, luas daun ekor 25,0 – 35,0 m2.
Hasil dari penelitian ini adalah dipilih jarak eksentrisitas sebesar 10 cm, panjang
batang ekor 6 m, luas daun ekor 3 25 m2, posisi titik tangkap gaya pada daun ekor
3 m, dan sudut ekor 21,9 derajat.
Penelitian pengujian variasi panjang ekor sebelumnya dilakukan oleh
Suandi, et al, (2017). Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh gaya pada
sirip ekor (fvane) terhadap terjadinya momen furling. Rancangan diameter bilah
yaitu 1 m, kecepatan angin ditentukan 8 m/s. Turbin angin pada penelitian ini
merupakan turbin angin jenis HAWT tipe 3 bilah yang menggunakan bahan PVC
sebagai bahan dasar bilahnya. Bentuk daun ekor yang diteliti yaitu seperti bentuk
segitiga dengan variasi bentuk dan luasnya adalah 0,0785 m2. Variasi panjang
ekor yaitu 0,74 m, 0,82 m, dan 0,90 m. Sistem pengambilan data dengan
9
menggunakan mobil sebagai media pembawa turbin untuk menangkap angin
dengan kecepatan yang diinginkan. Hasil dari penelitian ini adalah kincir angin
dengan ekor pendek (0,74 m) menunjukkan mekanisme yawing dan furling terjadi
lebih cepat, dengan kecepatan maksimum rotor terendah (950 rpm), sedangkan
kincir angin dengan ekor terpanjang (0,90 m) menunjukkan yawing dan furling
terjadi sesuai dengan Vf rancangan (8 m/s), akan tetapi mencapai titik balik
tertinggi (11 m/s) dengan kecepatan maksimum rotor juga tertinggi (1065 rpm).
Mekanisme furling pada kincir dengan panjang ekor lebih pendek dan lebih
panjang menunjukkan ketidakstabilan pada sudut yawing kincir.
Penelitian pengujian variasi bentuk dari daun ekor turbin sebelumnya
dilakukan oleh Nikhil dan Sandip, (2015). Penelitian ini, dilakukan pengujian
perfoma terhadap yawing turbin angin mikro. Menentukan distribusi tekanan dan
aksi gaya pada daun ekor turbin yang ditentukan dengan menggunakan
computational fluid dynamics. Kecepatan angin ditentukan pada 7 m/s dan
kecepatan rotor 350 rpm. Titik tekan ditentukan pada sudut 0, 10, 20, 30 derajat
dari sudut inklinasi. Macam – macam variasi bentuk daun muka pada penelitian
ini yaitu Trapezoidal, Rectangular, dan Triangular pada sudut iklinasi yang
berbeda. Hasil pengujian didapatkan bahwa tekanan dan gaya pada daun muka
dengan bentuk Triangular berpengaruh sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan
bentuk daun muka Trapezoidal dan Rectangular. Penggunaan daun muka dengan
bentuk Triangular akan sedikit lebih meningkatkan performa dari turbin angin
dibandingkan dengan variasi lainnya.
10
Penelitian lainnya yang juga meneliti mengenai bentuk dari daun ekor
dilakukan oleh Singamsitty dan Zhou, (2017). Penelitian ini kecepatan angin yang
ditentukan adalah 12,5 m/s dan kecepatan rotor 1.500 rpm. Variasi pada bentuk
daun muka memiliki bentuk yang sangat berbeda namun ukuran dan luas area dari
semua variasi bersesuaian terhadap masing – masing atau sama. Semua variasi
diberikan kode yaitu T-1-A, T-1-B, T-2-A, T-2-B, T-3-A, T-3-B, T-4-A, T-4-B,
T-5-A, dan T-5-B. Bentuk daun muka dimodelkan dengan software
SOLIDWORK. Masing – masing daun ekor memiliki dua konfigurasi yaitu
upward dan downward kemudian dianalisa menggunakan software ANSYS.
Penelitian ini menunjukkan bahwa bentuk daun ekor T-5-B (berbentuk seperti
huruf V dan berada pada posisi downward) memiliki ekstraksi tenaga paling
tinggi, dan yang paling rendah ekstraksi tenagannya adalah bentuk daun muka T-
4-A (berbentuk seperti Triangular dengan perbedaan antara luas bagian bawah
dan atas) yang hanya memiliki 45% dari ekstraksi tenaga paling tinggi.
Penelitian mengenai sistem kontrol furling dilakukan oleh Suandi, et al,
(2017). Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah mekanisme furling pada
turbin angin dengan diameter bilah yaitu 1 m, kecepatan angin ditentukan 8 m/s.
