PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBUU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA SITI RAHAYU LATIFAH DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak Dalam Terowongan Sederhana adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor Bogor, Agustus 2015 Siti Rahayu Latifah NIM G74110032
ABSTRAK SITI RAHAYU LATIFAH Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan ERUS RUSTAMI Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sudut kemiringan optimum (tilting angle θ) dari turbin angin sumbu tegak Desain turbin angin ini termodifikasi dari model aerofoil NACA 6412 Performa turbin angin diuji dari 7 buah bilah dengan lima buah variasi sudut kemiringan yaitu 27, 30, 45, 60, dan 90 Kecepatan angin yang digunakan pada eksperimen ini dalam rentang 0-6 m/s Performa pada turbin angin tersebut dievaluasi pada beberapa parameter yaitu daya angin, daya turbin, efisiensi turbin, torsi, dan Tip Speed Ratio (TSR) Hasil yang kami dapat bahwa turbin angin dengan sudut kemiringan bilah θ = 27º memiliki daya turbin yang paling efisien sebesar 50% Kata kunci: turbin angin sumbu tegak, sudut kemiringan bilah, daya keluaran, efisiensi turbin ABSTRACT SITI RAHAYU LATIFAH The Influence of Blade Angel Variations to Perform of Vertical Axis Wind Turbine of Simple Wind Tunnel Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and ERUS RUSTAMI The purpose of this research is to find the optimum tilting angle of vertical axis wind turbine The design of the wind turbine modified from NACA 6412 aerofoil model The performance of the wind turbine were tested from seven fix blades with five tilting angle variation ie 27º, 30º, 45º, 60º, and 90º The wind velocity that used in this experiment is within 0-6 m/s range The performance of the wind turbine were evaluated from some parameter ie the power of wind, the power of turbine, efficiency of turbine, torque, and Tip Speed Ratio (TSR) Our result suggest that the wind turbine with the tilting angle θ = 27º has the most power with the turbine efficiency of 50% Keywords: vertical axis wind turbine, tilting angle θ, the power of wind turbine, efficiency of turbine
PENGARUH VARIASI SUDUT KEMIRINGAN BILAH TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN SUMBU TEGAK DALAM TEROWONGAN ANGIN SEDERHANA SITI RAHAYU LATIFAH G74110032 Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT dan shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW karena berkat rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Bilah terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Tegak dalam Terowongan Angin Sederhana Hasil penelitian ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1 Kedua orang tua penulis yaitu Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah yang selalu menberikan dukungan dan mendoakan penulis dalam menyelesaikan penelitian ini 2 Bapak Tony, Bapak Mamat, dan Bapak Erus selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis 3 Bapak Heriyanto Syafutra selaku dosen penguji yang selalu memberikan kritik dan saran yang membangun 4 Bapak Irmansyah selaku pembimbing akademik yang telah membimbing penulis dalam menyelesaikan studi di Departemen Fisika 5 Lenni Pabrina, Pramudya Wardhani, dan Andrian yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian 6 Adinda Mutiara, Riani Eka Fitri, Ana Fitriana, Fanny Novika, dan Syiffa Syafiah sebagai rekan yang selalu mendukung penulis 7 Seluruh civitas akademik Departemen Fisika IPB 8 Seluruh teman-teman Fisika angkatan 48 yang selalu memberikan semangat dan dukungan 9 Beasiswa Bidik Misi yang telah memberikan dukungan moril Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat menjadi acuan untuk membuat turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang sesungguhnya Kritik dan saran yang membangun sangan penulis harapkan untuk kemajuan penelitian ini Bogor, Agustus 2015 Siti Rahayu Latifah
