SKRIPSI. Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata I. Disusun Oleh: HERMAN

Transkripsi

1 ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT SKRIPSI Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata I Disusun Oleh: HERMAN JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2010 i

2 LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING Skripsi dengan judul: ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Yang dipersiapkan oleh : Nama : Herman Nomor Mahasiswa : Jurusan : Teknik Penerbangan Telah Memenuhi Persyaratan dan siap untuk diujikan Disetujui pada Tanggal 22 Januari 2010 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II M Ardi Cahyono, ST,MT Sri Mulyani, ST ii

3 LEMBAR PENGESAHAN ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL AIRFOIL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Yang dipersiapkan dan disusun oleh: HERMAN NIM: Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 25 Januari 2010 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Teknik Susunan Tim Penguji Nama lengkap Tanda tangan Ketua Penguji : M Ardi Cahyono, ST, MT... Penguji I : Sri Mulyani, ST... Penguji II : Muhammad yusuf, ST... Penguji III : Ir Djarot Wahyu Santoso, MT... Yogyakarta, 25 Januari 2010 Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan Ir Djarot Wahyu Santoso, MT iii

4 PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah ini saya : Nama : Herman Nomor Mahasiswa : Jurusan : Teknik Penerbangan Judul Skrips : Analisis perbandingan aerodinamika turbin angin poros horisontal terhadap perhitungan daya rotor yang dihasilkan pada model airfoil blade jenis NRELdengan menggunakan software CFD fluent Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain, kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks. Yogyakarta, 21 Januari 2010 Yang Menyatakan HERMAN NIM iv

5 LEMBAR PERSEMBAHAN Tugas akhir ini kupersembahkan kepada : Akhmad syatori dan Sunirih, Ayah dan ibuku yang tercinta Edy supriadi dan Trisna utami, adik-adikku adikku Dan seluruh keluarga besarku di indramayu Mariah ismail Teman-teman TPA 2005 Dosen- dosen STTA Yogyakarta Trimakasih atas Doa, semangat, dan dukungannya v

6 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Yang Maha Esa yang telah memberikan Rahmat serta Hidayah kepada penulis, karena dengan Rahmat dan Hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat akademis untuk menyelesaikan pendidikan S-1 Studi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta Dalam kesempatan ini penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung dalam menyelesaikan skripsi ini, karena tanpa dukungan dari pihak-pihak tersebut, penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik, oleh karena itu penulis ingin berterima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya, yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 2. Mariah Ismail yang tidak henti-hentinya memberikan semangat 3. Bapak Ir. Suyitmadi. MT selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto. 4. Bapak Ir. Djarot Wahyu S,MT selaku Ketua Jurusan Teknik Penerbangan dan juga dosen penguji pada skripsi ini. 5. Bapak M. Ardi Cahyono.ST.MT selaku Dosen Pembimbing I, yang sangat banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini. 6. Ibu Sri Mulyani. ST, selaku Sekjur Jurusan Teknik Penerbangan sekaligus dosen pembimbing yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini. 7. Bapak Muhammad yusuf. ST selaku dosen penguji pada skripsi ini 8. Bapak dan ibu dosen di jurusan teknik penerbangan STTA Yogyakarta yang telah memberikan bekal ilmu dan pengetahuan kepada penulis. 9. Mas didi beserta keluarga, selaku penghuni kost di Yogyakarta, trimakasih atas semua kebaikannya. vi

7 10. Teman-teman TPA 2005 yang telah memberikan semangat dan dukungannya, dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu. 11. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu-persatu yang telah banyak membantu dalam penyelesaian skripsi ini. Demikian yang dapat penulis sampaikan, dan penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya jika dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat kesalahan dan kekurangan, karena penulis sadar kesempurnaan hanya milik Allah Yang Maha Esa, dan manusia sebagai penulis masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran dari rekan-rekan semua sangat penulis harapkan. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Yogyakarta, Januari 2010 Penulis vii

