JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 1 Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi Jumlah Blade Terintegrasi Circular Shield untuk Memperoleh Daya Maksimum M. Haydarul Haqqqi, Dr. Gunawan Nugroho, ST. MT. dan Dr. Ir. Ali Musyafa M.Sc Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: Haydarul.Haqqi@gmail.com, gunawan@ep.its.ac.id dan musyafa@ep.its.ac.id Abstrak Salah satu bagian dari turbin savonius adalah jumlah sudu yang digunakan. Jumlah sudu ini memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan performa turbin, karena semakin banyak jumlah sudu, massa turbin akan meningkat sehingga momen inesia bertambah. Meningkatnya momen inersia juga menyebabkan kecepatan angin awal yang dibutuhkan untuk membuat turbin berputar turut meningkat. Selain itu banyak jumlah sudu membuat gaya drag dengan returning blade meningkat sehingga menyebabkan torsi dengan arah negatif. Untuk meminimalkan torsi berlawanan arah gerak, salah satu cara adalah dengan memasang penghalang di depan returning blade sehingga meminimalkan torsi negatif yang dihasilkan. Dalam tugas akhir ini penghalang yang akan dipasang berbentuk lengkung (circular). Dari percobaan dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin konvensional 2 sudu dengan adanya memperlihatkan performa yang lebih baik dibandingkan dengan turbin angin lebih dari 2 sudu. Circular shiled mampu menambah dan meningkatkan torsi awal untuk memulai putaran awal turbin dan mampu menambah rpm turbin secara signifikan. Nilai Cp meningkat cukup tinggi rata-rata peningkatan Cp sebesar 80%. Kata Kunci Daya, Jumlah Sudu, profil kurva blade, turbin angin Savonius. I. PENDAHULUAN Angin merupakan salah satu energi terbarukan yang banyak dimanfaatkan. Indonesia merupakan negara dengan potensi energi angin kecepatan rendah, yaitu dengan kecepatan sekitar 3-6 m/s [1]. Turbin angin tipe Savonius merupakan salah satu turbin angin yang cocok untuk daerah dengan potensi energi angin kecepatan rendah. Turbin angin Savonius pertama kali ditemukan oleh S.J. Savonius pada tahun 1920. Pada prinsipnya turbin angin tipe Savonius pada mulanya (konvensional) adalah plat tabung yang dibelah dua dan saling disatukan sehingga berbentuk huruf S. Sehingga pada turbin angin Savonius konvensional hanya terdiri atas dua buah sudu saja. Untuk daerah dengan kecepatan angin yang berbeda diperlukan desain turbin angin yang berbeda. Selain itu posisi turbin angin dan arah datangnya angin pada saat berhembus menimbulkan permasalahan apakah torsi yang dihasilkan dapat melampaui nilai kecepatan minimal angin yang mampu membuat turbin angin berputar. Sehingga diperlukan kajian mengenai mengenai pada kecepatan angin berapa turbin berputar dan torsi yang dihasilkan untuk setiap orientasi arah angin dengan turbin angin. Jumlah sudu dalam hal ini dapat meningkatkan rata-rata torsi untuk tiap orientasi arah angin. Sehingga diperlukan penelitian mengenai pengaruh jumlah sudu yang cocok untuk kecepatan angin yang berbeda. Pada penelitian yang telah lalu, Gary Le (2011) telah melakukan penelitian bagaimana pengaruh jumlah sudu untuk nilai performansi turbin angin Savonius.Overlap Ratio yang digunakan pada model turbin tersebut bernilai negatif. Hal ini bertentangan dengan penelitian yang dilakukan UK. Saha(2008), yang dalam desainnya menggunakan nilai Overlap Ratio 20% - 30%. Desain tersebut berdasar pada penelitian yang telah lalu oleh Ushiyama and Nagai (1988); Fujisawa(1992). Tetapi desain tersebut untuk Savonius konvensional. Masalah terbesar pada penambahan sudu, menyebabkan hambatan