DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

Transkripsi

1 Simulasi Performansi Turbin Angin Tipe Darrieus-H Menggunakan Profil Sudu Naca 4415 Terhadap Variasi Panjang Chord Dan Tip Speed Ratio Dengan Software Cfd SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Indro Pramono NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

2 SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD INDRO PRAMONO NIM Diketahui / Disahkan : Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik - USU Dosen Pembimbing, Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Dr.Eng.Himsar Ambarita,ST, MT NIP NIP

3 SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD INDRO PRAMONO NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014 Disetujui Oleh : Pembimbing Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT NIP

4 SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD INDRO PRAMONO NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil Seminar Tugas Skripsi Periode ke-681 pada Tanggal 26 Februari 2014 Disetujui Oleh : Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT NIP NIP

5 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2111/TS/2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : JULI 2013 MEDAN PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : INDRO PRAMONO NIM : MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : LAKUKAN SIMULASI TERHADAP TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN MELAKUKAN VARIASI TERHADAP PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO. SIMULASI INI UNTUK MENGETAHUI VARIASI YANG PALING OPTIMAL DALAM MENGEKSTRAK ENERGI ANGIN. SIMULASI TURBIN INI SEBAGAI GAMBARAN AWAL DALAM PERANCANGAN TURBIN ANGIN YANG SEBENARNYA DIBERIKAN TANGGAL : 16 JULI 2013 SELESAI TANGGAL : 20 JANUARI 2014 MEDAN, 16 JULI 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST, MT NIP NIP

6 KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah SWT yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik mungkin. Skripsi ini berjudul SIMULASI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS H-ROTOR MENGGUNAKAN PROFIL SUDU NACA 4415 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN TIP SPEED RATIO DENGAN SOFTWARE CFD. Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata-1(S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang saya lakukan dapat terlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada: 1. Kedua orang tua saya,ibunda Murniati dan Ayahanda Mardiono yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayangnya yang sangat besar kepada saya sehingga pengerjaan skripsi ini dapat berjalan dengan baik. 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita,ST,MT selaku dosen pembimbing saya yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada saya. 3. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin. 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing,membantu dan mengajari saya selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini. 6. Rekan-rekan satu tim, Wahyu, Rijal,Rohim atas kerjasama dan saling bertukar ide dalam menyelesaikan alat kita. Khusus untuk asisten dan anggota Laboratorium Proses produksi, terima kasih atas semua bantuan yang telah diberikan selama pembuatan turbin angin.

7 7. Seluruh teman teman stambuk 2009, khusunya Zulvia,Algris, Fauzi, Budiman, Ary Santoni, Tri, Ramadhan, Febrial, Harri, Nazar, Rian, Zuhdi, Habib dan semua teman teman stambuk 09 yang telah memberikan motivasi dan dorongan kepada penulis. 8. Abang dan adik di teknik mesin yang telah memberikan semangat dan motivasi kepada penulis. 9. Seluruh pihak yang banyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini. 10. Mas Heri Santoso, Dewi Lestari dan Novita sari yang telah banyak memberikan motivasi dan semangat serta sabar membantu saya dalam menyelesaikan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi saya khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Saya dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun dari pembaca. Medan, Maret 2014 INDRO PRAMONO