8 ANALISIS PERBANDINGAN AERODINAMIKA TURBIN ANGIN POROS HORISONTAL TERHADAP PERHITUNGAN DAYA ROTOR YANG DIHASILKAN PADA MODEL BLADE JENIS NREL DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD FLUENT Oleh : Herman ABSTRAK Turbin angin adalah suatu alat yang didesain untuk menangkap energi kinetik angin. Komponen pertama yang berperan untuk menangkap energi angin adalah rotor turbin angin. Rotor menghasilkan daya mekanik berupa putaran poros. Yang dipergunakan untuk memutar generator listrik melalui sebuah sistem transmisi, generator ini lah yang akan mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Untuk blade turbin angin digunakan airfoil tipe NREL S833, S834, S835. Penghitungan coefficient drag dan coefficient lift dari masing-masing tipe airfoil menggunakan software fluent dan didapatkan hasil coefficient lift maksimum untuk NREL S833 sebesar 1,2706, NREL S834 : 0,96493 dan NREL S835 : 1,3154 sehingga yang paling tinggi menghasilkan gaya lift adalah airfoil tipe NREL S835. Sebagai pembanding saat perhitungan daya, desain blade untuk tipe airfoil divariasikan, variasi desain blade rotor pertama dengan nilai sudut θ dan chord fleksibel untuk tiap segmennya, menghasilkan daya optimal pada airfoil tipe NREL S834 dengan nilai 6, watt. Variasi desain blade rotor kedua dengan nilai sudut θ fleksibel dan nilai chord tetap menghasilkan daya terbesar pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt. Variasi desain blade rotor ketiga dengan nilai sudut θ tetap dan nilai chord tetap untuk tiap segmennya menghasilkan daya terbesar pada airfoil tipe NREL S835 dengan nilai daya 29,3082 watt 40,43831 Kata kunci: Wind turbin, Lift, Drag, Fluent, Daya rotor, Thrust viii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL i LEMBAR PERSETUJUAN. ii LEMBAR PENGESAHAN.. iii LEMBAR PERNYATAAN.. iv LEMBAR PERSEMBAHAN... v KATA PENGANTAR.. vi ABSTRAK viii DAFTAR ISI. ix DAFTAR GAMBAR xii DAFTAR TABEL. xv DAFTAR GRAFIK... xvii DAFTAR SIMBOL... xviii DAFTAR KARAKTER xx DAFTAR LAMPIRAN. xxi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Tujuan Penulisan Rumusan Masalah Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 6 BAB II LANDASAN TEORI Pengenalan Turbin angin Jenis Desain Turbin Angin Airfoil Blade Bahan Dan Konsep Jumlah Blade Bahan Blade Konsep Jumlah Blade ix

10 2.5 Fungsi Dan Komponen Utama Pada Turbin Angin Vortex System Dibelakang Turbin Angin Teori Momentum Teori Momentum Element Bilah Lift, Drag dan Koefisien Momen Airfoil Pengenalan CFD Dan Aplikasinya 38 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tinjuan Umum Airfoil Uji Teknik Pengumpulan Data Proses Analisa simulasi Proses Perhitungan Format Penelitian Analisa Perhitungan Awal BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN Pemodelan Pada Gambit Simulasi Pada Fluent Contour pada Fluent Data Hasil Simulasi Pada Software Fluent Perhitungan Sistem Persamaan Coefficient Lift Dan Drag Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S Sistem Persamaan Untuk Airfoil NREL S Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S x