torsional pada returning blade. Returning blade mengalami tumbukan dengan aliran udara sehingga menghasilkan torsi berlawanan arah gerak. Tetapi bila dipandang gaya torsional untuk tiap derajat posisi turbin, jumlah sudu yang semakin banyak dapat menangkap aliran udara lebih banyak. Penambahan sudu juga menyebabkan peningkatan massa, sehingga momen inersia juga meningkat. Peningkatan momen inersia ini harus relatif kecil agar tidak menambah nilai momen negatif [2]. Untuk meminimalkan torsi berlawanan arah gerak, salah satu cara adalah dengan memasang penghalang di depan returning blade sehingga meminimalkan torsi negatif yang dihasilkan [3]. Dalam tugas akhir ini penghalang yang akan dipasang berbentuk lengkung (circular). Oleh karena itu dalam tugas akhir ini diambil judul Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Savonius dengan Variasi Jumlah Sudu Terintegrasi Circular Shield Untuk Menghasilkan Daya Maksimum. Dalam penelitian ini dilakukan studi performansi secara eksperimental turbin angin tipe Savonius untuk beberapa jumlah sudu yang berbeda dengan dan tanpa circular shield. Sehingga didapatkan nilai performansi yang paling maksimum untuk diterapkan pada wilayah-wilayah dengan kecepatan angin yang berbeda. Tujuan yang akan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 2 diselesaikan dalam penelitian ini aadalah mampu merancang turbin angin sumbu vertikal dengan fariasi jumlah sudu dan integrasi circular shield. selain itu, menentukan berapa jumlah sudu pada turbin angin Savonius yang memiliki nilai daya maksimum untuk kecepatan angin yang berbeda Mengetahui pengaruh circular shield pada daya turbin angin tipe Savonius. A. Tahapan Penelitian II. METODOLOGI PENELITIAN Secara umum prosedur penelitian ini secara umum dituliskan dalam bentuk diagram alir seperti gambar 3.1 berikut: 2. Tinggi blade turbin angin adalah 36 cm 3. Lebar blade turbin angin adalah 10 cm 4. Lebar endplate turbin angin adalah 20,5 cm 5. Overlap ratio yang digunakan adalah 20% (2 cm) 6. Aspect ratio yang digunakan adalah 4.0 (36 cm : 9 cm) 7. End plate parameter yang digunakan adalah 1.1 (20,5cm) 8. Shaft menggunakan batang aluminium dengan diameter 0,8 cm Bahan sudu yang terbuat dari PVC, ditempelkan pada endplate menggunakan perekat berbahan dasar resin dengan campuran pengeras. Perekat ini digunakan karena kuat dan cocok untuk material PVC, plastik dan serat fiber. Desain model prototipe turbin angin yang dibuat, dengan variasi jumlah sudu 2, 3 dan 4. Tiap model dari turbin yang dibuat digambarkan dalam software AutoCAD seperti tampak pada gambar 3.2 ; 3.3 dan 3.4. Model turbin angin savonius 2 blade seperti pada gambar 3.1 berikut: Gambar 2 Model Turbin Savonius 2 Blade a) Isometric View b) Top View Model turbin angin savonius 3 blade berbeda dengan 2 blade dikarenakan overlap ratio tidak ada. Dalam hal ini, desain trubin angin savonius 3 blade bagian tengah turbin tetap diberi celah kosong seolah ada overlap ratio. Begitu juga untuk 4 blade. Sketsa turbin angin untuk 3 dan 4 blade seperti pada gambar 3.3 dan 3.4. Gambar 1 Flow Chart Penelitian Gambar 1.Diagram Alir Penelitian B. Spesifikasi Geometri Rotor Turbin Angin Prototipe turbin angin yang akan dibuat menggunakan material PVC karena memiliki ketahanan yang baik dan memiliki massa jenis yang ringan yaitu 1,3 hingga 1,45 g/cm 3. Selain itu bentuk PVC yang melingkar memudahkan proses manufaktur turbin angin. Pada penelitian ini, secara umum turbin angin Savonius yang dibuat memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Bahan untuk pembuatan end plate dan blade turbin angin Savonius menggunakan serat fiber glass Gambar 3 Model turbin Savonius 3 Sudu a) top view b) isometric view Gambar 4 Model Turbin Angin Savonius 4 Blade a) Top View b) Isometric View