Turbin angin pada penelitian ini merupakan turbin angin jenis HAWT tipe 3 bilah
yang menggunakan bahan PVC sebagai bahan dasar bilahnya. Bentuk daun ekor
yang diteliti yaitu seperti bentuk segitiga dengan variasi bentuk dan luasnya
adalah 0,0785 m2. Sistem pengambilan data dengan menggunakan mobil sebagai
media pembawa turbin untuk menangkap angin dengan kecepatan yang
diinginkan. Hasil dari penelitian ini adalah terbentuknya sudut furling 1,5 derajat
11
dan yawing 1,5 derajat yang terjadi pada kecepatan7,5 m/s sedikit lebih rendah
daripada kecepatan yang ditentukan yaitu 8 m/s dan kecepatan bilah 720 rpm.
Kecepatan bilah 1.007 rpm dengan sudut yawing 37 derajat dan furling 16 derajat
terjadi pada kecepatan angin 9,5 m/s, dan pada kecepatan angin 18 m/s, sudut
yawing 63 derajat – 66 derajat dan sudut furling 18 derajat, putaran bilah menurun
menjadi 900 rpm.
2.2 Landasan Teori
2.2.1 Energi Angin
Energi angin merupakan dasar dari komponen utama dan mendasar dari
turbin angin, karena angin merupakan komponen yang memutarkan turbin untuk
dikonversi menjadi kerja. Angin sendiri terbentuk dari adanya perbedaan tekanan
udara dari dua tempat karena perbedaan temperatur yang disebabkan oleh
matahari. Angin juga bergerak karena adanya gesekan pada permukaan bumi dan
menyebabkan angin dialihkan ke arah daerah yang memiliki tekanan udara lebih
rendah (Manwell, et al, 2009: 26). Energi angin yang bergerak merupakan energi
kinetik yang nantinya digunakan untuk mengetahui daya dari angin maupun daya
dari turbin. Persamaan energi kinetik seperti pada persamaan (2.1) berikut;
𝐸𝑘 = 12⁄ 𝑚 . 𝑣2 ............................................................................................ (2.1)
Dimana energi kinetik bisa dicari dengan mengetahui massa (𝑚) dan
kecepatan udaranya (𝑣), (Hemami, 2012: 16-17).
12
2.2.2 Konversi Energi Angin
Angin merupakan aliran fluida bebas atau tanpa harus mengalir dengan
bentuk ruang tertentu. Pemodelan aliran dua dimensi angin yang mengenai rotor
menjelaskan prinsip konversi energi angin seperti pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas
(Sumber: Hemami, 2012: 19)
Teori dan rumus aliran fluida pada angin digunakan untuk mengetahui daya
yang dihasilkan. Daya yang dihasilkan turbin angin dapat diketahui dengan
melalui persamaan – persamaan berikut sesuai dengan (Hemami, 2012: 19 – 20).
Laju aliran massa dalam satuan waktu untuk menentukan daya, seperti pada
persamaan (2.2):
𝑚 = 𝜌 . 𝑉 ......................................................................................................... (2.2)
Dimana m merupakan laju aliran massa, 𝜌 merupakan densitas udara, dan V
merupakan volume udara.
Aliran udara di dalam pipa yang merupakan volume per satuan waktu
ditentukan dengan persamaan (2.3):
𝑉 = 𝐴 . 𝑣 ......................................................................................................... (2.3)
Dimana V merupakan volume udara per satuan waktu, A merupakan luas
penampang, dan v merupakan kecepatan udara.
13
Dari persamaan (2.1), (2.2), dan (2.3) disubstitusikan sehingga diketahui
daya pada aliran udara atau daya angin, pada persamaan (2.4):
𝑃 = 12⁄ . 𝜌 . 𝐴 . 𝑣3 .......................................................................................... (2.4)
Dimana P merupakan daya angin dan menunjukan bahwa daya pada
terowongan angin proposional terhadap densitas udara, luas penampang dan juga
kecepatan anginnya.
Untuk daya pada turbin angin sendiri dapat ditentukan dengan persamaan
(2.5):
𝑃𝑡 = 𝐶𝑝 . 𝑃 ..................................................................................................... (2.5)
Dimana Pt merupakan daya turbin angin, dan Cp merupakan koefisien daya.
Daya ini sendiri nilainya harus kurang dari 1. Secara teori, persentase energi angin
yang bisa dikonversi oleh turbin angin adalah disebut betz limit, dan nilai untuk
betz limit sendiri adalah 16/27 atau 0,59. Nilai betz limit sendiri digunakan untuk
nilai koefisien daya untuk menentukan daya turbin angin (Hemami, 2012: 20).