8 ABSTRAK Penelitian tentang turbin angin berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Beberapa faktor yang mempengaruhi performansi turbin angin adalah kecepatan angin, tinggi menara, diameter rotor, jenis airfoil yang digunakan pada rotor, jumlah sudu, tip speed ratio, efisiensi transmisi serta efisiensi generator. Pembuatan model dengan semua variasi tersebut 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 tip speed ratio terhadap performansi turbin angin dengan mensimulasikannya dengan menggunakan software CFD. Turbin angin yang disimulasi berupa rotor 2D dengan diameter 1,55 m pada daerah rotating region sedangkan boundary luar berukuran 3 x 6 m. Rotating region dihubungkan dengan boundary luar dengan melalui mesh interface. Airfoil yang dipakai adalah NACA Jumlah sudu sebanyak 3 buah. Kecepatan angin yang digunakan pada simulasi adalah 5 m/s.variasi panjang chord sudu yang digunakan adalah 30 cm, 45 cm, 60 cm dan 75 cm. Variasi tip speed ratio yang digunakan yaitu 0,5, 1, 1,5 dan 2. Hasil simulasi menunjukkan koefisien daya untuk panjang chord sudu 75 cm dan TSR 2 memiliki efisiensi tertinggi yaitu 0,5888 atau 58,88% sementara untuk koefisien daya terendah dihasilkan untuk panjang chord 30 cm dan TSR 0,5 yaitu 0, atau 31,79% Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, airfoil NACA 4415, rotating region, mesh interface.

9 ABSTRACT The research of wind turbine has rapidly developed in recent years. Many factors influenced the performance of wind turbine. They are wind velocity, the tower height, rotor diameter, type of airfoils, number of blades, tip speed ratio and efficiency of equipment. Wind turbine modeling with all variations spends much cost while the result can t be known definitely. The utilizing of CFD software as a tool to analyze wind turbine make it possible to get the good result. The goal of this experiment is to find the effect of variation at airfoil length and tip speed ratio to performance of wind turbine by simulating with CFD software. This model is two dimensions with 1,55 m diameter of wind turbine at rotating region while the outer boundary is 3 x 6 m. The rotating region s area is connected with the outer boundary by utilizing mesh interface. NACA 4415 is used as the airfoil. Three blades are used for this model. The wind velocity is 5 m/s. The chord variation are 30 cm,45 cm, 60 cm and 75 cm. The variation of tip speed ratio are 0.5, 1, 1.5, 2. The result of simulation showed that the highest coefficient of performance reached for 75 cm chord length at TSR 2 with 58,88% while the lowest coefficient of performance reached for 30 cm chord length at TSR 0,5. Keywords : Darrieus-H wind turbine, NACA 4415, rotating region, mesh interface

10 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR SIMBOL... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Tujuan umum Tujuan khusus Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Ketersediaan energi angin di Indonesia Turbin angin Turbin angin sumbu vertical(tasv) Turbin angin sumbu Horisontal(TASH) Teori Momentum Elementer Betz Tip speed ratio Solidity Airfoil Pengertian Airfoil Geometri airfoil Airfoil NACA 4 digit Gaya aerodinamis yang terjadi pada turbin angin Computational Fluid Dynamics Pengertian CFD CFD dan Airfoil... 30

11 2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida Model aliran turbulen yang terdapat di CFD BAB III METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Identifikasi Masalah Variabel Penelitian Variabel Terikat Variabel Bebas Urutan Proses Analisa Diagram Alir Penelitian Peralatan Pengujian Langkah langkah Pengujian Pengujian airfoil secara 2D Pengujian turbin angin dengan simulasi BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil simulasi airfoil Perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen Simulasi turbin angin 2D Pemilihan sudut pitch Perhitungan daya turbin angin Simulasi turbin angin 2D dengan variasi panjang chord Simulasi turbin angin 2D dengan variasi tip speed ratio(tsr) Tabel dan grafik untuk variasi tip speed ratio(tsr) dan panjang chord(c) Perbandingan hasil simulasi dengan data eksperimen BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN I DATA KECEPATAN ANGIN DI SUMATERA UTARA... 98

12 LAMPIRAN 2 PROFIL ALIRAN DAN POTENSI KECEPATAN ANGIN DI INDONESIA LAMPIRAN 3 DATA KECEPATAN ANGIN RATA RATA TAHUNAN PADA BEBERAPA DAERAH DI INDONESIA DIUKUR PADA KETINGGIAN 50 M LAMPIRAN 4 KOORDINAT AIRFOIL NACA LAMPIRAN 5 SIFAT SIFAT UDARA PADA SUHU ANTARA K LAMPIRAN 6 KONTUR ALIRAN UDARA