11 4.6.3 Perhitungan Thrust, Moment dan Daya Pada Turbin Angin Yang Menggunakan Blade Dengan Airfoil NREL S BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA 107 LAMPIRAN xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Turbin angin sumbu vertikal (TASV) 3 Gambar 1.2 Turbin angin sumbu horisontal (TASH) 3 Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat 7 Gambar 2.2 Turbin angin sumbu horizontal. 8 Gambar 2.3 TASH (Turbin angin sumbu horisontal) 9 Gambar 2.4 Macam tipe TASH 10 Gambar 2.5 TASV (Turbin angin sumbu vertikal) Gambar 2.6 Airfoil 12 Gambar 2.7 Skema terjadinya lift. 13 Gambar 2.8 Komponen Pada Turbin Angin. 17 Gambar 2.9 Generator Gambar 2.10 Skema vortex system dibelakang turbin angin. 19 Gambar 2.11 Rotor turbin angin dengan radius R.. 20 Gambar 2.12 Pemotongan radial pada rotor turbin angin. 20 Gambar 2.13 Vortex system dibelakang turbin angin pada CFD 21 Gambar 2.14 Diagram kecepatan dan tekanan udara ketika melintasi rotor 23 Gambar 2.15 Volume atur pada rotor. 24 Gambar 2.16 Volume atur pada rotor. 26 Gambar 2.17 Volume atur pada rotor. 29 Gambar 2.18 Diagram kecepatan pada rotor.. 30 Gambar 2.19 Diagram kecepatan pada bidang rotor.. 31 Gambar 2.20 Variasi koefisient gaya angkat terhadap sudut serang (α) 34 Gambar 2.21 Definisi lift dan drag. 35 Gambar 2.22 Contoh tampilan hasil simulasi pada CFD 38 Gambar 3.1 Airfoil NREL S Gambar 3.2 Airfoil NREL S Gambar 3.3 Airfoil NREL S Gambar 3.4 Diagram alir prosedur simulasi. 43 Gambar 3.5 Diagram alir teori momentum elemen bilah. 44 xii

13 Gambar 4.1 Gambit startup.. 50 Gambar 4.2 Titik koordinat airfoil Gambar 4.3 Garis pada airfoil.. 51 Gambar 4.4 Gambit garis topologi Gambar 4.5 Gambit bidang topologi 53 Gambar 4.6 Gambit mesh garis. 54 Gambar 4.7 Gambit mesh bidang.. 55 Gambar 4.8 Tipe kondisi batas.. 56 Gambar 4.9 Eksport mesh file 56 Gambar 4.10 Pemilihan jenis versi Fluent.. 57 Gambar 4.11 Check data. 57 Gambar 4.12 Parameter untuk mendefinisikan model 58 Gambar 4.13 Mengaktifkan persamaan energy.. 58 Gambar 4.14 Mengaktifkan model turbulen Spalart-Allmaras.. 59 Gambar 4.15 Mendefinisikan material 60 Gambar 4.16 Mendefinisikan kondisi operasi 60 Gambar 4.17 Mendefinisikan kondisi batas Gambar 4.18 Mendefinisikan parameter solutions.. 61 Gambar 4.19 Menginisiasi perhitungan.. 62 Gambar 4.20 Mengaktifkan residual plotting. 62 Gambar 4.21 Mengaktifkan grafik koefisien lift dan koefisein drag. 63 Gambar 4.22 Memasukkan nilai reference.. 64 Gambar 4.23 Menentukan jumlah iterasi 64 Gambar 4.24 Melihat hasil iterasi dalam bentuk contour Gambar 4.25 Mencetak hasil C l dan C d.. 65 Gambar 4.26 Contur kecepatan airfoil NREL S833 dengan sudut serang 0 66 Gambar 4.27 Contur tekanan airfoil NREL S833 dengan sudut serang Gambar 4.28 Airfoil NREL S Gambar 4.29 Airfoil NREL S Gambar 4.30 Airfoil NREL S Gambar 4.31 Countour kecepatan wind turbin pada CFD.. 84 xiii

14 Gambar 4.32 Ilustrasi pembagian segmen pada blade 84 Gambar 4.33 Tampilan software wind turbine blade calculator 86 xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Format penelitian untuk model variasi blade Tabel 3.2 Format penelitian untuk model variasi blade Tabel 3.3 Format penelitian untuk model variasi blade Table 4.1 Tabel garis topologi.. 51 Tabel 4.2 Hasil pengujian C l dan C d airfoil NREL S Tabel 4.3 Hasil pengujian C l dan C d airfoil NREL S Tabel 4.4 Hasil pengujian C l dan C d airfoil NREL S Tabel 4.5 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C l NREL S Table 4.6 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C d NREL S Table 4.7 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C l NREL S Tabel 4.8 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C d NREL S Tabel 4.9 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C l NREL S Tabel 4.10 Hitungan regresi polynomial orde dua untuk C d NREL S Tabel 4.11 Hasil perhitungan pada software blade calculator Tabel 4.12 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.13 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.14 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S833 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.15 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.16 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.17 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S834 dengan variasi desain blade rotor 3 98 Tabel 4.18 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi desain blade rotor xv