Efisiensi turbin angin dapat dinyatakan seperti gambar (2.2) di bawah ini:
Gambar 2.2 Efisiensi turbin angin
(Sumber: Piggott, 1997: 16)
14
2.2.3 Turbin Angin
Tubin angin merupakan sebuah mesin yang digunakan untuk
mengonversikan daya menjadi energi listrik. Turbin angin dihubungkan dengan
komponen – komponen listrik untuk membangkitkan listrik untuk bisa digunakan.
Turbin angin diklasifikasikan berdasarkan daya yang dihasilkan, yaitu yang
menghasilkan daya 10 kW kebawah disebut dengan turbin angin skala mikro,
sedangkan yang menghasilkan daya 1,5 hingga 5 MW disebut dengan turbin angin
skala besar (Manwell, et al, 2009: 2).
Turbin angin memanfatkan gaya lift dan gaya drag untuk memutar blade.
Gaya drag yang merupakan gaya yang biasa disebut gaya dorong karena menahan
arah angin atau gaya paralel, sedangkan gaya lift atau gaya angkat tercipta karena
perbedaan tekanan pada dua sisi objek yang dikenai aliran udara (Piggott, 2003:
4). Ilustrasi gaya lift dan drag seperti gambar (2.3) berikut ini:
Gambar 2.3 Gaya lift dan gaya drag
(Sumber: Hemami, 2012: 35)
2.2.4 Klasifikasi Turbin Angin
Turbin angin pada umumnya memiliki 2 jenis, yaitu turbin angin sumbu
horizontal (TASH) dan juga turbin angin sumbu vertikal (TASV). Kedua turbin
angin ini dibedakan berdasarkan perbedaan pada bentuk dan cara kerjanya. Turbin
15
angin sumbu horizontal yaitu turbin angin yang memiliki sumbu rotasi horizontal,
sedangkan turbin angin sumbu vertikal yaitu turbin angin yang memiliki sumbu
rotasi vertikal, dan pada turbin angin sumbu vertikal ini tidak sensitif terhadap
perubahan arah angin karena memang pada dasarnya turbin angin jenis ini mampu
menangkap angin dari berbagai arah (Hemami, 2012: 48). Perbedaan antara turbin
angin sumbu horizontal dengan turbin angin sumbu vertikal ditunjukkan oleh
gambar (2.4) berikut:
(a) (b)
Gambar 2.4 (a) TASH dan (b) TASV
(Sumber: Hemami, 2012: 49, 57)
2.2.5 Jenis – jenis Bilah
Bilah pada turbin angin memiliki macam – macam bentuk, yang memiliki
efisiensi dan performa kinerja masing – masing. Umumnya bilah turbin angin ada
3 jenis seperti pada gambar (2.5) dan tiga jenis tersebut yaitu:
1. Taper
Bilah jenis ini memiliki bentuk yang meruncing pada ujung bilahnya. Torsi
pada bilah jenis ini cenderung rendah karena luas penampang pada ujung
16
bilah sebagai penangkap angin yang kecil, namun bilah jenis ini mampu
memiliki putaran bilah yang sangat tinggi.
2. Taperless
Bilah jenis ini memiliki bentuk yang ukurannya sama mulai dari pangkal
sampi ujung bilah. Torsi pada bilah jenis ini cenderung besar karena luas
penampang dari bilah yang luas, namun pada kecepatan tinggi tidak bisa
maksimal karena akan menimbulkan gaya drag.
3. Inverse taper
Bilah jenis ini memiliki bentuk melebar pada ujung bilahnya. Mampu
berputar pada kecepatan rendah sekalipun, karena torsi pada bilah jenis ini
dangat besar.
Gambar 2.5 Jenis – jenis bilah
(Sumber: Zahra, 2016)
2.2.6 Airfoil
Turbin angin sangat memerlukan gaya angkat atau gaya lift yang lebih besar
karena prinsip kerja dari turbin angin tipe horizontal ini sama seperti mekanisme
17
kerja sayap pesawat yang terkena aliran udara. Airfoil digunakan untuk
meningkatkan gaya angkat pada blade turbin maupun pesawat. Airfoil merupakan
bentuk profil dari outline blade yang diatur sedemikian rupa sehingga mampu
meningkatkan gaya angkat yang lebih besar daripada gaya dorongnya (Piggott,
1997: 139). Menurut Hemami, (2012: 39), Pada airfoil terdapat bagian – bagian
yang sangat berpengaruh sesuai dengan gambar (2.6), yaitu:
1. Leading edge merupakan bagian ujung depan dari airfoil yang terkena udara
pertama kali.
