Studi Eksperimental tentang Karakteristik Turbin Angin Sumbu Vertikal Jenis Darrieus-Savonius Bambang Arip Dwiyantoro*, Vivien Suphandani dan Rahman Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya 60111 Indonesia * bambangads@me.its.ac.id Abstrak Turbin angin sumbu vertikal merupakan alat yang sedang dikembangkan dalam menghasilkan energi dari hembusan angin. Salah satu penyebab masih sedikitnya penggunaan energi dari angin adalah desain dari turbin angin yang kurang tepat. Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dikembangkan desain turbin angin sumbu vertikal jenis Darrieus-Savonius yang optimal dan diuji karakteristiknya dengan metode eksperimental. Metode yang digunakan untuk mendesain turbin angin adalah dengan melakukan studi literatur, menganalisa bagian kritis dari turbin angin dan menganalisa struktur desain yang optimal. Prototipe turbin angin dari desain yang optimal dilakukan uji karakteristik di wind tunnel secara eksperimental dengan memvariasikan kecepatan angin. Dari hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar kecepatan angin maka semakin besar pula putaran turbin angin dan torsi yang dibangkitkan. Dihasilkan desain turbin angin sumbu vertikal jenis Darrieus-Savonius yang mampu menghasilkan daya 500 Watt dengan kecepatan angin rata-rata 7.5 m/s. Kata kunci : turbin angin, sumbu vertikal, Darrieus, Savonius, karakteristik, wind tunnel Pendahuluan VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) dapat digolongkan menjadi dua tipe yaitu tipe lift dan drag. Contoh turbin vertikal tipe lift yaitu turbin Darrieus. Kelebihan turbin tipe lift adalah kemampuan mengekstraksi daya dari fluida dengan baik terutama pada kecepatan tinggi. Kelemahan dari turbin Darrieus adalah diperlukannya sumber eksternal sebagai pendorong awal (starting). Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mengatasi kelemahan ini [1, 2]. Permasalahan stall sudu pada kecepatan rendah di wind turbine Darrieus dapat diatasi dengan memberikan pitch (sudu dapat diputar pada sumbu span), sehingga angle of attack pada sudu bervariasi utk berbagai kecepatan angin. Pada turbin tipe drag, momentum aliran yang menumbuk permukaan sudu akan mengakibatkan rotor berputar. Salah satu contoh turbin tipe drag adalah turbin Savonius. Kelebihan dari turbin tipe drag adalah kemampuan self-starting dengan kecepatan angin yang kecil, sehingga tidak diperlukan bantuan dorongan eksternal. Kelemahannya adalah kecepatan putaran maksimum dari rotor yang tidak dapat melebihi kecepatan angin. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk memperbaiki performa dari turbin Savonius, antara lain dengan memvariasikan jumlah sudu bucket dan jarak antar bucket [3]. Gambar 1. Konfigurasi VAWT hybrid [4] Dengan adanya berbagai kelebihan dan kelemahan yang dimiliki baik oleh VAWT tipe lift maupun tipe drag, maka dikembangkan
turbin angin sumbu vertikal tipe hybrid yang merupakan kombinasi tipe Darrieus dan tipe Savonius (hybrid D-S). Darrieus turbin bisa digunakan untuk berbagai arah angin, tetapi memiliki torsi yang rendah (kendala saat selfstarting). Desain hybrid D-S dikembangkan untuk mendapatkan torsi yg lebih besar untuk self-starting. Terdapat dua konfigurasi untuk tipe hybrid D-S. Pada konfigurasi pertama, rotor Savonius terletak pada pada poros dengan lokasi aksial yang sama (align) dengan sudu Darrieus. Untuk konfigurasi ini, rotor Savonius tampak berada didalam sudu Darrieus, seperti ditunjukkan pada Gambar 1a. Untuk konfigurasi kedua, rotor Savonius dan sudu Darrieus terletak pada lokasi aksial yang berbeda, sehingga rotor Savonius tampak berada diluar sudu Darrieus, seperti ditunjukkan pada Gambar 1b. dan Savonius pada lokasi aksial yang berbeda (type-b) mampu mengekstraksi daya lebih besar [4]. Namun disisi lain, hasil pemodelan dinamik dengan dimensi turbin yang bervariasi dan berbagai kondisi angin menyimpulkan bahwa type-b tidak selalu memberikan performa yang lebih baik daripada type-a. Secara umum, dimensi yang lebih besar akan memberikan koeffisien daya efektif yang cenderung menurun. Namun, turbin type-b menunjukkan