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 3 Dari ketiga model terssubut, dihubungkan dengan shaft yang terkoneksi dengan generator DC. Generator DC berfungsi untuk mengetahui berapakah besarnya daya yang dihasilkan. Sumber energi angin yang digunakan dalam penelitian ini besarnya dapat divariasikan antara 3,8-4,6 m/s dengan resolusi 0,2m/s. Pengujian yang dilakukan pada turbin savonius yang dibuat, secara keseluruhan dilakukan dengan dua variasi. Yaitu tanpa circular shield dan dengan circular shield. Untuk bentuk circular sield yang digunakan pada tugas akhir ini adalah seperti gambar 5 berikut. C. Pemasangan dan Pengujian Ketiga model tersebut diletakkan di luar terowongan angin buatan. Kecepatan angin yang dihasilkan oleh terowongan angin divariasikan nilainya. Tiap variasi nilai kecepatan akan diujikan untuk masing-masing model. Kemudian diukur kecepatan putar yang dihasilkan oleh masing-masing model dengan beban berupa generator DC yang dikoneksikan dengan beban 56 ohm dan tanpa beban (generator DC). Untuk pengambilan data rpm, alat ukur yang digunakan adalah stroboscob tachometer. Untuk mempermudah pengambilan data, bagian bawah dari turbin yang akan dikenai cahaya stroboscob diberikan spot kecil dari alumunium foil. Gambar 5 Bentuk Circular Shield Pengukuran dan Pengkondisian Kecepatan Angin Kecepatan angin didapatkan dari sumber fan 80W dengan pemandu terowongan angin buatan. Angin yang dihasilkan oleh fan dialirkan masuk kedalam terowongan angin buatan menuju ke prototipe turbin. Keluaran dari terowongan angin buatan diukur kecepatannya menggunakan anemometer digital. Pengukuran kecepatan ini dilakukan di tiga titik yaitu pada bagian bawah, tengah dan atas untuk kemudian diambil nilai rata-ratanya. Gambar 6 Penambahan spot alumunium foil pada turbin 3.4 Pengujian Daya Sebagaimana telah disebutkan, bahwa shaft dari turbin angin akan dikoneksikan dengan generator DC untuk dapat diukur tegangan yang dihasilkan dan menghitung daya yang dihasilkan dengan persamaan P = V x I. Pada pengukuran ini digunakan dua multimeter yang berfungsi sebagai voltmeter dan amperemeter. Gambar 5 a) Pengukuran Kecepatan Angin b) Sumber angin berupa fan dan kontroler kecepatan fan Gambar 7 Pengukuran Daya dengan Multimeter Dari pengukuran kecepatan angin yang telah dilakukan, diputuskan untuk menggunakan variasi kecepatan angin 3,8 m/s hingga 4,6 m/s dengan resolusi 0,2 m/s. Nilai ini diambil karena, rata-rata protoripe turbin Savonius berputar pada kecepatan 3,6 m/s.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 4 Gambar 8. Pengujian Turbin Angin III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini disajikan dan dilakukan analisa data hasil eksperimen yang telah dilakukan. Eksperimen yang telah dilakukan meliputi pengujian model Savonius yang telah di buat. Analisa akan dibuat untuk mengamati perubahan rpm (rotation per minutte) dan daya yang dihasilkan untuk masingmasing model savonius yang telah dibuat. Tanpa Circular Shield Grafik 2. Grafik Hubungan Daya Input (Kinetik Angin) dengan Daya Rotor (Mekanik Turbin) Dari grafik 2 diatas, dapat diamati, bahwa turbin angin savonius konvensional (2 sudu) mampu mengekstraksi daya input yang dikenakan padanya menjadi daya mekanik rotor (output) lebih baik dibandingkan dengan yang lain. Hasil daya ini menunjukkan hal yang sama dengan Grafik 1 A dan 1 B, yaitu pada daya