2. Trailing edge merupakan bagian ujung belakang dari airfoil.
3. Chord merupakan jarak antara leading edge dengan trailing edge.
4. Chord line merupakan garis yang menghubungkan antara leading edge
dengan trailing edge.
5. Chambered airfoil merupakan bentuk dari chamber airfoil yang bisa berupa
simetris ataupun asimetris.
6. Mean chamber line merupakan kurva antara leading edge dan trailing edge
yang terbentuk oleh titik tengah dari garis yang menghubungkan dari profil
bagian atas ke profil bagian bawah.
Gambar 2.6 Airfoil dengan bagian – bagiannya.
(Sumber: Hemami, 2012: 39)
18
2.2.7 Ekor Turbin
Turbin angin sumbu horizontal dengan kapasistas dibawah 10 kW
memerlukan sebuah pengarah angin untuk menangkap angin secara maksimal
dengan cara menghadapkan turbin ke arah angin (Piggott, 1997: 97). Secara kerja
ini dinamakan sebagai mekanisme yaw, yaitu turbin angin dapat bergerak kearah
horizontal. Rakitan ekor turbin sangat diperlukan untuk mengarahkan turbin agar
sesuai dengan arah angin. Ekor turbin ini sendiri terdiri dari berbagai bagian,
yaitu:
1. Batang ekor
Bagian ini merupakan bagian yang menghubungkan bagian daun ekor turbin
dengan turbin angin utama. Panjang dan bahan dari batang ekor ini sangat
perlu untuk diperhitungkan dan ditentukan untuk menghasilkan
masksimalnya kinerja dari rakitan ekor turbin.
2. Daun ekor
Bagian ini merupakan bagian paling ujung dari ekor yang berfungsi untuk
menerima tekanan dari angin yang nantinya akan mengarahkan turbin sesuai
dengan arah angin. Bentuk dari daun ekor ini sendiri perlu untuk ditentukan
dimensi dan juga bahan yang digunakan, tidak lain adalah untuk
keseimbangan dan juga memaksimalkan dalam menerima tekanan dari
angin yang datang sehingga maksimal dalam kinerja ekornya.
Macam – macam variasi bentuk daun ekor ditunjukkan oleh gambar (2.7)
berikut ini:
19
Gambar 2.7 Macam – macam ide desain ekor turbin
(Sumber: Piggott, 1997: 98)
2.2.8 Mekanisme Furling
Menurut Piggott, (1997: 97), Furling merupakan sebuah mekanisme yang
digunakan untuk memberikan keamanan terhadap turbin apabila kecepatan angin
mencapai kecepatan yang sangat tinggi dan akan membahayakan turbin angin
seperti:
1. Putaran rotor yang sangat tinggi akan memberikan gaya sentrifugal yang
sangat besar.
2. Putaran rotor yang sangat tinggi akan menyebabkan adanya vibrasi turbin
yang sangat tinggi.
3. Angin yang sangat besar akan menyebabkan gaya dorong yang sangat besar
terhadap struktur turbin.
Dari alasan – alasan tersebut, maka furling inilah yang akan digunakan
untuk mengatasi hal – hal yang tidak diinginkan di atas.
20
Sistem pengendalian dengan menggunakan mekanisme ini adalah dengan
memanfaatkan rakitan ekor turbin dengan modifikasi tertentu. Karena pada
dasarnya, ekor turbin sendiri fungsi utamanya adalah mengarahkan turbin
menghadap arah angin sehingga konversi angin bisa maksimal, namun pada
kondisi tertentu seperti angin yang terlampau tinggi mengenai turbin, maka perlu
adanya pengaturan untuk menanggulangi itu. Ekor turbin ini merupakan bagian
dari sistem mekanik yang bekerja ketika terjadi proses yawing dan furling.
Menurut Piggott, (1997: 103), sistem furling ini memanfaatkan gaya dorong
angin untuk memutar ekor (furling) dan memutar turbin (yawing) dan
menggunakan gaya gravitasi untuk kembali ke posisi semula. Supaya sistem dapat
bekerja, maka pada pangkal dari ekor turbin terdapat sebuah sumbu pivot miring
yang bekerja seperti engsel pada pintu sederhana. Mekanisme Furling ini sendiri
banyak digunakan pada jenis turbin angin skala kecil seperti pada gambar (2.8).
