Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 151-158 ISSN 1978-2365 PERANCANGAN BILAH TURBIN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN (PLT-ANGIN) KAPASITAS 100 KW MENGGUNAKAN STUDI AERODINAMIKA DESIGN OF WIND ENERGY TURBINE BLADE OF 100 KW USING AERODYNAMICS STUDY Arfie Ikhsan Firmansyah, Zulkarnain Puslitbangtek Ketenagalistrikan Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi Energi Jl. Ciledug Raya Kav. 109, Telp. (021) 7203530, Cipulir Keb. Lama, Jakarta Selatan arfie@p3tkebt.esdm.go.id, arfie.firmansyah@gmail.com ABSTRAK Pemanfaatan energi baru terbarukan (renewable) bisa menjadi salah satu solusi keterbatasan energi fosil. Angin merupakan salah satu sumber energi baru terbarukan dengan ketersediaan yang tak terbatas untuk dimanfaatkan sebagai PLT-Angin. Salah satu bagian dari PLT-Angin adalah bilah turbin, dimana bilah turbin mengonversikan energi kinetik dari angin menjadi energi mekanik untuk memutar generator dan menghasilkan energi listrik. Bilah turbin yang efisien dan efektif secara aerodinamika dibutuhkan untuk menghasilkan daya maksimal PLT-Angin. Penelitian pada perancangan bilah turbin dilakukan dengan pendekatan studi aerodinamika. Uji aerodinamika bilah turbin menggunakan metode simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Hasil penelitian dari perancangan bilah turbin ini didapatkan rancangan bilah turbin dengan efisiensi rotor 30,6%. Kata kunci: Bilah turbin, aerodinamika, CFD ABSTRACT Renewable energy is used to solve the limitation of non-renewable energy. Wind energy is renewable energy used to generate electricity. One of the components of wind power plant is turbine blade that converts kinetic energy from wind to mechanic energy. Mechanic energy turns the generator to produce electricity. Aerodynamic turbine blade has an important factor to make high performance of wind power plant. Turbine blade with aerodynamics approach is designed in this research. Simulation Computational Fluid Dynamics (CFD) is used to have experiment data aerodynamics of turbine blade. The result is a turbine blade blue print design with the rotor efficiency of 30.6%. Keywords: turbine blade, aerodynamics, CFD Diterima redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 151
Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 151 Vol. - 158 11 No. 2 Desember 2012 : 151-158 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Saat ini sebagian besar energi listrik yang digunakan Indonesia berasal dari energi fosil, yaitu bahan bakar minyak, gas, dan batu bara. Energi fosil merupakan energi tak terbarukan (non-renewable) yang ketersediannya mulai terbatas. Pemanfaatan energi baru terbarukan (renewable) bisa menjadi salah satu solusi pemecah keterbatasan energi fosil. Energi angin merupakan salah satu energi baru terbarukan. Ketersediaan yang tak terbatas merupakan salah satu alasan kuat untuk memanfaatkan energi angin di Indonesia. Energi angin dapat dijadikan penggerak mula untuk memutar turbin, dimana energi mekanik yang dihasilkan turbin digunakan untuk memutar generator untuk menghasilkan energi listrik [1][2]. Besar energi listrik yang dihasilkan PLT- Angin sangat dipengaruhi oleh unjuk kerja bilah turbin (rotor) untuk menghasilkan putaran [1]. Putaran bilah turbin menghasilkan torsi untuk memutar generator. Putaran dan torsi pada bilah turbin dipengaruhi oleh aerodinamika bilah turbin dan kecepatan angin. Unjuk kerja bilah turbin PLT-Angin dapat ditingkatkan dengan memperhitungkan karakteristik aliran fluida yang menyentuh permukaan bilah turbin (aerodynamics analysis) [3]. angin (wind tunnel), tetapi pengujian terowongan angin membutuhkan waktu yang lama dan biaya yang tidak sedikit. Oleh karena itu dibutuhkan metode yang lebih efisien. Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan salah satu metode simulasi yang bisa digunakan untuk menguji kinerja aerodinamika bilah turbin. Di beberapa kasus, metode ini valid dan reliabel untuk analisis aerodinamika bilah turbin [4]. 1.2 Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan rancangan bilah turbin PLT- Angin kapasitas 100 kw yang optimal secara aerodinamika. 2. METODOLOGI Perancangan bilah turbin PLT-Angin kapasitas 100 kw, dilakukan dengan alur penelitian, sebagai berikut : Berdasarkan pernyataan di atas perlu dilakukan perancangan bilah turbin yang efisien secara aerodinamika. Aerodinamika bilah turbin dapat diuji dengan terowongan Gambar 1 : Diagram alir perancangan Diterima 152 redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012
Ketenagalistrikan Perancangan Dan Energi Terbarukan Bilah Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLT-Angin) Vol. 11 No. 2 Desember 2012 Kapasitas : 151100-158 KW Menggungakan Studi Aerodinamika 2.1 Perancangan Bilah Turbin a. Penentuan luas permukaan (swept area) Penentuan luas permukaan bilah turbin (swept area) PLT-Angin 100 kw digunakan persamaan Hukum Betz [1], sebagai berikut : - Tiap penampang mempunyai jarak r terhadap sumbu rotor. Local speed ratio (λ r ) dapat dihitung dengan persamaan berikut: (λ r ) = λ. r R (3) P = 0.5αρπr 2 v 3 (1) dimana P adalah daya rotor (kw), α adalah efisiensi rotor (0,25 s.d 0,30) (1), ρ adalah berat jenis udara (kg/ m 3 ), r adalah jari-jari bilah turbin (m) dan v adalah kecepatan angin (m/s). b. Penentuan jumlah bilah turbin Jumlah bilah turbin (B) dipengaruhi oleh perbandingan putaran geometri bilah turbin dengan kecepatan angin atau dikenal dengan nilai tip speed ratio (λ) desain, yang diperoleh dengan perhitungan sebagai berikut [1] : λ = 2. π. R. n 60.V (2) dimana R adalah radius turbin angin, N adalah putaran rotor dan V adalah kecepatan angin. Tabel 1 : Jumlah bilah turbin berdasarkan tip speed ratio [5] Λ B 1 6 20 2 4 12 3 3 6 4 2 4 5 8 2 3 8 15 1 2 c. Penentuan profil blade Profil yang dipergunakan adalah profil NACA 63 2 415, profil ini umum dipergunakan pada turbin angin. d. Perhitungan Chord dan Blade Setting Perhitungan chord dan penempatan bilah (blade setting) dilakukan dengan beberapa langkah sebagai berikut [5]: - Membagi bilah turbin menjadi beberapa bagian yang sepadan. Gambar 2 : Penentuan Sudut Inklanasi - Nilai local speed ratio di atas dipergunakan dalam persamaan berikut untuk mendapatkan sudut inklanasi (Ф) untuk tiap penampang bilah turbin. Ф = 2 arctg 1 3 λ r (4) - Nilai chord (c) untuk tiap penampang diperoleh dengan persamaan berikut: c = 8. π. r (1- cos Ф) B. cl (5) dimana B adalah jumlah bilah turbin dan cl adalah coefficient lift. - Dengan persamaan berikut, didapatkan blade setting dengan sudut β untuk tiap penampang bilah turbin. β = Ф α dimana α adalah sudut serang. (6) 2.2 Analisis aerodinamika menggunakan simulasi CFD Data potensi angin yang digunakan berasal dari laporan pengukuran angin P3TKEBT di lokasi Desa Tamanjaya- Sukabumi dari tanggal 29 Januari-14 Desember 2008 [6]. Berdasarkan laporan tersebut di atas, ditentukan parameter perancangan sebagai berikut : Diterima redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 153
Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 151 Vol. - 158 11 No. 2 Desember 2012 : 151-158 Tabel 2 : Parameter perancangan bilah turbin Rated Capacity 100 kw Cut-in wind speed 2.5 m/s Cut-off wind speed 21 m/s Rated wind speed 12 m/s Jumlah rotor 3 Tip Speed Ratio (TSR) 6.5 Metode uji unjuk kerja bilah turbin secara aerodinamika dilakukan dengan simulasi CFD. Model yang digunakan aliran viskos turbulen tiga dimensi berbasis pendekatan Finite Volume (7). Metode ini dilakukan untuk berbagai kondisi aliran seperti kecepatan angin, putaran rotor dan efisiensi bilah turbin. Diagram alir simulasi CFD pada Gambar 3. : Gambar 3 : Diagram alir simulasi CFD Faktor utama untuk mendapatkan solusi yang efisien pada analisis aerodinamika menggunakan metode simulasi CFD adalah penentuan kondisi batas, kondisi awal yang sesuai dan metode diskretisasi. Persamaan navier-stokes digunakan pada analisis aerodinamika dengan kondisi batas tertentu (4).Beberapa jenis kondisi batas (boundary condition) yang umum digunakan dalam metode simulasi CFD meliputi (7) : Kondisi Batas Dinding Kondisi Batas Masukan (Inlet) Kondisi Batas Keluaran (Outlet) Kondisi Batas Simetri Komputasi mesh dalam simulasi CFD digunakan sebagai batasan analisis mengunakan perhitungan numerik pada simulasi. Ukuran mesh yang digunakan adalah minimum gap size 0,3 m dan minimum wall thickness 0,1 m. Perhitungan analisis aerodinamika bilah turbin PLT-Angin 100 KW mengunakan bantuan perangkat lunak (software) Flowmerics. Hasil perhitungan yang didapatkan adalah nilai torsi, daya rotor dan Coefficient of Performance (CP). Perancangan dan simulasi CFD bilah turbin dilakukan di Pusat Penelitian dan PengembanganTeknologi Ketenagalistrikan Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi (P3TKEBTKE), Jakarta. Proses produksi bilah turbin dilakukan di PT. Dirgantara Indonesia (DI), Bandung. Durasi ini 12 bulan mulai dari bulan Januari s.d Desember 2009. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan luas permukaan bilah turbin (swept area) PLT-Angin 100 kw dimaksudkan untuk merencanakan dimensi bilah turbin, dimensi mempengaruhi daya yang dihasilkan bilah turbin. Perhitungan luas permukaan bilah turbin menggunakan persamaan (1), maka dihasilkan jari-jari bilah turbin (R) 10,75 m dan luas permukaan (A) 19,25 m 2. Jumlah bilah turbin digunakan pada PLT-Angin ditentukan berdasarkan nilai tip Diterima 154 redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012
Ketenagalistrikan Dan Perancangan Energi Terbarukan Bilah Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLT-Angin) Vol. 11 No. 2 Desember 2012 Kapasitas : 151-100 158 KW Menggungakan Studi Aerodinamika speed ratio (λ) (persamaan 2), maka didapatkan nilai λ sebesar 6,5. Berdasarkan Tabel 1, maka didapatkan jumlah bilah turbin yang sesuai adalah tiga buah. Profil airfoil bilah turbin PLT-Angin 100 kw digunakan adalah profil NACA 63 2 415 (Gambar 3). Profil airfoil ini efektif dipergunakan pada turbin angin dengan radius