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 2 Manfaat Penelitian 2 Ruang Lingkup Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Angin 2 Turbin Angin 2 Energi Angin 3 Teori Momentum Elementer Betz 3 Tip Speed Ratio (TSR) 4 Torsi 4 EfisiensiTurbin 4 NACA Airfoil 6412 5 Terowongan Angin 5 METODE 6 Bahan 6 Alat 6 Prosedur Penelitian 6 Analisis Data 6 HASIL DAN PEMBAHASAN 8 SIMPULAN DAN SARAN 13 Simpulan 13 Saran 13 DAFTAR PUSTAKA 14 LAMPIRAN 15 RIWAYAT HIDUP 25
DAFTAR GAMBAR 1 Profil Geometri NACA Airfoil 6412 Termodifikasi 5 2 Terowongan Angin Sirkuit Terbuka 5 3 Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin 8 4 Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin 9 5 Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin 9 6 Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin 10 7 Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin 11 8 Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio (TSR) 11 9 Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin 12 10 Grafik Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin 12 DAFTAR LAMPIRAN 1 Diagram alir penelitian 15 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º 16 3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º 17 4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º 18 5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º 19 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90º 20 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º 21 8 Dokumentasi penelitian 24
PENDAHULUAN Latar Belakang Dewasa ini Indonesia banyak mengalami krisis energi Indonesia cenderung memanfaatkan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak bumi, dan gas alam sebagai sumber energi Namun cadangan bahan bakar fosil semakin terbatas Oleh karena itu diperlukan suatu upaya untuk mengatasi permasalahan tersebut Salah satunya dengan mencari energi alternatif terbarukan yang sumbernya melimpah di alam seperti angin, air, surya dan geotermal Sekitar 1% energi matahari yang mencapai bumi diubah menjadi energi angin Energi angin dapat dikumpulkan dan diubah menjadi bentuk energi lain oleh turbin anginseperti pada sistem fotovoltaik, biaya modal sistem jenis ini lebih tinggi daripada pembangkit daya pembakaran batubara pada kapasitas yang sama, walupun sejumlah pemasangan turbin angin dapat menghasilkan energi pada biaya sekitar 7 sen per kilowatt-jam 1 Angin merupakan salah satu sumber energi yang ramah lingkungan Penggunannya tidak menimbulkan emisi gas karbon dioksida Energi angin merupakan sumber daya alam yang dapat diperoleh secara cuma-cuma yang jumlahnya melimpah dan tersedia terus-menerus sepanjang tahun Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki sekitar 17500 pulau dengan panjang garis pantai lebih dari 81290 km Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu sekitar 93 GW dan total kapasitas yang baru terpasang saat ini sekitar 05 MW 2 Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup memadai karena kecepatan angin rata-rata berkisar 35-7 m/s Berdasarkan hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) kecepatan angin ratarata di pulau Jawa berkisar 25-40 m/s Berdasarkan hasil pemetaan tersebut turbin angin yang paling cocok diterapkan yaitu turbin angin sumbu tegak tipe Savonius karena turbin angin tipe Savonius ini diaplikasikan untuk daerah dengan kecepatan angin rendah 3 Pada bidang pertanian pemanfaatan energi angin biasanya dengan menggunakan alat konversi kincir angin Energi kinetik angin ditangkap oleh sudu-sudu dengan luasan tertentu sehingga terjadi putaran (RPM) pada sudu Putaran sudu (RPM) akan menghasilkan energi mekanik yang mampu memutar poros pompa sentrifugal yang akan digunakan untuk menaikkan air irigasi 4 Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis akan memanfaatkan energi angin sebagai salah satu solusi untuk menangani masalah krisis energi tersebut dengan melakukan pengembangan turbin angin sumbu tegak yang desainnya telah dimodifikasi menggunakan sayap pesawat NACA Airfoil 6412 Modifikasi dilakukan dengan memvariasi sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dengan lima variasi sudut, yaitu 27º, 30º, 45º, 60º, dan 90º dengan panjang busur profil lengkung tetap Jumlah blade yang digunakan sebanyak tujuh buah