Gambar 2.8 Geometri turbin angin skala kecil dengan kontrol furling
(Sumber: Audierne, et al, 2010: 2279)
Mekanisme furling dipengaruhi oleh beberapa hal atau variabel yang
menentukan bagaimana mekanisme furling dapat bekerja. Beberapa hal tersebut
21
diantaranya adalah kecepatan angin, massa ekor, panjang ekor, luas penampang
ekor, jarak dari offset, dimensi baling – baling, sudut furling dan sudut angkatnya
(Suandi, et al, 2017: 21).
2.2.9 Cara Kerja Mekanisme Furling
Mekanisme furling dirancang dengan menggeser sumbu rotor dari sumbu
yaw agar dapat berpaling dari arah datangnya angin. Penggeseran ini adalah
“offset” atau posisi eksentrik, penggeseran minimal yang dapat digunakan adalah
4% dari diameter rotor (Piggott, 1997: 103). Ketika kecepatan angin meningkat,
gaya dorong pada rotor juga meningkat, sampai pada titik tertentu sehingga
mekanisme furling aktif dan turbin angin menghindari arah angin secara langsung
(Piggott, 1997: 101).
Sistem bekerja secara otomatis dan berpalingnya kincir angin dari arah
angin karena adanya momen thrust dan momen furling (Suandi, et al, 2017: 50).
Cara kerja mekanisme furling seperti pada gambar (2.9) berikut:
Gambar 2.9 Cara kerja mekanisme furling
(Sumber: Piggott, 2003: 30)
22
2.2.10 Rumus Perancangan Mekanisme Furling
Dalam merancang sebuah mekanisme furling, perlu diperhatikan dasar –
dasar untuk perhitungannya, sehingga didapat sebuah rancangan mekanisme
furling yang maksimal.
Menurut Suandi, et al, (2017: 50) Mekanisme furling dapat dirancang
dengan menentukan parameter – parameter berikut:
a. Jarak antara sumbu rotor dengan sumbu yaw atau disebut offset yaitu
minimal 4 % dari diameter sapuan bilah;
b. Luas penampang ekor besarnya antara 5 % sampai 10 % dari luas sapuan
bilah;
c. Luas penampang ekor 10 % dari luas sapuan bilah, ekor ditekuk sekitar 20
% berlawanan dari arah offset, yang ditujukkan untuk memberikan
kesetimbangan momen akibat dari offset itu sendiri;
d. Panjang dari batang ekor yaitu sebanding dengan Panjang 1 bilah atau ½
dari diameter sapuan;
e. Mengenai bentuk dari daun ekor tidaklah terlalu berpengaruh, namun untuk
tinggi (span) akan mempengaruhi gaya yang diterima.
Menurut Suandi, et al, (2017: 50-52), Dalam perhitungannya, terdapat
rumus yang bisa diaplikasikan untuk mencari parameter – parameter yang
dibutuhkan, yaitu:
a. Gaya dorong yang diberikan angin terhadap rotor (thrust force):
𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝜌 . 𝐴𝑠𝑤𝑒𝑝𝑡 . 𝑣2 . 𝐶𝑡.......................................................... (2.6)
Dimana: 𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = Gaya dorong (N)
23
𝜌 = Massa jenis udara (1,225 kg/m3)
𝐴𝑠𝑤𝑒𝑝𝑡 = Luas sapuan bilah (m2)
𝑣2 = Kecepatan angin (m/s)
𝐶𝑡 = Koefisien thrust (sesuai dengan diagram Cp – Ct –
TSR)
Diagram Cp – Ct – TSR ditunjukkan oleh gambar berikut:
Gambar 2.10 Diagram Cp dan Ct sebagai fungsi TSR
(Sumber: Muljadi, et al, 1998: 4)
b. Gaya yang diberikan angin terhadap penampang ekor (vane force):
𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 = 𝜌 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . 𝑣2 . sin 𝛼 ......................................................... (2.7)
Dimana: 𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 = Gaya pada penampang ekor (N)
𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 = Luas daun ekor (m2)
𝛼 = Sudut pembelokan ekor
c. Momen gaya dorong (moment thrust):
𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒
𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 . 𝑙𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 ................................................................ (2.8)
Dimana: 𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = Momen dorong (Nm)
24
𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒 = Momen pada penampang ekor (Nm)
𝑙𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = Jarak sumbu rotor dengan sumbu yaw (m)
d. Panjang ekor yang digunakan (ltail):
𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = 𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒
𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒
𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = 𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡
𝜌 . 𝑣2 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . sin 𝛼 ................................................................... (2.9)
Dimana: 𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = Panjang ekor (m)
e. Massa pada ujung ekor (m):
𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒 = 𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦
𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = 𝐹𝑔 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚
𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = 𝑚 . 𝑔 . sin 𝜃
𝑚 = 𝜌 . 𝑣2 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . sin 𝛼 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚
𝑔 . sin 𝜃 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚 ............................................................ (2.10)
Dimana: 𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = Momen gravitasi (Nm)
𝐹𝑔 = Gaya yang melawan arah puataran ekor (N)
𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚 = Panjang batang ekor (m)
𝑚 = Massa pada ujung ekor (kg)
𝑔 = Percepatan gravitasi (m/s2)
𝜃 = Sudut sumbu engsel ekor (pivot)
f. Gaya furling (furl force):
𝐹𝑓𝑢𝑟𝑙 = 𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 − 𝐹𝑔 ........................................................................... (2.11)
Dimana: 𝐹𝑓𝑢𝑟𝑙 = Gaya furling (N)
25
Untuk memudahkan pengamatan dan pemahaman terhadap rumus, dapat
melihat skema dari perancangan furling pada gambar (2.11), (2.12), dan (2.13)
berikut ini:
Gambar 2.11 Skema mekanisme furling
(sumber: Suandi, et al, 2017: 51)
Gambar 2.12 Skema mekanisme furling saat kecepatan angin tinggi
(Sumber: Suandi, et al, 2 017: 51)
26
Gambar 2.13 Skema mekanisme furling tampak belakang
(Sumber: Suandi, et al, 2017: 51)
2.3 Kerangka Berfikir
Dari kajian pustaka dan landasan teori yang ada, untuk menentukan
hipotesis pada penelitian ini diperlukan sebuah kerangka berfikir, dalam hal ini
perlu bagaimana suatu variabel memiliki hubungan dengan variabel lainnya dan
dapat mempengaruhi performa dari turbin angin itu sendiri. Variabel yang akan
dicari hubungannya diantaranya panjang batang ekor, bentuk daun ekor dan juga
kecepatan angin terhadap performa turbin.
Pengaruh panjang batang ekor terhadap performa turbin yaitu akan
mempengaruhi kestabilan turbin angin dari yawing turbin dan juga furling ekor
yang akan berakibat pada baik atau tidaknya penangkapan energi angin oleh
turbin. Menurut Suandi, et al, (2017: 26) mekanisme furling dengan panjang ekor
10% lebih pendek dan 10% lebih panjang dari panjang ekor hasil perancangan
27
menunjukkan ketidakstabilan pada sudut yawing kincir. Mekanisme furling paling
stabil yaitu pada kincir angin dengan variasi panjang ekor sesuai rancangan karena
telah dilakukan perhitungan kesetimbangan gaya dan momen dengan baik.
Pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin yaitu akan
mempengaruhi penangkapan energi angin oleh turbin angin, karena dengan
adanya perbedaan bentuk daun ekor akan mempengaruhi perbedaan tekanan dan
gaya yang dapat diterima oleh daun ekor turbin itu sendiri. Menurut Nikhil dan
Sandip, (2015: 41) bahwa tekanan dan gaya yang terinduksi pada bentuk ekor
triangular sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan bentuk ekor rectangular dan
trapezoidal. Menggunakan bentuk daun ekor bentuk triangular akan sedikit lebih
meningkatkan performa dari turbin angin dibandingkan dengan trapezoidal dan
rectangular, dan dengan semakin meningkatnya sudut inklinasi akan semakin
meningkatkan gaya pada daun ekor.
Sesuai dengan rancangan kinerja furling yang sudah disusun, maka pada
kecepatan angin sampai dengan 5 m/s, turbin angin akan terus mengalami
kenaikan daya yang dihasilkan, dan pada kecepatan angin diatas 5 m/s atau dalam
hal ini sudah ditentukan sebagai batas dari overspeed akan terjadi pengurangan
penangkapan energi angin oleh turbin angin sehingga akan mengalami penurunan
daya yang dihasilkan.