bilah lebih besar dari 10 m. Geometri bilah turbin memiliki keunikan, dimana bilah turbin merupakan gabungan antara beberapa airfoil yang membentuknya (1). Hal ini dikarenakan bilah turbin tidak memiliki ukuran yang seragam dari ujung (tip) dan pangkal (root). Oleh karena itu diperlukan beberapa kerangka (spar) airfoil untuk membentuk geometri bilah turbin. Gambar 4 : Penempatan airfoil Pada Gambar 4, rancangan bilah turbin dibagi menjadi tujuh bagian. Jarak antar bagian airfoil (r) 1,5 m. Hal ini dimaksudkan untuk memudahkan perhitungan sudut inklanasi (Ф), panjang chord (C) dan blade setting (β), serta memudahkan penempatan kerangka (spar) airfoil pada saat produksi. Asumsi perancangan bilah turbin memiliki koefisien angkat (cl) 0,92 dan sudut serang (α) 5,7 0 Berdasarkan persamaan (3) (4), (5) dan (6), maka didapatkan ukuran tiap airfoil pembentuk bilah turbin sebagai berikut : Tabel 3 : Ukuran airfoil tiap bagian bilah turbin Pena r λ r Ф c β mpa ng 1 1,55 0,65 37,98 2.99 32,28 2 3,13 1,31 24,90 2,65 19,2 3 4,70 1,97 17,94 2,08 12,24 4 6,28 2,63 13,88 1,67 8,18 5 7,85 3,29 11,27 1,38 5,57 6 9,43 3,95 9,47 1,17 3.77 7 10.75 4,61 8,16 1,01 2.46 Pembuatan geometri bilah turbin PLT-Angin 100 kw (Gambar 4) dilakukan menggunakan alat bantu perangkat lunak Catia V5R18 dengan skala gambar 1:1. Hal ini dilakukan untuk memudahkan analisis aerodinamika, sehingga nilai yang didapatkan mendekati sebenarnya. Berdasarkan perhitungan di atas maka didapatkan spesifikasi bilah turbin, sebagai berikut : Tabel 4 : Spesifikasi rancangan bilah turbin Parameter Dimensi Bilah turbin Rasio Panjang chord, 1200 : 540 root dan tip (mm) Ketebalan NACA/root 220 (mm) Luas Permukaan (m 2 ) 19,25 Panjang blade (m) 10,75 Jenis NACA NACA 632415 Simulasi aerodinamika dilakukan menggunakan CFD. Model aliran fluida yang digunakan adalah viskos turbulen tiga dimensi berbasis pendekatan Finite Volume. Analisis dilakukan untuk berbagai kondisi kecepatan angin, dan putaran rotor. Parameter-parameter rancangan seperti torsi, daya rotor dan efisiensi bilah turbin disajikan dalam analisis aerodinamika ini. Langkah pertama dalam analisis CFD, adalah pembuatan komputasi mesh, komputasi mesh dibuat dengan bantuan perangkat lunak Diterima redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 155
Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 151 Vol. - 158 11 No. 2 Desember 2012 : 151-158 EFD Flowmeric. Ukuran mesh yang digunakan adalah minimum gap size 0,3 m dan minimum wall thickness 0,1 m. Gambar 5 : Komputasi Mesh Geometri komputasi mesh harus dibuat diseluruh bagian geometri yang akan disimulasikan (7). Warna hijau pada Gambar 5, merupakan komputasi mesh, geometri mesh berbentuk kubus dimana aliran fluida akan mengalir, rusuk kubus menjadi batasan fluida yang mengalir. Komputasi mesh dibuat sebanyak 195.315 buah menyelimuti diseluruh bagian bilah turbin. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan nilai yang valid pada tiap bagian geometri bilah turbin. Jumlah Komputasi mesh juga digunakan sebagai batasan perhitungan numerik. Kerapatan jumlah mesh mempengaruhi ketepatan hasil simulasi (7). Gambar 6 (a) : Distribusi tekanan fluida pada V = 10 m/s, n = 67 rpm Pada Gambar 6, terlihat aliran fluida menyentuh bilah turbin, warna pada bilah turbin merupakan perbedaan tekanan pada permukaan bilah turbin diakibatkan kecepatan angin. Hal tersebut mengakibatkan gaya angkat (f l ) bilah turbin pada permukaan berwarna merah lebih besar, sehingga bilah turbin berputar searah jarum jam. Putaran dari bilah turbin tersebut menghasilkan daya mekanik yang dibutuhkan generator. Putaran pada bilah turbin diasumsikan saat melakukan simulasi, hal tersebut dilakukan untuk memberikan nilai awal melakukan simulasi CFD menggunakan perangkat lunak EFD flowmeric. Pada Gambar 7 (a), terlihat putaran dibutuhkan untuk menaikkan torsi pada kecepatan angin 12 m/s (rated wind speed), Kenaikan torsi tersebut menunjukkan pada saat bilah turbin berputar membutuhkan gaya putar yang besar untuk menghasilkan torsi. Torsi ini dibutuhkan untuk mengimbangi gaya berat dari bilah turbin dan gaya gesek fluida (udara). Nilai torsi mengakibatkan bilah turbin berputar, dan bertambah putaran sampai pada suatu titik tertentu nilai gaya sentrifugal meningkat pada bilah turbin yang mengakibatkan tidak diperlukan lagi nilai torsi yang besar. Nilai maksimum torsi terjadi 63 rpm dan torsi mulai turun pada 70 rpm, hal ini terjadi karena tingginya putaran membuat gaya gesek fluida besar sedangkan gaya yang dibutuhkan bilah turbin berputar tetap. Hal tersebut yang mengakibatkan torsi yang dihasilkan bilah turbin turun. Gambar 6 (b) : Visualisasi aliran fluida pada V = 12 m/s, n = 75 rpm Diterima 156 redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012
Ketenagalistrikan Dan Perancangan Energi Terbarukan Bilah Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLT-Angin) Vol. 11 No. 2 Desember 2012 Kapasitas : 151-100 158 KW Menggungakan Studi Aerodinamika Gambar 7 (a) : Putaran vs torsi bilah turbin pada kecepatan angin 12 m/s Gambar 7 (b) : Putaran vs daya bilah turbin pada kecepatan 12 m/s Pada gambar 7 (b), daya bilah turbin maksimal pada kecepatan angin 12 m/s terjadi pada putaran bilah turbin 75 rpm dengan daya sebesar 120,618 watt. Persamaan yang digunakan untuk menghitung daya rotor (1) : P =. (7) Dimana P adalah daya rotor (watt), adalah torsi (n.m) dan adalah putaran rotor (rad/s). Nilai daya bilah turbin tidak berbanding lurus dengan nilai torsi, hal ini dikarenakan putaran bilah turbin juga berpengaruh pada daya rotor yang dihasilkan. Berdasarkan persamaan daya, daya merupakan hasil kali torsi dengan putaran. Daya yang dihasilkan bilah turbin rancangan sesuai dengan parameter rancangan yaitu menghasilkan 100 kw pada rated wind speed. Gambar 8 : Putaran vs CP bilah turbin pada kecepatan angin 12 m/s Pada Gambar 8, merupakan koefisien performa (CP) yang dihasilkan bilah turbin pada rated wind speed putaran tertentu. Nilai CP yang dihasilkan merupakan perbandingan nilai daya bilah turbin ideal (teoritis) dengan daya bilah turbin hasil simulasi. Nilai CP maksimal pada kecepatan angin ini sebesar 0,306 atau memilki efisiensi 30,6 % pada 75 rpm dan Torsi sebesar 15.327 N.m. Nilai CP pada turbin angin menggunakan tiga buah bilah adalah 0,3 (1), maka rancangan bilah turbin dapat digunakan untuk produksi. Hasil simulasi pada masing-masing kecepatan angin dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9 : Hasil Simulasi aerodinamika bilah turbin Validasi hasil simulasi dilakukan dengan menggunakan hasil pengujian terowongan angin dengan menggunakan nilai koefisien lift (cl). Perubahan sudut serang