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Penggunaan energi di dunia dari total PWh... 7 Gambar 2.2 Penggunaan energi di Indonesia dari total 1080 SBM... 7 Gambar 2.3 Negara yang telah memanfaatkan turbinangin sebagai pembangkit listrik... 9 Gambar 2.4 Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia... 9 Gambar 2.5 Kapasitas terpasang dari pembangkit listrik PLN(dalam MW) Gambar 2.6 Aliran angin yang terjadi di Indonesia Gambar 2.7 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Drag Gambar 2.8 Contoh turbin angin yang memanfaatkan gaya Lift Gambar 2.9 Turbin angin sumbu vertical Gambar 2.10 Turbin angin tipe Darrieus Gambar 2.11 Turbin angin Savonius yang menggunakan sudu berupa lembaran kain Gambar 2.12 Turbin angin savonius yang dapat dibuat dari drum bekas Gambar Turbin angin giromill tipe helix Gambar 2.14 Turbin angin Darrieus-H Gambar 2.15 Turbin angin sumbu horizontal Gambar 2.16 Turbin angin dengan 3 sudu Gambar 2.17 Turbin angin sumbu horizontal di unit pembangkit listrik 19 Gambar Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin Gambar 2.19 Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer Gambar 2.20 Koefisien daya vs rasio kecepatan angin sesudah dan sebelum melewati turbin angin Gambar 2.21 Geometri airfoil Gambar 2.22 Penjelasan NACA 4 digit Gambar 2.23 Tampilan situs pendidikan milik Universitas Illinois... 28

14 Gambar 2.24 Gaya aerodinamis yang terjadi pada sudu turbin Gambar 2.25 Terowongan angin yang dibuat wright bersaudara tahun di Dayton, Ohio Gambar 2.26 Metode yang sering digunakan dalam menganalisa aerodinamis Gambar 2.27 Kelestarian massa pada elemen dua dimensi Gambar 2.28 Komponen gaya sejajar sumbu-x pada elemen 2 dimensi 34 Gambar 2.29 Komponen kerja dan panas pada sebuah elemen Gambar 3.1. Diagram alir penelitian Gambar 3.2. Geometri airfoil NACA Gambar 3.3 Koordinat asli NACA 4415 sebelum diubah Gambar 3.4 Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell Gambar 3.5 Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit Gambar 3.6 Geometri airfoil dan lingkungannya Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibuat di GAMBIT Gambar 3.8 Boundary condition Gambar 3.9 Penentuan jenis model aliran Gambar 3.10 Penentuan jenis material yang digunakan pada simulasi Gambar 3.11 Penentuan jenis boundary condition Gambar 3.12 Penentuan besaran pada pressure far field Gambar 3.13 Penentuan jenis solution method Gambar 3.14 Proses iterasi Gambar 3.15 Kontur kecepatan Gambar 3.16 Susunan airfoil c = 30 cm pada rotating boundary Gambar 3.17 Lingkungan di luar rotating region Gambar 3.18 Geometri turbin angin 2D yang telah dibuat Gambar 3.19 Penentuan interface pada geometri dilakukan sebelum melakukan meshing Gambar 3.20 Boundary yang ditetapkan pada simulasi Gambar 3.21 Error yang muncul ketika dilakukan pengecekkan pada mesh Gambar 3.22 Pembuatan mesh interface pada Fluent... 58