lebih dari 3,2, grafik semakin horisontal. Hal ini memberikan arti bahwa nilai koefisien daya (Cp) akan menurun. Untuk lebih jelasnya, berikut pada grafik 3 memperlihatkan bagaimana bentuk hubungan TSR dan Cp. A Grafik 1 A. Grafik hubungan kecepatan angin dan RPM turbin B. Grafik hubungan kecepatan Angin dan TSR B Dari data di atas, tampak pada turbin savonius dengan jumlah sudu konvensional, memiliki nilai Rpm yang lebih baik, bila dibandingkan dengan jumlah sudu 3 dan 4. Hal ini disebabkan, penambahan sudu juga akan menambah massa turbin. Penambahan massa turbin ini akan meningkatkan momen inersia. Oleh sebab itu, dari grafik 1A, dapat iamati pada turbin dengan jumlah sudu 4, tidak berputar saat diberikan kecepatan angin 3,8. Penambahan nilai momen inersia, akan mengkatkan nilai torsi awal untuk membuat turbin berputar. Sementara adanya torsi merupakan tidak lain adalah gaya drag yang berasal dari tumbukan angin dengan sudu. Nilai rpm maksimum yang mampu dihasilkan oleh turbin 2 sudu adalah 175,5Rpm, oleh turbin angin 3 sudu 150,3 Rpm dan oleh turbin angin 4 sudu 141,3 Rpm. Pada grafik 1B, nilai TSR memiliki trend yang sama dengan Rpm. Karena, TSR dalam hal ini memberikan arti perbandingan kecepatan output (rotor) dengan kecepatan input (angin) atau dengan kata lain TSR sebanding dengan Rpm. Semakin mendatarnya grafik nilai TSR pada kecepatan angin besar, disebabkan karena karakteristik savonius yang kurang mampu mengkonversi angin dengan kecepatan angin tinggi. Grafik 3. Grafik hubungan tip speed ratio dengan Cp Dari grafik 3, nilai Cp pada 3 data terahir menurun. Hal itu saat nilai Daya Rotor mulai melandai pada grafik 2 (3 data terakhir). Pada kondisi tersebut, penambahan kecepatan angin tidak sebanding dengan penambahan kecepatan putar rotor terjadi. Sehingga berhubungan langsung dengan Cp, penambahan energi input hanya menambah sedikit energi output.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 5 Dengan Circular Shield. arti bahwa nilai koefisien daya (Cp) akan menurun. Untuk lebih jelasnya, berikut pada grafik 6 memperlihatkan bagaimana bentuk hubungan TSR dan Cp. A B Grafik 4 A. Grafik hubungan kecepatan angin dan RPM turbin B. Grafik hubungan kecepatan Angin dan TSR Dari data di atas, sama seperti hasil yang tanpa DA, tampak pada turbin savonius dengan jumlah sudu konvensional, memiliki nilai Rpm yang lebih baik, bila dibandingkan dengan jumlah sudu 3 dan 4. Nilai rpm maksimum yang mampu dihasilkan oleh turbin 2 sudu adalah 225 Rpm, oleh turbin angin 3 sudu 210 Rpm dan oleh turbin angin 4 sudu 205 Rpm. Nilai Rpm ini meningkat bila dibandingkan dengan tanpa menggunakan circular shield. Hal ini disebabkan pada saat sebelum diapasang circular shield, torsi negatif yang disebabkan karena tumnbukan udara dengan returning blade telah dihilangkan (ditutupi). Dan untuk posisiposisi seperti pada orientasi arah 0 o dan 180 o. Pada grafik 1B, nilai TSR memiliki trend yang sama dengan Rpm. Karena, TSR dalam hal ini memberikan arti perbandingan kecepatan output (rotor) dengan kecepatan input (angin) atau dengan kata lain TSR sebanding dengan Rpm. Semakin mendatarnya grafik nilai TSR pada kecepatan angin besar, disebabkan karena karakteristik savonius yang kurang mampu mengkonversi angin dengan kecepatan angin tinggi. Grafik 6. Grafik hubungan tip speed ratio dengan Cp Dari grafik 3, nilai Cp pada 3 data terahir menurun. Hal itu saat nilai Daya Rotor mulai melandai pada grafik 2 (3 data terakhir). Pada kondisi tersebut, penambahan kecepatan angin tidak sebanding dengan penambahan kecepatan putar rotor