2.4 Hipotesis
Berdasarkan kerangka berfikir yang telah dibuat, hipotesis dari penelitian ini
adalah:
28
a. Variasi panjang batang ekor terhadap performa dari turbin angin sumbu
horizontal akan mempengaruhi kestabilan turbin angin dari yawing turbin
dan juga furling ekor yang akan berakibat pada baik atau tidaknya
penangkapan energi angin oleh turbin;
b. Variasi bentuk daun ekor performa dari turbin angin sumbu horizontal akan
mempengaruhi perbedaan tekanan dan gaya yang dapat diterima oleh daun
ekor turbin, yang berakibat pada perbedaan penangkapan energi angin oleh
turbin angin;
c. Daya maksimum yang mungkin bisa dihasilkan oleh turbin angin adalah
sampai pada kecepatan angin 5 m/s sesuai dengan rancangan yang telah
dibuat;
d. Mekanisme furling dapat bekerja dengan baik sesuai dengan rancangan
yang telah dibuat;
e. Konfigurasi paling stabil dalam penelitian ini adalah pada bentuk daun ekor
triangular dan panjang batang sesuai dengan hasil rancangan yaitu 0,71 m.
95
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan dan analisis data hasil penelitian yang telah
dilakukan pada pengaruh panjang batang dan bentuk daun ekor turbin angin
sumbu horizontal dengan mekanisme furling terhadap performa turbin, dapat
disimpulkan bahwa:
1. Pengaruh panjang batang terhadap performa turbin yaitu dengan semakin
panjang ukuran dari panjang batang ekor maka akan semakin kecil sudut
yawing maupun furling yang dibentuk, dikarenakan adanya momen yang
lebih besar. Semakin besar daya yang mampu dihasilkan oleh turbin angin
ketika semakin panjang ukuran batang ekornya karena lebih stabil, tetapi
disisi lain faktor keamanan untuk sudu yang berputar overspeed perlu
diperhatikan. Pernyataan ini sesuai dengan hipotesis.
2. Pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin akan mempengaruhi
perbedaan tekanan dan gaya yang dapat diterima oleh daun ekor turbin,
bentuk daun ekor triangular memiliki konversi daya yang lebih dominan
daripada bentuk yang lainnya, karena diantara kecepatan angin 4,3 m/s – 4,8
m/s memiliki daya keluaran yang lebih baik dari variasi lainnya yang
diujikan, dengan kondisi kecepatan rata – rata angin di Indonesia adalah 3 –
6 m/s, dan terkhusus di pantai marina dengan kecepatan rata – rata angin
96
pada saat pengujian adalah 3 – 5 m/s. Pernyataan ini sesuai dengan
hipotesis.
3. Daya maksimum yang mampu dihasilkan oleh turbin angin dengan variasi
panjang batang ekor dan bentuk daun ekor pada kecepatan angin 4,3 m/s
yaitu pada bentuk daun ekor Triangular dengan panjang batang ekor 0,35 m
dengan nilai 0,991 watt. Pada kecepatan angin 4,8 m/s yaitu pada bentuk
daun ekor Triangular dengan panjang batang ekor 0,53 m dengan nilai
1,140 watt. Pada kecepatan angin 5,2 m/s yaitu pada bentuk daun ekor
Trapezoidal dengan panjang batang ekor 0,53 m dengan nilai 1,183 watt.
Pernyataan ini kurang sesuai dengan hipotesis, pada kecepatan angin diatas
5 m/s, beberapa variasi masih mengalami kenaikan daya.
4. Mekanisme furling yang sudah dirancang pada kecepatan angin 5 m/s
bekerja dengan baik, namun pada kecepatan 4,3 m/s sudut yawing dan
furling sudah bekerja dengan membentuk sudut yawing tertinggi pada
bentuk daun ekor Up Triangular dengan panjang batang ekor 0,35 m yaitu
61,73 derajat, dan sudut furling tertinggi pada bentuk daun ekor Triangular
dengan panjang batang ekor 0,35 m yaitu 53,94 derajat. Sehingga dapat
dikatakan mekanisme yang dirancang sudah bekerja sebelum kecepatan
rancangan, dan sangat tinggi pada panjang batang ekor dengan ukuran
paling kecil. Pernyataan ini sesuai dengan hipotesis.
5. Konfigurasi yang paling stabil atau yang paling ideal berdasarkan hasil
penelitian untuk turbin ini adalah untuk bentuk daun ekor jenis Triangular
dan panjang batang ekor yang paling baik adalah 0,53 m, karena mulai dari
97
kecepatan angin 4,3 m/s sampai dengan 4,8 m/s sesuai dengan data yang
digunakan mengalami kenaikan daya dan merupakan daya yang paling
tinggi, dan pada kecepatan angin 5,2 m/s mengalami penuruan, ini sesuai
dengan rancangan dimana pada kecepatan angin diatas 5 m/s fungsi dari
rancangan mekanisme furling mulai bekerja untuk mengurangi penangkapan
energi angin dengan memperkecil sudut proyeksi terhadap arah angin yang
datang, sehingga kerusakan dari sudu akibat tekanan angin yang semakin
tinggi bisa diminimalisir, meskipun daya yang dihasilkan akan berkurang
sebelum titik maksimal. Pernyataan ini kurang sesuai dengan hipotesis,
panjang batang ekor rancangan bukan merupakan konfigurasi yang paling
stabil.