penurunan yang sangat signifikan pada dimensi besar untuk hembusan angin dengan durasi pendek. Dari grafik tersebut, secara umum type-a lebih cocok digunakan untuk aplikasi wind turbin tunggal karena performanya yang relatif konsisten dalam berbagai kondisi. Namun untuk aplikasi wind turbin kecil (dengan radius dibawah atau sekitar 1 m), type-b mempunyai koefisien daya yang lebih baik. Penelitian dengan terowongan angin menunjukkan turbin dengan letak sudu Darrieus Gambar 2. Desain VAWT Darrieus-Savonius Tabel 1. Spesifikasi VAWT Darrieus-Savonius Bagian bergerak Darrieus Blade: Airfoil: 3 Blades (each 120 ) Symetric dengan chord length : 10 cm
Savonius Blade: Airfoil: Shaft: 2 level Savonius Blade Half Round type Double Shaft System (inner dan outer). Bagiam tetap (tower) Tinggi: 4 m (dari ground) Diameter: ±14 cm dengan thickness 0.8 cm Gambar 2 menunjukkan desain turbin angin tipe Darrieus-Savonius, dimana dibuat dengan menggabungkan jenis Darrieus turbin angin dengan Savonius turbin angin. Turbin angin jenis DS memiliki tinggi 2,16 m, dan diameter 2,34 m. Ada tiga buah Darrieus blade, dan dua tingkat Savonius blade turbin angin. Generator listrik terletak di bawah sistem blade keseluruhan. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi turbin angin jenis Darrieus-Savonius. dimana CD adalah besarnya coefficient of drag dan A adalah frontal area dari sudu yang terkena angin yaitu luasan penampangan dari luasan darrieus dijumlah dengan luasan savonius dalam satuan meter persegi. Nilai torsi statis didapatkan ketika turbin mulai berputar dari keadaan diam. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan angin yang menyebabkan turbin dapat berputar dari keadaan diam adalah kecepatan angin minimum. Besarnya coefficient of torque (CT) dapat dirumuskan: Perhitungan turbin angin Daya yang dihasilkan pada poros suatu turbin angin merupakan transformasi energi kinetik yang terdapat pada aliran angin. Besarnya nilai torsi dari turbin angin darrieus rotor kombinasi savonius adalah penjumlahan dari besar torsi yang dihasilkan oleh sudu darrieus dan sudu savonius. Besarnya torsi (T) yang dihasilkan dapat dihitung sebesar [5]:...(3) Koefisien daya total yang dimiliki oleh suatu turbin angin, yaitu kemampuan sebuah turbin angin untuk menghasilkan daya. Koefisien daya total (CP) didapat dari persamaan: T = FD. r...(1) FD adalah gaya yang terjadi di turbin angin dan r adalah jarak lengan gaya terhadap sumbu. Gaya ini didapat dari perumusan: CP = CT....(4) FD = 0.5 CD V A...(2) λ adalah tip speed ratio (TSR) dari turbin angin darrieus-savonius. Besar tip speed 2
ratio didapat menggunakan persamaan: terjadi saat angin mengenai penampang sudu darrieus, akan tetapi karena sudu darrieus pada penelitian ini tidak memiliki sudut serang (angle of attack) maka gaya yang terjadi hanya gaya drag. Tabel 3 menunjukkan hasil perhitungan gaya pada turbin angin....(5) D adalah diameter dari turbin angin skala model darrieus-savonius dalam satuan meter, sedangkan adalah kecepatan angular. Tabel 3. Hasil perhitungan gaya pada turbin Kecepatan Gaya Gaya Gaya angin pada sudu pada sudu total (m/s) darrieus savonius (N) (N) (N) Hasil Pengujian dan Diskusi 7,5 7,8 8,1 8,4 8,7 9 9,3 9,9 10,4 10,5 Pengujian yang dilakukan pada wind tunnel menghasilkan beberapa data diantaranya adalah arus listrik, tegangan listrik, kecepatan angin dan putaran dari turbin angin. Tabel 2 merupakan data yang didapat dari hasil pengujian di wind tunnel. Sebelum melakukan pengambilan data di wind tunnel terlebih dulu dilakukan kalibrasi agar data yang didapatkan benarbenar sesuai dengan kondisi yang sebenarnya. Tabel 2. Data pengujian Kecepatan I V angin (A) (Volt) (m/s) 7,5 0.0038 1.1352 7,8 0.0073 1.2725 8,1 0.0174 1.4873 8,4 0.0231 1.5517 8,7 0.0262 1.6218 9 0.0282 1.6782 9,3 0.0314 1.7311 9,9 0.0354 1.7651 10,4 0.0377 1.8223 10,5 0.0402 1.8672 0,007 0,007 0,008 0,009 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 1,045 1,126 1,183 1,239 1,297 1,388 1,481 1,677 1,849 1,885 1,05 1,13 1,19 1,25 1,31 1,40 1,49 1,69 1,86 1,90 Angin yang datang menyebabkan gaya drag terjadi pada sudu