2 Perumusan Masalah Daya keluaran turbin angin sumbu tegak masih rendah Oleh karena itu diperlukan suatu cara untuk meningkatkan daya keluaran tersebut dengan memvariasikan nilai parameter-parameter yang ada Tujuan Penelitian Menentukan sudut kemiringan bilah (tilting angle θ) dari turbin angin sumbu tegak yang menghasilkan daya keluaran paling optimum Manfaat Penelitian Penelitian ini dapat dijadikan sebagai acuan untuk pembuatan turbin angin sumbu tegak dengan ukuran yang lebih besar yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini mengkaji tentang bagaimana kinerja turbin angin sumbu tegak supaya menghasilkan daya keluaran paling optimum dengan memvariasikan sudut kemiringan bilah TINJAUAN PUSTAKA Angin Angin merupakan gerakan udara yang mengalir dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah Pada iklim panas-lembab, pergerakan anginberguna untuk menyejukkan kulit Penyebaran tekanan angin dipengaruhi beberapa faktor diantaranya bentuk bangunan, kecepatan angin, arah angin, lokasi dan lingkungantekanan permukaan positif terdapat dibagian angin datang dan tekanan permukaan negatif terdapat di bagian belakang angin 2 Turbin Angin Turbin angin merupakan sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik (rotasi) Berdasarkan arah sumbu rotasinya turbin angin digolongkan ke dalam dua kategori yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Turbin angin poros vertikal mempunyai sumbu vertikal dengan sudu paralel pada sumbunya Sudu turbin angin poros vertikal akan mengalami headwind dan tailwind 5 Headwind terjadi ketika arah sudu berlawanan dengan arah angin yang masuk, sedangkan tailwind terjadi ketika arah sudu searah dengan arah angin yang
masuk Rotasi pada poros turbin digerakkan oleh tailwind, sedangkan headwind cenderung memperlambat rotasi sehingga menyebabkan koefisien turbin rendah Ada beberapa kelebihan yang dimiliki turbin angin poros vertikal di antaranya aman, mudah dalam pembuatannya, dapat dipasang tidak jauh dari tanah, dan mempunyai kemampuan yang lebih baik dalam menangani turbulensi angin 5 Energi Angin Energi yang digunakan angin untuk memberikan gaya dorong terhadap turbin yaitu energi kinetik E k = mv 2 (1) keterangan : E k = energi kinetik turbin (joule) m = massa turbin (kg) v = kecepatan angin (m/s) Energi kinetik angin yang berhembus per satuan waktu (daya angin) adalah: P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 (2) keterangan : P w = daya angin (watt) ρ = densitas udara (ρ = 1225 kg/m 3 ) A = luas penampang turbin (m 2 ) v = kecepatan angin (m/s) P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) (3) keterangan : P T = daya turbin (watt) ρ = densitas udara (ρ = 1225 kg/m 3 ) A = luas penampang turbin (m 2 ) v 1 = kecepatan angin (m/s) = kecepatan turbin (m/s) v 2 Teori Momentum Elementer Betz Perbandingan daya mekanik turbin terhadap daya keluaran teoritik disebut faktor daya (Cp) 3 Cp = = ( ) ( ) (4) Cp maksimum diperoleh apabila = yang menghasilkan nilai sebesar 0593 Kesimpulannya meskipun dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang digunakan, daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi
4 menjadi daya mekanik Angka ini kemudian disebut faktor Betz Faktor Betz menunjukkan nilai maksimum kemampuan dari semua alat konversi energi angin 2 Tip Speed Ratio (TSR) Tip Speed Ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin 2 λ = (5) keterangan : λ = tip speed ratio (rad) ω = kecepatan sudut turbin (rad/s) R = jari-jari turbin (m) = kecepatan angin (m/s) v w Torsi Torsi didefinisikan sebagai ukuran keefektifan gaya dalam menghasilkan putaran atau rotasi untuk mengelilingi sumbu 6 keterangan : v w = kecepatan angin (m/s) R = jari-jari turbin (m) TSR = Tip Speed Ratio (rad) T = torsi (m 4 /rad 2 s) = (6) Efisiensi Turbin Untuk menyatakan performa suatu mesin biasanya dinyatakan dalam efisiensi yang merupakan perbandingan antara efek manfaat yang digunakan dengan pengorbanan yang dilakukan 6 η = x 100 % (7) Keterangan : η = efisiensi turbin (%) P turbin = daya turbin (Watt) = daya angin (Watt) P angin