16 Tabel 4.19 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi desain blade rotor Tabel 4.20 Hasil perhitungan untuk airfoil NREL S835 dengan variasi design blade rotor Tabel 4.21 Perbandingan nilai daya rotor dan thrust yang dihasilkan untuk tiap variasi design blade rotor xvi

17 DAFTAR GRAFIK Grafik 2.1 Hubungan C T dan C P terhadap reduksi axial (a) untuk turbin angin sumbu horizontal ideal Grafik 4.1 C l vs α airfoil NREL S Grafik 4.2 C d vs α airfoil NREL S Grafik 4.3 C l vs C d airfoil NREL S Grafik 4.4 C l vs α airfoil NREL S Grafik 4.5 C d vs α airfoil NREL S Grafik 4.6 C l vs C d airfoil NREL S Grafik 4.7 Cl vs α airfoil NREL S Grafik 4.8 Cd vs α airfoil NREL S Grafik 4.9 C l vs C d airfoil NREL S Grafik 4.10 Hubungan C T dan C P terhadap reduksi axial (a) untuk turbin angin sumbu horizontal yang ideal.. 89 xvii

18 DAFTAR SIMBOL A Area rotor a AB a Transformasi matrix dari sistem A ke B faktor reduksi aksial, radius tower a Faktor reduksi tangensial B Jumlah dari blade C p C T C l C d C m C n C t C θ c D da E ES F f f H h w I K k L l Coefficient power Coefficient thrust Coefficient lift Coefficient drag Moment coefficient Coefficient beban normal Coefficient beban tangential Azimuthal component of axial velocity Chord Diameter rotor, drag Normal vector to area Modulus of elasticity Moment of stiffness Force (vector) External body force (vector) Force, probability, frequency Tinggi menara, form factor Weibull distribution Moment of inertia, turbulence intensity Stiffness matrix Form factor Lift, Skala panjang xviii

19 M M a m n P P P P N P T Re R r r T U u u 1 V b V o V V rel V θ V 2 v w x Torque, aerodynamic moment Mach number Aliran massa Mass per length Rotational speed of shaft Momentum (vector) Power Pressure, load Load normal to rotor plane Load tangential to rotor plane Reynolds number Rotor radius, resistance Radius (vector) Radius Thrust, total time Boundary layer edge velocity x-component of velocity vector, axial velocity at rotor plane, deflection Velocity in wake Blade velocity (vector) Wind speed Velocity at infinity Relative velocity to aerofoil Tangential velocity component Velocity in rotor plane for a shrouded rotor y-component of velocity vector Induced velocity Local tip speed ratio xix

20 DAFTAR KARAKTER α angle of attack β twist of blade t Time increment δ Boundary layer thickness δ* Displacement thickness ε Augmentation factor, strain θ Momentum thickness, local pitch θ p θ o θ wing θ yaw κ λ Pitch angle Azimuthal position where blade is deepest into the wake Azimuthal position of blade Yaw angle Curvature about the principal axis Tip speed ratio µ Dynamic viscosity ν Kinematic viscosity, wind shear exponent ρ Density σ Solidity, stress, standard deviation σ r σ m τ φ χ ω ω n Stress range Mean stress Shear stress, time constant Flow angle Wake skew angle Angular velocity of rotor, eigenfrequency Frequency in discrete Fourier transformation xx

21 DAFTAR LAMPIRAN 1. Contour hasil simulasi pada software fluent Titik koordinat airfol NREL S Titik koordinat airfoil NREL S Titik koordinat airfoil NREL S Tabel skala beauford Hasil perhitungan airfoil NREL. 117 xxi