KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP TORSI DAN PUTARAN TURBIN SAVONIUS TYPE U Zulfikar (1), Nusyirwan (1), Rakiman (1). (1) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang, ABSTRACT Wind energy is one type of energy that is expected to reduce our dependence on fossil fuels, which are increasingly reduced in number, in the utilization of wind turbine technology is required conformity with the characteristics of wind turbine where it is used. For it has been tested against U-type Savonius turbine with two blades and three rotor blades, to determine the effect of rotor blade against rotation and torque and power that is able to produce. Test results showed that: At no load condition, the rotor blades savonius two starts spinning at a lower wind speed (0.5 m / s) and has a rotational speed higher than the three rotor blades at the same wind speed. Three blade Savonius rotor was started generating torque and power at lower wind speeds (1.8 m / s) than the two rotor blades and produces more power at the same wind speed. Power that can be raised Savonius rotor diameter of 40 cm and a height of 60 cm on average wind speed - average Indonesia (<4.5 m / s) was very small and unable to produce the expected energy. To take advantage of wind energy as wind power plant with a Savonius rotor type N, it is suggested that using a rotor with larger dimensions and the number of blades is more, according to the diameter of blade. Keywords : Wind Energy, Savonius rotor, rotor speed, power 1. PENDAHULUAN Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel dan berkembang saat ini. karena dapat digunakan untuk berbagai keperluan dan mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil yang semakin hari semakin berkurang jumlahnya. Untuk memanfaatkan energi angin sebagai pembangkit Sistem Konversi Energi Angin(SKEA) dibutuhkan kesesuaian teknologi turbin angin dengan karakteristik angin dimana turbin tersebut digunakan. karena jenis dan konstruksi turbin yang berbeda memiliki karakter yang berbeda pula dalam aplikasinya. Menurut Daryanto, et al, 2005 (LAPAN) karakter angin di Indonesia memiliki kecepatan bervariatif, umumnya terkategorikan sebagai angin berkecepatan rendah dengan arah angin yang sering berubah dan sering terjadi turbulensi, dengan kecepatan berkisar antara 2,7 4,5 m/s. Karakteristik angin tersebut [2], turbin angin yang cocok digunakan adalah jenis Savonius type U karena beberapa keuntungan, yaitu : tidak memerlukan orientasi pada arah mata angin (tidak perlu mendeteksi arah angin), otomatis menyala sendiri (self starting) menghasilkan tenaga putaran yang lebih tinggi. Diduga rotor Savonius U dengan jumlah sudu yang berbeda (dua sudu dan tiga sudu) akan menghasilkan putaran dan torsi yang berbeda pula, karena pada kecepatan tinggi koefisien drag rotasi akan menjadi lebih tinggi dan dapat menyebabkan kehilangan banyak energi, sedangkan rotor dengan jumlah sudu lebih banyak memiliki massa dan momen inersia yang lebih besar. Untuk itu perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu rotor Savonius type U terhadap putaran dan torsi, agar potensi energi angin dapat dimanfaatkan secara maksimal, sesuai kebutuhan pokok Sistem Konversi Energi Angin (SKEA), yaitu putaran dan torsi yang besar. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh jumlah sudu (dua sudu dan tiga sudu) rotor Savonius type U terhadap torsi dan kecepatan putar, serta untuk mengetahui jumlah sudu efektif yang menghasilkan putaran dan torsi optimal sesuai tuntutan kebutuhan pokok SKEA 2. TINJAUAN PUSTAKA Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara lain yang sudah memanfaatkan tenaga angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Karakteristik angin di Indonesia, antara lain : 1. Arah angin sering berubah-ubah, 2.Sering terjadi turbulensi, 3. Kecepatan rata-rata angin relatif rendah. Syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik menurut Grace Elizabeth adalah Tabel (1)
Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Desember 2011 ISSN 1829-8958 Sesuai Tabel (1), potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik adalah angin kelas 3 sampai angin kelas 8 ( 3,4 20,7) m/s sedangkan potensi angin rata rata yang kita miliki adalah angin kelas 2 sampai kelas 3 (2,7 4,5) m/s. Terlihat bahwa kecepatan angin yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi adalah pada kecepatan 3,4 4,5 m/s. Dengan keterbatasan tersebut, maka diperlukan usaha sungguh sungguh, agar energi angin yang tergolong pada angin berkecepatan rendah (berkecepatan 2,7 m/s) dapat dimanfaakan menjadi energi listrik Tabel 1 Tabel kondisi angin dimana : P = Daya (watt) ρ = kepadatan udara (kg/m 3 ) A = penampang (m 2 ) v = kecepatan angin Daya Rotor dimana, P = T.ω P = Daya (Watt) T = Torsi (Nm) (m/det) ω = Kecepatan angular (rpm) Turbin Angin Savonius Turbin Savonius adalah jenis turbin angin yang paling sederhana, dapat berputar karena adanya gaya tarik/drag ( Gambar (1) ), dengan efisiensi sekitar 30%. Turbin Savonius dapat berputar dan menghasilkan energi listrik pada kecepatan angin yang rendah dan tidak terpengaruh arah angin. Maka turbin ini sangat sesuai untuk dikembangkan dan diteliti sesuai dengan potensi angin yang ada. Energi Angin Angin adalah fluida homogen yang bergerak dengan kecepatan tertentu, Energi kinetik yang tersimpan dalam suatu blok udara dengan masa (m) dan kecepatan (v) yang bergerak sepanjang sumbu x dapat dirumuskan sebagai : E = 0,5 m v 2... (1) dimana : E = Energi kinetik (joule) m = massa (kg) v = Kecepatan angin (m/det) Bila blok udara mempunyai penampang A (m 2 ), dengan kecepatan v (m/det), maka jumlah massa yang melewati suatu tempat adalah : dimana, m = A. v. ρ (Kg/det)... (2) A = penampang (m 2 ) v = kecepatan angin (m/det ) ρ = kepadatan udara (Kg/m 3 ) Daya didefinisikan sebagai energi kinetik per satuan waktu. Dari Persamaan (1) dan (2) dapat dihitung daya yang dihasilkan dari energi angin sebagai berikut : P = 0,5. ρ. A. v 3... (3) Gambar 1 Rotor Savonius Type U dua sudu (Sumber : aerostellar.quasar.co.id/index.php/component/.../55-aerostellar) Desain sudu rotor Savonius yang umum digunakan adalah Savonius type U ( Gambar (2a), (2b) ) dan Savonius type L ( Gambar (2c) ). (a) (c) (b) Gambar 2 Sudu Rotor Savonius (Sumber : Membuat Turbin Angin Savonius sederhana, Lance Turner) Eksperimen yang dilakukan Barrabasky terhadap rotor Savonius type U, menunjukkan bahwa rotor Savonius type U dengan dua sudu menghasilkan 104
Kajian Eksperimental Pengaruh Jumlah Sudu terhadap Torsi dan Putaran Turbin Savonius Type U (Zulfikar) kecepatan putar yang sedikit lebih tinggi dibanding rotor Savonius tiga sudu. Desain rotor Savonius Type U [5] dua sudu memiliki kelemahan, yaitu putaran rotor kurang stabil. Untuk mengatasi hal tersebut dapat dibuat rotor Savonius tiga sudu, berjarak masing-masing 120 0. Pengaruh overlap sudu terhadap torsi yang dihasilkan turbin savonius type U, menghasilkan bahwa pada kecepatan angin yang semakin tinggi torsi yang dihasilkan tinggi pada overlap sudu (s) rata rata (70 76) % dari diameter sudu, pada daya yang optimal [2]. Prototype rotor Prototype rotor savonius type U yang akan di uji, dirancang mengikuti hasil penelitian dan eksperimen yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya, sehingga parameter desain dapat menghasilkan energi maksimum. 3. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan adalah eksperimen, dimana prototipe rotor Savonius type U dua sudu dan tiga sudu, dirancang, dibuat dan diuji dilaboratorium, dengan alur penelitian sebagai berikut : 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Rotor yang di uji adalah sebagai berikut : Gambar 4 Gambar Rotor dua sudu dan tiga sudu Gambar 3 Diagram Alur Penelitian Dimensi utama rotor adalah : Jumlah sudu : 2 Jumlah sudu : 3 Diameter rotor 40 cm Diameter rotor 40 cm Tinggi rotor 60 cm. Tinggi rotor 60 cm. Offset e : 10 cm. Offset e : 10 cm. Sudut 120 0 Material dan Berat Rotor Rotor dibuat dengan plat aluminium 0,75 mm untuk sudu dan 1,8 mm untuk plat. Berat rotor dua 105
Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Desember 2011 ISSN 1829-8958 sudu adalah 2,23 kg dan berat 2,92 kg. Pengujian rotor : rotor tiga sudu adalah Rotor diuji di labor dengan membuat pengarah angin, kecepatan angin didapat dari kipas (vane). Mekanisme pengujian adalah sebagaimana terlihat pada Gambar (5). Tabel 3 Data Pengujian Torsi dan Daya Rotor Pengambilan Data : Gambar 5 Mekanisme pengujian 1. Pengujian rotor dilakukan pada kecepatan angin 0,5-5 m/det (sesuai dengan kecepatan angin rata-rata yang kita miliki). 2. Pengukuran kecepatan angin rata rata v (m/det), dilakukan pada lima titik didepan rotor dengan menggunakan Flowmeter. 3. Pengukuran kecepatan putar rotor n (rpm), dilakukan dengan menggunakan tachometer. 4. Pengukuran Torsi T (Nmm) dilakukan dengan menggunakan sistem rem proni dan dinamometer untuk mengukur gaya. 5. Kecepatan angin, kecepatan rotor dan torsi yang dihasilkan diukur secara bersamaan. 6. Untuk mengetahui daya rotor dihitung dengan rumus P = (watt) Data Hasil Pengujian Dan Pengolahan Tabel 2 Data Pengujian Kecepatan Rotor Hubungan Kecepatan Angin dengan kecepatan Rotor Dari hasil percobaan diketahui bahwa Rotor Savonius dua sudu mulai berputar (Cut-in) pada kecepatan angin 0,5 m/det sedangkan Rotor dengan tiga sudu mulai berputar pada kecepatan angin 0,7 m/det. Dari hasil pengolahan dan grafik hubungan kecepatan angin vs kecepatan rotor ( Gambar (6) ) terlihat bahwa kecepatan putar rotor berbanding lurus dengan kecepatan angin. Secara keseluruhan dapat dilihat bahwa rotor Savonius dua sudu menghasilkan putaran yang sedikit lebih tinggi dari pada rotor tiga sudu, dimana kecepatan tertinggi rotor dua sudu adalah 127 rpm pada kecepatan angin 4,8 m/det dan 120 rpm pada kecepatan angin 4,8 m/det untuk rotor tiga sudu. Hubungan Kecepatan Angin dengan Torsi Rotor Walaupun memiliki kecepatan putar yang lebih tinggi, ternyata rotor dua sudu tidak langsung mampu menghasilkan torsi (tenaga). Rotor dua sudu baru menghasilkan torsi pada kecepatan angin 2,06 m/met, sedangkan rotor tiga sudu sudah menghasilkan torsi pada kecepatan angin yang lebih rendah, yaitu pada kecepatan 1,8 m/det. Pada kecepatan angin dibawah 3 m/det rotor dua sudu menghasilkan torsi yang lebih kecil. Hasil pengujian menunjukkan bahwa rotor dua sudu menghasilkan torsi yang sedikit lebih besar dibanding rotor tiga sudu pada kecepatan angin diatas 3 m/det, tetapi terjadi pada kecepatan rotor (rpm) yang lebih rendah. Perbedaan torsi yang dihasilkan ini (torsi rotor dua sudu lebih besar dari torsi rotor tiga sudu) terjadi dengan bentuk hubungan yang linier, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar (7). 106