5 NACA Airfoil 6412 Gambar 1 Profil Geometri NACA 6412 Termodifikasi NACA airfoil 6412 merupakan salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap bodi lainnya dan dengan bantuan penyelasaian matematis sehingga memungkinkan untuk memprediksi seberapa besar gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik meliputi ketebalan maksimum, maksimum n = bentuk melengkung, posisi maksimum ketebalan, posisi maksimum bentuk melengkung, dan jari-jari kelengkungan 7 Terowongan Angin Terowongan angin adalah suatu alat yang digunakan untuk mempelajari efek aliran udara yang melewati benda solid Ada dua tipe dasar dari terowongan angin yaitu terowongan angin sirkuit terbuka dan terowongan angin sirkuit tertutup Pada penelitian ini saya menggunakan terowongan angin sirkuit terbuka 8 Gambar 2 Terowongan Angin Sirkuit Terbuka
6 METODE Metode yang dilakukan pada penelitian ini meliputi studi literatur, simulasi, pembuatan model, dan uji kinerja model Kegiatan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi perancangan model turbin angin sumbu tegak tujuh sudu dengan profil airfoil NACA 6412 termodifikasi, pembuatan turbin, set up alat, dan pengambilan data Pengambilan data dilakukan dengan mengukur banyaknya putaran turbin (rotasi per menit, rpm ) untuk setiap variasi sudut turbin pada berbagai variasi kecepatan angin (pada rentang 1-6 ms -1 ) Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain plastik ABS, lem power glue, dan akrilik Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini yaitu terowongan angin, kipas angin, anemometer, solder, lem tembak, busur derajat, spidol, sensor DHT, sensor rpm, arduino UNO, laptop, dan dimmer (pengatur kecepatan) Prosedur Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu perancangan turbin dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Aerofoil versi 32 dan desain struktur menggunakan Google Sketchup Pro 8 Setelah itu dilakukan pembuatan model turbin dengan menggunakan Printer 3 Dimensi Kemudian dilakukan set up alat untuk pengujian dan pengambilan data Data yang diambil digunakan untuk menghitung daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin oleh turbin Analisis Data Analisis daya mekanik turbin dan efisiensi konversi energi angin dilakukan dengan melakukan pengambilan data berupa kecepatan angin dan kecepatan turbin yang diperoleh dari anemometer sedangkan rpm diperoleh dari arduino UNO Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali untuk masingmasing sudut Data yang telah diperoleh kemudian diolah untuk mendapatkan nilai daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi konversi, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi Daya turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) (3) Keterangan : P T = daya turbin (watt) ρ = densitas udara (ρ = 1225 kg/m 3 ) A = luas penampang turbin (m 2 ) v 1 = kecepatan angin (m/s) = kecepatan turbin (m/s) v 2
7 Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan : P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 (2) keterangan : P w = daya angin (watt) ρ = densitas udara (ρ = 1225 kg/m 3 ) A = luas penampang turbin (m 2 ) v = kecepatan angin (m/s) Betz ratio dihitung dengan menggunakan persamaan : Cp = = ( ) ( ) (4) Efisiensi konversi dihitung dengan menggunakan persamaan : η = x 100 % (7) Keterangan : η = efisiensi turbin (%) P turbin = daya turbin (watt) = daya angin (watt) P angin Tip Speed Ratio (TSR) dihitung dengan menggunakan persamaan : λ = (5) keterangan : λ = tip speed ratio (rad) ω= kecepatan sudut turbin (rad/s) R = jari-jari turbin (m) v w =kecepatan angin (m/s) Torsi dihitung dengan persamaan : keterangan : T = torsi (m 4 /rad 2 s) v w = kecepatan angin (m/s) R = jari-jari turbin (m) TSR = Tip Speed Ratio (rad) Diagram alir penelitian dapat dilihat pada lampiran 1 = (6)