5.2 Saran
Berdasarkan dari hasil penelitian yang dilakukan pada pengaruh panjang
batang dan bentuk daun ekor turbin angin sumbu horizontal dengan mekanisme
furling terhadap performa turbin, terdapat beberapa saran untuk penelitian terkait
selanjutnya sebagai berikut:
1. Mekanisme sambungan dari ekor tidak menggunakan engsel dengan
bearing, sehingga masih menghasilkan gesekan yang mungkin bisa
mengganggu performa ekor dalam mengayun. Bisa dirancang tersendiri
sehingga bisa memaksimalkan hasil dari performa ekor;
2. Dalam penelitian ini belum mencantumkan data kecepatan putaran bilah.
Bisa ditambahkan pengukuran putaran bilah dengan alat pengukur
98
kecepatan putaran bilah yang otomatis (tachometer otomatis) sebagai
validasi dari peningkatan kecepatan angin terhadap daya yang dihasilkan;
3. Bahan dalam pembuatan rakitan ekor bisa dijadikan sebuah materi baru,
apakah ada pengaruh terhadap massa dari bahan yang dipilih;
4. Analisa mengenai moment thrust bisa pada setiap variasi daun ekor dengan
menggunakan software untuk mendukung hasil penelitian eksperimen;
5. Penambahan data logger pada pengukuran mampu memberikan hasil data
yang lebih akurat dan mudah untuk diperoleh.
99
DAFTAR PUSTAKA
Arinaldo, D., Adiatma, J. C., and Simamora, P. 2018. Indonesia Clean Energy
Outlook Reviewing 2018, Outlooking 2019. Jakarta Selatan:
https://www.iesr.or.id.
Atmadi, S., dan Fitroh, A. J. 2007. Rancangan Sistem Orientasi Ekor Turbin
Angin 50 kW. Jurnal LAPAN, vol. 5, no. 2, pp. 113-117.
Audierne, E., Elizondo, J., Bergami, L., Ibarra, H., and Probst, O. 2010. Analysis
of the Furling Behavior of Small Wind Turbines. Applied Energy, 2278-
2292.
DEN. 2016. Outlook Energy Indonesia 2016. Jakarta Selatan:
https://www.den.go.id.
Hemami, A. 2012. Wind Turbine Technology. Clifton Park, NY: CENGAGE
Learning.
Manwell, J. F., McGowan, J. G., and Rogers, A. L. 2009. Wind Energy Explained
Theory, Design and Application Second Edition. West Sussex, UK: John
Willey & Sons Ltd. Publication.
Muljadi, E., Forsyth, T., and Butterfield, C. P. 1998. Soft-Stall Control versus
Furling Control for Small Wind Turbine Power Regulation. Bakersfield,
CA: National Renewable Energy Laboratory.
Nikhil, C. R., and Sandip, A. K. 2015. Effect of Tail Shape on Yawing
Performance of Micro Wind Turbine. International Journal of Energy and
Power Engineering, Vol. 4, No. 5-1, 38-42.
Piggott, H. 1997. Windpower Workshop Building Your Own Turbine. Centre for
Alternative Technology Publications.
Piggott, H. 2003. How to Build a Wind Turbine Axial Flux Alternator Windmill
Plans 8 Foot and 4 Foot Diameter Machines. UK:
https://www.scoraigwind.com.
Singamsitty, V., and Zhou, H. 2017. Tail Shape Design of Boat Wind Turbines.
International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 6 Issue
03, 582-587.
Suandi, A., Pramudiono, L., dan Supardi, N. I. 2017. Perancangan Mekanisme
Furling Control untuk Kincir Angin Skala Mikro. Jurnal Teknosia, Vol.
III, No. 1, 47-59.
100
Suandi, A., Pramudiono, L., Supardi, N. I., dan Puspawan, A. 2017. Kaji
Karakteristik Mekanik Furling Control dengan Sudut Ekor 20o pada Kincir
Angin Skala Mikro. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Rekayasa Mekanik, Vol. 1
No. 2, 21-26.
Suryana. 2010. Metodologi Penelitian. Bandung: Universitas Pendidikan
Indonesia.
Zahra, I. N. 2015. Dasar-dasar Perancangan Bilah. Lentera Angin Nusantara.