darrieus dan pada sudu savonius. Besarnya nilai coefficient of drag bentuk C-section open facing flow (C D =0.09) lebih besar daripada coefficient of drag bentuk C-section open facing downstream (C D =0.06) sehingga gaya drag yang dihasilkan juga lebih besar. Nilai koefisien power skala model yang didapatkan ditunjukkan pada Tabel 4. P (Watt) 0,007 0,015 0,038 0,056 0,066 0,074 0,085 0,097 0,105 0,114 Tabel 4. Nilai koefisien power skala model Putaran V TSR CT CP turbin (m/s) (rpm) 742 762 786 836 858 Dalam pengujian ini, gaya yang terjadi sesaat angin mengenai turbin angin adalah gaya drag dan gaya lift. Gaya drag terjadi saat angin mengenai penampang sudu darrieus-savonius, sedangkan gaya lift 7,5 7,8 8,1 8,4 8,7 0,859 0,867 0,872 0,883 0,886 0,15 0,16 0,18 0,21 0,23 0,13 0,14 0,16 0,19 0,20
892 912 942 976 992 9 9,3 9,9 10,4 10,5 0,890 0,894 0,892 0,904 0,947 0,27 0,29 0,33 0,38 0,43 tunnel 7,5 m/s dengan putaran turbin angin 742 rpm. Grafik diatas menunjukkan semakin besar kecepatan angin yang mengenai sudu turbin angin maka putaran yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini disebabkan energi yang dimiliki oleh angin semakin besar kecepatan angin yang terjadi sehingga dapat menghasilkan putaran turbin yang semakin tinggi. 0,24 0,26 0,30 0,34 0,39 Gambar 3 menunjukkan hubungan antara kecepatan angin (V) yang mengenai sudu turbin angin dengan putaran (n) yang dihasilkan oleh turbin angin. Data dihasilkan pada saat turbin angin mulai menghasilkan daya yaitu pada kecepatan angin di wind Gambar 3. Grafik hubungan antara putaran turbin amngin model terhadap kecepatan angin Gambar 4. Grafik hubungan antara koefisien power turbin angin model terhadap TSR Gambar 4 menggambarkan perbandingan antara koefisien power dari turbin angin model terhadap tip speed ratio. Koefisien power dari suatu turbin angin akan
sebab itu koefisien power dari turbin angin semakin meningkat. Desain turbin angin ini mampu menghasilkan daya 500 Watt pada kecepatan angin 7.5 m/s. meningkat seiring dengan meningkatnya tip speed ratio. Hal ini disebabkan karena tip speed ratio dipengaruhi oleh kecepatan angin yang mengenai sudu turbin angin, dimana semakin besar kecepatan angin maka tip speed ratio semakin besar. Turbin mengalami C P maksimum pada TSR 0,95 yaitu sebesar 42 %. Referensi [1] M. N. Nahas, A self-starting darrieustype windmill, Energy 18 (1993) 899-906. [2] Howell, Robert, and N. Durrani, Wind tunnel and numerical study of a small VAWT, Renewable Energy 35 (2010) 412-422. [3] R. Gupta and K. K. Sharma, Flow physics of a combined darrieus-savonius rotor using computational fluid dynamics, Int. Research J. Eng. Sci., Tech. and Innov. 1 (2012) 1-13. [4] Wakui and T. Nagao, Hybrid configurat of Darrieus and Savonius rotors for stand alone wind turbine generator systems, Electrical Eng. in Japan 150 (2005) 13-22. [5] J. F. Walker and J. Nicholas, Wind energy technology, Washington, 1997. Konsep flow similarity digunakan dalam proses ini untuk mendapatkan kondisi di lapangan, dalam hal ini prototipe turbin angin riil, yang sesuai dengan kondisi di laboratorium pada saat pengujian dengan turbin angin model. Untuk melakukan analisa flow similarity, syarat pertama adalah geometric similarity, dimana bentuk dari turbin angin model dan prototipe harus sama. Syarat yang kedua adalah kinematic similarity, yaitu karakteristik aliran yang melintasi turbin angin model harus sama dengan aliran yang melintasi turbin angin prototipe. Syarat ketiga adalah dynamic similarity, dimana semua gaya yang terjadi pada turbin angin model harus mempunyai rasio yang sama pada turbin angin prototype. Dari analisa non dimensional parameter didapatkan:...(6) Bila tip speed ratio (TSR) pada angin prototipe (λ p ) sama dengan tip ratio rata-rata turbin angin model sebesar 0,86, maka besarnya daya yang dihasilkan sebesar 500 Watt turbin speed yaitu turbin Kesimpulan Dari hasil pengujian karakteristik turbin angin sumbu vertikal jenis Darrieus-Savonius menunjukkan bahwa semakin besar kecepatan angina menyebabkan energi yang dihasilkan oleh turbin angin juga semakin besar, oleh