8 HASIL DAN PEMBAHASAN rpm sudu turbin 120 100 80 60 40 20 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 1 2 3 4 5 6 kecepatan angin (m/s) Gambar 3 Grafik rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin Gambar 3 menjelaskan hubungan antara rpm sudu turbin terhadap kecepatan angin menunjukan bahwa nilai rpm sudu turbin akan naik dengan bertambahnya kecepatan angin Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah Berdasarkan Gambar 3 dapat terlihat bahwa sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai rpm sudu turbin terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan bilah lainnya sedangkan sudut kemiringan bilah 90º mempunyai nilai rpm sudu turbin terkecil diantara sudut kemiringan bilah lainnya Hal ini dapat terjadi karena pada sudut kemiringan bilah 45º gaya dorong angin dan gaya hambat turbin seimbang sedangkan pada sudut kemiringan bilah 90º gaya hambat turbin lebih besar daripada gaya dorong angin sehingga menghasilkan nilai rpm sudu turbin yang kecil Hubungan antara efisiensi turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada Gambar 4 Pada Gambar 4 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya kecepatan angin maka efisiensi turbinnya semakin menurun Berdasarkan Gambar 4 dapat terlihat bahwa rata-rata sudut kemiringan bilah mempunyai efisiensi turbin maksimum pada kecepatan angin 2 m/s sedangkan setelah melewati kecepatan angin 2 m/s efisiensi turbinnya menurun Performa turbin angin sumbu tegak dengan menggunakan modifikasi NACA 6412 ini mempunyai daya keluaran yang rendah pada kecepatan angin tinggi Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi turbin terbesar yaitu mencapai 50%
9 efisiensi turbin (%) 70 60 50 40 30 20 10 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 1 2 3 4 5 6 kecepatan angin (m/s) Gambar 4 Grafik efisiensi turbin terhadap kecepatan angin 70 60 efisiensi turbin (%) 50 40 30 20 10 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 20 40 60 80 100 120 rpm sudu turbin Gambar 5 Grafik efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin Hubungan antara efisiensi turbin terhadap rpm sudu turbin dijelaskan pada Gambar 5 Berdasarkan Gambar 5 dapat terlihat bahwa semakin bertambahnya nilai rpm sudu turbin maka efisiensi turbinnya semakin menurun Rata-rata efisiensi turbin paling maksimum yang dicapai masing-masing sudut kemiringan bilah yaitu pada 30 rpm sedangkan setelah melewati 30 rpm efisiensi turbinnya menurun Sudut kemiringan bilah 27º mempunyai rata-rata efisiensi terbesar dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya
10 2,5 daya turbin (watt) 2 1,5 1 0,5 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 1 2 3 4 5 6 kecepatan angin (m/s) Gambar 6 Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin Hubungan antara daya turbin terhadap kecepatan angin dapat terlihat pada Gambar 6 Berdasarkan gambar tersebut dapat terlihat dengan semakin bertambahnya kecepatan angin maka daya turbin akan semakin meningkat Daya turbin terbesar pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º Dari grafik dapat terlihat selisih daya turbin antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat kecil sehingga garis antara sudut kemiringan bilah 27º dan 30º hampir berhimpit Artinya kemampuan daya serap angin turbin angin sumbu tegak menggunakan modifikasi NACA 6412 pada sudut kemiringan bilah 27º dan 30º sangat optimum Sedangkan untuk sudut kemiringan bilah 90º tidak terjadi kenaikan daya keluaran yang signifikan meskipun kecepatan anginnya maksimum Gambar 7 memperlihatkan hubungan antara daya turbin terhadap rpm sudu turbin Semakin bertambah nilai rpm sudu turbin maka daya turbin semakin meningkat Daya turbin paling optimum diperoleh pada sudut kemiringan bilah 30º dengan rpm sudu turbin hampir mencapai nilai 100
11 2,5 daya turbin (watt) 2 1,5 1 0,5 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 20 40 60 80 100 120 rpm sudu turbin Gambar 7 Grafik daya turbin terhadap rpm sudu turbin betz ratio 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Tip Speed Ratio (rad) Gambar 8 Grafik betz ratio terhadap Tip Speed Ratio