mengakibatkan muka benda yang berinteraksi dengan fluida semangkin besar sehingga gaya angkat meningkat, meningkatnya gaya angkat berbanding lurus perubahan koefisien lift (cl). Tabel 5 : Hasil uji terowongan angin berbagai jenis NACA (8) 4415 632-415 642-215 652-415 747A415 CL (a=0) 0.4 0.3 0.15 0.34 0.2 Clmax (Re=3e+6) 1.42 1.51 1.41 1.45 1.32 Stall character gradual gradual gradual gradual gradual agak sensitif thd Re Cd (a=0) 0.0072 0.006 0.0045 0.006 0.0068 Cd (Cl=1.0) 0.008 0.008 0.0122 0.011 0.0102 Cl/Cd (Cl=1.0) 116.28 117.65 83.33 90.91 98.04 Cmac (CL=0) -0.09-0.09-0.03-0.06-0.03 Diterima redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 157
Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 151 Vol. - 158 11 No. 2 Desember 2012 : 151-158 Gambar 10 : Coefisien lift (Cl) vs sudut serang (alpha) Naca 63415 re = 1e6 (9) Hal tersebut di atas juga terlihat pada hasil simulasi CFD menggunakan parameter pengujian yang sama dengan uji terowongan angin menggunakan perangkat lunak flomeric (Gambar 11), selain memiliki tren garis yang sama, nilai koefisien lift simulasi ekuivalen dengan hasil uji terowongan angin Tabel 6 dan gambar 12 yaitu sebesar 0,3 pada α = 0 pada re = 1e6. Sudut serang yang digunakan pada rancangan bilah turbin adalah 5.7 0 dengan cl= 0.92. Nilai cl pada rancangan berdasarkan simulasi menggunakan flowmeric. Gambar 11 :Hasil simulasi nilai koefisien lift Hasil rancangan bilah turbin telah dibuat cetak birunya (blue print design) dan telah selesai diproduksi PT. Dirgantara Indonesia, Bandung. 4. KESIMPULAN Pada penelitian perancangan bilah turbin pembangkit listrik tenaga angin kapasitas 100 kw dihasilkan beberapa kesimpulan diantaranya : Hasil yang didapatkan dari perancangan adalah dimensi bilah turbin PLT-Angin yang memiliki unjuk kerja optimal secara aerodinamika. Hasil simulasi aerodinamika didapatkan efisiensi bilah turbin sebesar 30,6% pada rated wind speed yaitu pada kecepatan angin 12 m/s dengan putaran bilah turbin 75 rpm. Bilah turbin rancangan telah dibuat cetak birunya (blue print design) dan telah selesai diproduksi serta terpasang pada PLT-Angin Desa Tamanjaya-Sukabumi. DAFTAR ACUAN [1]. Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N dan Bossanyi, E. 2001. Wind Energy Handbook. Chichester, John Wiley & Sons, Ltd. [2]. Sterzinger,G et al. 2004. Wind Turbine Development: Location of Manufacturing Activity. Report. REPP Washinton DC [3]. Stiesdal, H. 1999.The Wind Turbine Components& Operation. Brande, Energy [4]. Chao, D.D. dan van Dam, C.P.2008. CFD Analysis of Rotating Two-Bladed Flatback Wind Turbine Rotor. Oak Ridge, DOE USA [5]. Manwell, J. et al,. 2002. Wind Energy Explained : Theory. Design and Application. John Wiley and Sons, Ltd. [6]. Tim Peneliti Energi Angin. 2008. Kajian PLT- Angin Di Indonesia Bagian Timur. Laporan.P3TKEBT-DESDM, Jakarta. [7]. Versteeg, HK dan Malalasekera,W. 1995. An Introduction to : Computational Fluid Dynamic. New York, Longman Group Ltd [8]. Tim Pengembang Kincir angin. 2009. Laporan Pembuatan Kincir Angin. Laporan produksi. PT.DI: Bandung [9]. Airfoil tools, 2012. NACA 63-415 Airfoil. Tersedia : http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil =n63415-il. Diakses 26 November 2012. Diterima 158 redaksi : 21 September 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012