15 Gambar 3.23 Input besaran rotating region Gambar 3.24 Proses iterasi Gambar 3.25 Diagram alir prosedur simulasi Gambar 4.1 Kontur tekanan untuk α = 7 o Gambar 4.2 Kontur kecepatan untuk α = 7 o Gambar 4.3 Grafik sebaran tekanan yang terjadi pada dinding atas airfoil dan dinding bawah airfoil Gambar 4.4 Grafik α vs C L Gambar 4.5 Efek stall yang terjadi pada airfoil Grafik 4.6 Grafik α vs C D Gambar 4.7 Grafik α vs C L /C D Gambar 4.8 Vektor kecepatan yang terjadi pada α = 4 o Gambar 4.9 Grafik α vs C L Gambar 4.10 Grafik perbandingan hasil simulasi dengan hasil Eksperimen Gambar 4.11 Kontur aliran yang terjadi pada turbin angin dengan panjang chord 30 cm Gambar 4.12 Kontur kecepatan pada c = 30 cm setelah iterasi selama 20 detik Gambar 4.13 Kontur kecepatan pada c = 60 cm setelah iterasi selama 20 detik Gambar 4.14 Grafik kecepatan angin yang keluar di sisi outlet Gambar 4.15 Kecepatan angin di daerah rotating region Gambar 4.16 Grafik y vs v untuk semua panjang sudu Gambar 4.17 Grafik c vs v rata rata untuk semua panjang sudu Gambar 4.18 Hubungan antara c vs c p Gambar 4.19 Kontur kecepatan angin angin yang terjadi pada panjang sudu c = 60 cm Gambar 4.20 Kecepatan angin yang keluar di rotating region Gambar 4.21 Grafik TSR vs c p Gambar 4.22 Grafik TSR vs v rata-rata Gambar 4.23 Grafik TSR vs P... 88

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Model penyelesaian aliran turbulen Tabel 4.1 Hasil simulasi NACA Tabel 4.2 Data kecepatan angin rata rata yang melewati sisi rotating region Tabel 4.3 Data kecepatan angin yang melewati turbin angin di sepanjang outlet untuk c = 30 cm untuk TSR Tabel 4.4 Kecepatan angin pada bagian rotating region Tabel 4.5 Kecepatan angin rata rata yang keluar di sisi outlet Tabel 4.6 Data kecepatan rata rata untuk variasi panjang chord Tabel 4.7 Data koefisien daya untuk variasi panjang chord Tabel 4.8 Perhitungan tip speed ratio dan putaran turbin Tabel 4.9 Kecepatan angin yang keluar untuk variasi tip speed ratio Tabel 4.9 Data kecepatan angin rata rata dan koefisien daya Tabel 4.10 Koefisien daya (c p ) Tabel 4.11 Kecepatan rata rata di rotating region(m/s) Tabel 4.12 Daya yang mampu diekstrak oleh turbin angin Tabel 4.13 Spesifikasi turbin angin penggerak aerator Tabel 4.14 Hasil pengujian turbin angin tanpa aerator Tabel 4.15 Hasil pengujian turbin angin dengan aerator Tabel 4.16 Data pengujian eksperimen Tabel 4.17 Data pengujian simulasi Tabel 4.18 Variasi pengujian Tabel 4.19 Data Pengujian eksperimen Tabel 4.20 Data Pengujian simulasi... 92

17 DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN NACA National Advisory Committee Of Aeronautics - TASH Turbin angin sumbu horizontal - TASV Turbin angin sumbu vertikal - TSR Tip speed ratio - A Luas sapuan rotor m 2 B Jumlah sudu - c Panjang chord sudu m c L Koefisien lift - c D Koefisien drag - c P Koefisien daya - C Panas jenis J/kg. o C D Diameter turbin m EE kk Energi kinetik angin Joule mm massa udara kg vv Kecepatan angin m/s mm Laju aliran massa udara kg/s ρρ Massa jenis udara kg/m 3 PP Daya turbin Watt FF Gaya N λ Tip speed ratio - R Jari jari turbin m n putaran turbin rpm N Gaya Normal Newton σ solidity - m camber - t tebal airfoil m p momentum kg.m

18 Re Bilangan Reynold - α sudut serang ϕ sudut pitch o o