12 0,25 Tip Speed Ratio (rad) 0,2 0,15 0,1 0,05 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 1 2 3 4 5 6 kecepatan angin (m/s) Gambar 9 Grafik Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin 0,25 Tip Speed Ratio (rad) 0,2 0,15 0,1 0,05 sudut 27 sudut 30 sudut 45 sudut 60 sudut 90 0 0 20 40 60 80 100 120 rpm sudu turbin Gambar 10 Grafik Tip Speed Ratio terhadap rpm sudu turbin Gambar 8 memperlihatkan hubungan antara Cp (betz ratio) terhadap Tip Speed Ratio (TSR) untuk masing-masing sudut kemiringan bilah Cp menyatakan efisiensi turbin sedangkan Tip Speed Ratio (TSR) menunjukan perbandingan kecepatan putar sudu terhadap kecepatan angin Dari gambar 4 dapat terlihat nilai Tip Speed Ratio (TSR) untuk semua sudut kemiringan bilah kurang dari 1 artinya turbin angin sumbu tegak ini merupakan turbin angin dengan tipe dorong karena lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong 9 Rata-rata sudut kemiringan bilah mencapai efisiensi turbin maksimum pada saat Tip Speed Ratio (TSR) minimum karena pada saat nilai Tip Speed Ratio (TSR) minimum gaya dorong turbinnya maksimum Sebaliknya pada saat nilai Tip Speed Ratio (TSR) maksimum maka efisiensi turbin menjadi turun karena
pada saat Tip Speed Ratio (TSR) maksimum gaya hambat turbin lebih besar daripada gaya dorong sehingga putaran turbin cenderung melambat Gambar 9 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap kecepatan angin Semakin meningkatnya kecepatan angin maka nilai Tip Speed Ratio (TSR) semakin naik Hal ini berlaku untuk semua sudut kemiringan bilah Sudut kemiringan bilah 45º mempunyai nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar dibandingkan sudut kemiringan bilah lainnya karena pada sudut kemiringan bilah 45º sudu turbin mengalami gaya dorong terbesar sehingga nilai Tip Speed Ratio maksimum Gambar 10 menjelaskan hubungan antara Tip Speed Ratio (TSR) terhadap rpm sudu turbin Semakin meningkatnya nilai rpm sudu turbin maka nilai Tip Speed Ratio (TSR) semakin meningkat Nilai Tip Speed Ratio (TSR) terbesar yaitu pada sudut kemiringan bilah 45º dengan putaran sudu turbin hampir mencampai 100 rpm 13 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sudut kemiringan bilah dari turbin angin sumbu tegak dengan modifikasi NACA 6412 yang menghasilkan daya keluaran turbin paling optimum yaitu pada sudut kemiringan bilah 27 dengan rata-rata daya serap angin mencapai 50% Saran Penelitian selanjutnya disarankan supaya data kecepatan menggunakan sensor kecepatan daripada menggunakan anemometer supaya penelitian lebih efisien dan data lebih presisi, pengatur kecepatan angin harus konstan dan tertera angka-angka untuk mengatur kecepatan anginnya sehingga memudahkan dalam mengatur kecepatan, ruang uji turbin dalam terowongan angin harus diperbesar agar mempermudah ketika turbin akan dikeluarkan dari dalam terowongan angin, menggunakan honeycom yang bisa dibongkar pasang sehingga memudahkan untuk mengatur dan melepas apabila ada ukuran yang tidak seragam, dan perlu dilakukan pengujian pada sudut kemiringan bilah 27º untuk mengetahui kemungkinan adanya efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan efisiensi pada sudut kemiringan bilah 27º
14 DAFTAR PUSTAKA 1 Young, D Hugh et al Sears and Zemansky s University Physics Jakarta : Erlangga 2002 2 Dewi, Marizka Lustia Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Optimasi Kinerja Turbin [Skripsi] Departemen Fisika, FMIPA UNS 2010 3 Kevin, Phobi Analisis Potensi Kincir Angin Savonius Sebagai Penggerak Pompa Submersible [Skripsi] Teknologi Pertanian, Fak Teknologi Pertanian Universitas Andalas Padang 2011 4 Pradana, Achmada Jaya, Nugroho, Gunawan, Musyafa, Ali Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi Profil Kurva Blade untuk Memperoleh Daya Maksimum Jurnal Teknik Pomits, Vol 7, No7,1-6 2013 5 Marnoto, Tjukup Peningkatan Efisiensi Kincir Angin Poros Vertikal Melalui Sistem Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu Jurusan Teknik Kimia, Fak Teknologi Industri, Universitas Pembangunan Veteran Yogyakarta Jurnal Teknik Mesin, Vol 11, No2 2010 6 Kusbiantoro, Andri, Soenoko, Rudy, Sutikno, Djoko Pengaruh Panjang Lengkung Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Vertikal Savonius Jurusan Teknik Mesin, Fak Teknik Universitas Brawijaya Malang 2013 7 Yulia, Fayza Analisa Performa Pesawat Pada Jenis Airfoil NACA 0012, NACA 2212, NACA 6412 Dengan Ketentuan Yang Sama dan Sudut Serang 10º dan 30º Teknik Mesin, Universitas Indonesia 2013 8 [NASA] National Aeronautics and Space Administration Open Return Wind Tunnel GRC [Internet] [di unduh 2014 Nov 12] Tersediapada:http//wwwgrcnasagov/WWW/k-12/airplane/tunorethtml 2010 9 Asy ari, Hasyim, Budiman, Aris, Agung Nugraha, Nurmuntaha Pemanfaatan Generator Induksi Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Angin Skala Rumah Tangga di Mbulak Baru Kabupaten Jepara [Laporan Penelitian Hibah Bersaing] Universitas Muhammadiyah Surakarta 2010