terjadi. Sehingga berhubungan langsung dengan Cp, penambahan energi input hanya menambah sedikit energi output. Dengan penggunaan circular shield, secara rata-rata Cp dari savonius konvensional tetap terbaik. Namun dalam hal ini yang menjadikan hasil 4 sudu lebih baik daripada 3 sudu. Secara rpm, 3 sudu lebih tinggi daripada 4 sudu. Namun, secara energi mekanik 4 sudu lebih besar daripada 3 sudu. IV. KESIMPULAN Dari eksperimen yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: Telah dirancang turbin angin savonius dengan variasi jumlah sudu 2, 3 dan 4 dengan ketinggian turbin 36 cm dan diameter 21 cm. Overlap ratio pada turbin 2 sudu 20% dan pada turbin 3 sudu dan 4 sudu dirancang tanpa adanya lengan (arm) Turbin konvensional 2 sudu dengan adanya circular shield memperlihatkan performa yang lebih baik dibandingkan dengan turbin angin lebih dari 2 sudu. Circular shiled mampu menambah dan meningkatkan torsi awal untuk memulai putaran awal turbin dan mampu menambah rpm turbin secara signifikan. Nilai Cp meningkat cukup tinggi rata-rata peningkatan Cp sebesar 87% Grafik 5. Grafik Hubungan Daya Input (Kinetik Angin) dengan Daya Rotor (Mekanik Turbin) Dari grafik 5 diatas, sama seperti hasil tanpa circular shield, dapat diamati, bahwa turbin angin savonius konvensional (2 sudu) mampu mengekstraksi daya input yang dikenakan padanya menjadi daya mekanik rotor (output) lebih baik dibandingkan dengan yang lain. Hasil daya ini menunjukkan hal yang sama dengan Grafik 1 A dan 1 B, yaitu pada daya lebih dari 3,2, grafik semakin horisontal. Hal ini memberikan UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada seluruh dosen dan staff pengajar jurusan Teknik Fisika yang telah memberikan ilmunya, Utamanya kepada Bapak Gunawan dan Bapak Ali selaku dosen pembimbing. Serta kepada seluruh Mahasiswa Teknik Fisika atas bantuan kerjasamanya selama kuliah di jurusan Teknik Fisika.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 7, No. 7, (2013) 1-6 6 DAFTAR PUSTAKA [1] Ir. Sahat Pakpahan, MM, IPM, APU, Pemetaan Energi Angin untuk Pemanfaatan dan Melengkapi Peta Potensi SDA Indonesia, Teks Orasi Pengukuhan Ahli Peneliti Utama Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional [2] M.Sc. Mohamed Hassan Ahmed Mohamed, Design Optimization of Savonius and Wells Turbines, Desertation University of Magdeburg (2011) [3] Burcin Deda Altan, An experimental study on improvement of a Savonius rotor performance with curtaining, Experimental Thermal and Fluid Science 32 (2008) 1673 1678 [4] Kemendikbud Indonesia (Online) (http://belajar. kemdiknas.go.id/index7.php?display=view&mod=script &cmd=bahan%20belajar/pengetahuan%20populer/view &id=66&uniq=424, diakses tanggal 31-05-2013) [5] (http://konversi.files.wordpress.com/2008/11/potensiangi n.jpg, diakses tanggal 31-05-2013) [6] (http://www.free-online-private-pilot-groundschool. com/images/forces_airfoil.gif, diakses tanggal 31-05- 2013) [7] Hariyo Priambudi Setyo Pratomo, Perancangan prototype turbin angin poros vertikal sebagai pembangkit listrik, Tugas Akhir Teknik Mesin Universitas Petra Surabaya [8] SahaUK,RajkumarMJ. On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades. Renewable Energy 2006;31(11):1776e88. [9] IrabuK,RoyJN CharacteristicsofwindpoweronSavoniusr otorusing guide boxtunnel. Experimental Thermal and Fluid Science2007;32 (2):580e6. [10] Andrew Tendai Zhuga, Benson Munyaradzi, Design of Alternative Energy Systems: A Self-Starting Vertical Axis Wind Turbine for Stand-Alone Applications School of Engineering Sciences and Technology; Chinhoyi University of Technology