Kajian Eksperimental Pengaruh Jumlah Sudu terhadap Torsi dan Putaran Turbin Savonius Type U (Zulfikar) Grafik hubungan kecepatan angin dengan torsi rotor. Hubungan Kecepatan Angin dengan Daya Rotor Dari pengolahan data hasil pangujian diketahui bahwa rotor dua sudu mulai menghasilkan daya pada kecepatan angin 2,06 m/det, sebesar 0,14 watt. Sedangkan rotor tiga sudu mulai menghasilkan daya pada kecepatan angin yang lebih rendah, yaitu pada kecepatan angin 1,8 m/det, sebesar 0,12 watt. Dari grafik hubungan kecepatan angin dengan torsi rotor ( Gambar (8) ) terlihat bahwa daya rotor baik dua sudu maupun tiga sudu akan meningkat seiring dengan bertambahnya kecepatan angin, namun peningkatan daya pada rotor dua sudu menunjukkan gradien yang lebih kecil dibanding rotor tiga sudu. Artinya pada kecepatan angin yang semakin tinggi maka kecenderungan peningkatan daya pada rotor tiga sudu lebih besar dibanding peningkatan daya pada rotor dua sudu. Gambar 6 Grafik hubungan kecepatan angin terhadap putaran rotor Gambar 7 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Torsi Rotor Gambar 8 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Daya Rotor 107
Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Desember 2011 ISSN 1829-8958 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil Percobaan dan analisis yang telah dilakukan dapat disimpulkan hal hal sebagai berikut : 1. Pada kondisi tanpa beban rotor savonius dua sudu mulai berputar pada kecepatan angin yang lebih rendah dan memiliki kecepatan putar yang lebih tinggi dibanding rotor tiga sudu pada kecepatan angin yang sama. 2. Rotor Savonius tiga sudu ternyata mulai menghasilkan daya pada kecepatan angin yang lebih rendah dibanding rotor dua sudu dan menghasilkan daya yang lebih besar pada kecepatan angin yang sama. 3. Besarnya daya yang mampu dibangkitkan rotor Savonius dengan diameter 40 cm, tinggi 60 cm, diameter sudu 25 cm, dan offset 10 cm dan diuji pada kecepatan angin rata rata Indonesia, ternyata sangat kecil dan tidak dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. 5.2 Saran Untuk memanfaatkan energi angin sebagai pembangkit listrik tenaga angin dengan rotor Savonius type U, disarankan agar dilakukan dengan menggunakan rotor dengan dimensi yang lebih besar dan jumlah sudu yang lebih banyak, sesuai diameter sudu. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kami sampaikan kepada Pimpinan Politeknik Negeri Padang atas dukungan dana penelitian ini, kepada Ka. Labor Fisika Politeknik Negeri Padang atas dukungan sarana / peralatan pengujian dan saudara Radius Perdana atas peran aktifnya dalam penelitian ini. PUSTAKA 1. Barrabasky, Savonius vs Tripala vs Sandia, http://www.youtube.com/watch?v=ymk_nyljnre & feature=related, maret 2010. 2. Karwono, Pengaruh perubahan overlap sudu terhadap torsi yang dihasilkan turbin savonius type U, Majalah Ilmiah STTR Cepu, nomor 8, 6 11, 2008 3. R.N. Hidayatullah dkk, Desain Alat Konversi Anergi Angin Type Savonius Sebagai Pembangkit Listrik Pada Pulau Bawean, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya, 1 10, 2010 4. T.A. Fauzi Soelaiman dkk, Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan Tol, Pusat Rekayasa Industri Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung, 2007. 5. Tedjo Narsoyo Reksoatmodjo, Vertical-Axis Differential Drag Windmill, Jurnal Teknik Mesin Vol. 6, No. 2, 65 70, 2004. CURRICULUM VITAE Zulfikar, ST., MT., Lahir di Tarung-tarung, 2 Oktober 1959. Lulus S1 Teknik Mesin STTP Padang tahun 1996 dan S2 Teknik Mesin Universitas Gajah Mada, tahun 2007, Bekerja sebagai Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang (Tahun 1987 sekarang). Email: zulfikarmansyur@yahoo.com. Nusyirwan, ST., MT., Lahir di Padang, 15 November 1966. Lulus S1 Teknik Mesin STTP Padang tahun 1996 dan S2 Teknik Mesin ISTN Jakarta Bidang Teknik Pemeliharaan, tahun 2009, Bekerja sebagai Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang (Tahun 1989 sekarang) Rakiman, ST., MT., Lahir di Padang, 15 November 1966. Lulus S1 Teknik Mesin STTP Padang tahun 2000 dan S2 Teknik Mesin ITS Surabaya Tahun 2007, Bekerja sebagai Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang (Tahun 1989 sekarang) 108