15 Lampiran 1 Diagram alir penelitian Mulai Studi Pustaka Perancangan Model Turbin Pembuatan Model Turbin Set up Alat Pembuatan Wind Tunnel Pengambilan Data Analisis Data Optimum Tidak Ya Kesimpulan dan Saran Selesai
16 Lampiran 2 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 27º Diketahui : ρ = 1225 kg/m 3 A = 00483 m 2 Jari-jari turbin = 0118 m v 1 = 54333 m/s v 2 = 36444 m/s rpm sudu turbin = 89641 Perhitungan daya turbin P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) = x 1225 x 004838 x (543333+3644444)(543333 2-3644444 2 ) = 218416 watt Perhitungan daya angin P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 = x 1225 x 004838 x 543333 3 = 475303 watt Perhitungan betz ratio Cp = = = = 04595 ( ) ( ) ( ) ( ) Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % = x 100% = 459529 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ = = = 02037 rad Perhitungan torsi = = = 11682 (m 4 /rad 2 s)
17 Lampiran 3 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 30º Diketahui : ρ = 1225 kg/m 3 A = 00483 m 2 Jari-jari turbin = 0118 m v 1 = 54333 m/s v 2 = 35083 m/s rpm sudu turbin = 930859 Perhitungan daya turbin P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) = x 1225 x 00483(54333+35083) (54333 2 35083 2 ) = 22803 watt Perhitungan daya angin P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 = x 1225 x 00483 x 54333 3 = 47530 watt Perhitungan betz ratio Cp= = = = 04797 ( ) ( ) ( ) ( ) Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % = x 100% = 479776 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ = = = 02116 rad Perhitungan torsi = = = 10833 (m 4 /rad 2 s)
18 Lampiran 4 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 45º Diketahui : ρ = 1225 kg/m 3 A = 00483 m 2 Jari-jari turbin = 0118 m v 1 = 54833 m/s v 2 = 4025 m/s rpm sudu turbin = 979829 Perhitungan daya turbin P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) = x 1225 x 00483(54833+4025) (54833 2 4025 2 ) = 19534 watt Perhitungan daya angin P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 = x 1225 x 00483 x 54833 3 = 48854 watt Perhitungan betz ratio Cp = = = = 03998 ( ) ( ) ( ) ( ) Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % = x 100% = 399854 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ = = = 02207 rad Perhitungan torsi = = = 10142 (m 4 /rad 2 s)
19 Lampiran 5 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 60º Diketahui : ρ = 1225 kg/m 3 A = 00483 m 2 Jari-jari turbin = 0118 m v 1 = 54166 m/s v 2 = 43916 m/s rpm sudu turbin = 955556 Perhitungan daya turbin P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) = x 1225 x 00483(54166+43916) (54166 2 43916 2 ) = 14610 watt Perhitungan daya angin P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 = x 1225 x 00483 x 54166 3 = 47094 watt Perhitungan betz ratio Cp = = = = 03102 ( ) ( ) ( 3916) ( ) Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % = x 100% = 310233 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ = = = 02178 rad Perhitungan torsi = = = 10155 (m 4 /rad 2 s)
20 Lampiran 6 Contoh perhitungan daya turbin, daya angin, betz ratio, efisiensi turbin, Tip Speed Ratio (TSR), dan torsi pada sudut kemiringan bilah 90 Diketahui : ρ = 1225 kg/m 3 A = 00483 m 2 Jari-jari turbin = 0118 m v 1 = 53666 m/s v 2 = 52333 m/s rpm sudu turbin = 736453 Perhitungan daya turbin P T = ρa(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 ) = x 1225 x 00483(53666+52333) (53666 2 52333 2 ) = 02219 watt Perhitungan daya angin P w = (ρav)(v 2 ) = ρav 3 = x 1225 x 00483 x 53666 3 = 45802 watt Perhitungan betz ratio Cp= = = = 00484 ( ) ( ) ( ) ( ) Perhitungan efisiensi turbin η = x 100 % = x 100% = 48462 % Perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) λ= = = 01694 rad Perhitungan torsi = = = 16573 (m 4 /rad 2 s)
21 Lampiran 7 Efisiensi turbin pada sudut kemiringan bilah 27º, 30º,45º, 60º, dan 90º Sudut kemiringan bilah 27º v 1 ratarata (m/s) v 2 ratarata (m/s) Rpm sudu turbin ratarata Daya turbin (watt) Daya angin (watt) Betz ratio Efisiensi turbin (%) Tip speed ratio (rad) Torsi (m4/rad2 s) 1651 0592 19521 0079 0133 0592 59196 0146 0210 2108 0960 28106 0160 0278 0577 57680 0165 0269 2639 1493 38759 0290 0544 0532 53218 0181 0348 3067 2003 50625 0405 0855 0474 47387 0204 0372 3729 2439 61674 0727 1536 0473 47319 0204 0547 4261 2742 73915 1104 2293 0482 48153 0214 0650 4583 3073 81504 1312 2853 0460 45971 0220 0716 5145 3367 83235 1909 4036 0473 47299 0200 1089 5433 3644 89641 2184 4753 0460 45953 0204 1168 rata-rata 0908 1920 0502 50242 0193 0597 Sudut kemiringan bilah 30º v 1 ratarata (m/s) v 2 ratarata (m/s) Rpm sudu turbin ratarata Daya turbin (watt) Daya angin (watt) Betz ratio Efisensi turbin (%) Tip Speed Ratio (rad) Torsi (m4/rad2 s) 1838 0683 22664 0109 0184 0591 59109 0152 0239 2350 1411 34564 0197 0385 0512 51170 0182 0275 2780 1740 40752 0315 0637 0494 49448 0181 0387 3242 2300 52251 0428 1009 0424 42447 0199 0436 3841 2467 61060 0810 1679 0482 48248 0196 0629 4433 2842 69833 1248 2582 0483 48339 0195 0853 4786 3150 78872 1527 3249 0470 46995 0204 0909 5133 3383 84581 1881 4008 0469 46919 0203 1045 5433 3508 93086 2280 4753 0480 47978 0212 1083 rata-rata 0977 2054 0490 48961 0192 0651
22 Sudut kemiringan bilah 45º v 1 ratarata (m/s) v 2 ratarata (m/s) Rpm sudu ratarata Daya turbin (watt) Daya angin (watt) Betz ratio Efisiensi turbin (%) Tip speed Ratio (rad) Torsi (m4/rad2 s) 1958 1300 29675 0103 0222 0465 46520 0187 0180 2408 1883 38393 0143 0414 0346 34612 0197 0246 2813 2283 47944 0204 0660 0309 30914 0210 0294 3306 2528 53573 0392 1070 0366 36637 0200 0448 3820 2836 64109 0646 1652 0391 39099 0207 0558 4333 3133 74017 0991 2411 0411 41109 0211 0693 4658 3483 81138 1154 2995 0385 38525 0215 0770 5192 3864 93675 1613 4147 0389 38905 0223 0892 5483 4025 97983 1953 4885 0400 39985 0221 1014 rata-rata 0800 2051 0385 38479 0208 0566 Sudut kemiringan bilah 60º v 1 ratarata (m/s) v 2 ratarata (m/s) Rpm sudu turbin ratarata Daya turbin (watt) Daya angin (watt) Betz ratio Efisiensi turbin (%) Tip Speed Ratio (rad) Torsi (m4/rad2 s) 1892 1293 27088 0090 0201 0448 44833 0177 0188 2233 1625 33775 0134 0330 0406 40649 0187 0235 2712 2117 43526 0206 0591 0348 34783 0198 0307 3233 2683 53970 0285 1002 0285 28480 0206 0404 3807 3183 64000 0451 1635 0276 27606 0208 0552 4317 3582 72239 0679 2384 0285 28500 0207 0717 4758 3922 81465 0934 3193 0293 29255 0211 0832 5183 4160 88066 1324 4127 0321 32075 0210 1003 5417 4392 95556 1461 4709 0310 31023 0218 1016 rata-rata 0618 2019 0330 33023 0202 0584
23 Sudut kemiringan bilah 90º v 1 ratarata (m/s) v 2 ratarata (m/s) Rpm sudu turbin ratarata Daya turbin (watt) Daya angin (watt) Betz ratio Efisiensi turbin (%) Tip Speed Ratio (rad) Torsi (m4/rad2 s) 1591 1519 18427 0010 0119 0086 8581 0143 0203 2273 2167 26630 0031 0348 0089 8949 0145 0406 2725 2578 33756 0061 0600 0102 10229 0153 0521 3244 3173 42120 0043 1012 0043 4288 0160 0673 3886 3683 49124 0172 1739 0099 9899 0156 1018 4286 4133 56027 0160 2333 0069 6877 0161 1158 4725 4667 63111 0076 3126 0024 2439 0165 1348 5150 5022 69251 0196 4048 0048 4840 0166 1580 5367 5233 73645 0222 4580 0048 4846 0169 1647 rata-rata 0108 1989 0068 6772 0158 0950
24 Lampiran 8 Dokumentasi Penelitian Arduino UNO Turbin Angin Sumbu Tegak 7 blade Penampang Anomemeter
25 RIWAYAT HIDUP Siti Rahayu Latifah lahir di Tasikmalaya pada 18 Juli 1992 merupakan putri pertama dari Bapak Dadang Nurjaman dan Ibu Didah Penulis lulusan RA Al-Hikmah pada tahun 1999 kemudian melanjutkan pendidikan dasar di SD Negeri Cintawana dan lulus tahun 2005 Tahun 2008 penulis lulus dari SMP Negeri 1 Mangunreja Tahun 2011 penulis melanjutkan pendidikan ke Institut Pertanian Bogor melewati jalur SNMPTN Undangan sebagai mahasiswa Fisika Selama megikuti perkuliahan penulis menjadi asisten praktikum Fisika TPB dan penulis juga aktif sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika