STUDI SIMULASI TENTANG PENGARUH RASIO DIAMETER DAN JUMLAH SUDU TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN CROSS FLOW DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS FLUENT SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : PRADITYASARI PURBANINGRUM NIM. I 0412039 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016
ABSTRAK STUDI SIMULASI TENTANG PENGARUH RASIO DIAMETER DAN JUMLAH SUDU TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN CROSS FLOW DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS-FLUENT Pradityasari Purbaningrum Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia Email: pradityasari83@gmail.com Turbin cross flow dapat menjadi salah satu energi alternatif untuk daerah dengan kecepatan angin rendah. Tumbukan antara angin dengan sudu turbin yang terjadi dua kali mengakibatkan turbin cross flow memiliki koefisien daya yang tinggi. Beberapa faktor yang memengaruhi koefisien daya turbin cross flow antara lain adalah rasio diameter dan jumlah sudu. Pengujian performa turbin dengan metode simulasi dapat mempermudah proses penelitian dan menekan biaya penelitian. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengaruh rasio diameter dan jumlah sudu terhadap performa turbin angin cross flow dengan metode simulasi 2D menggunakan software ANSYS-Fluent.Variasi rasio diameter turbin yang digunakan adalah 0,58, 0,63, 0,68 dan 0,73. Rasio diameter yang menghasilkan nilai koefisien daya tertinggi disimulasikan dengan memvariasikan jumlah sudu. Jumlah sudu yang digunakan adalah 16, 20 dan 24. Setiap variasi diuji pada kecepatan angin 2 m/s dan pada TSR 0,1 0,4 dengan interval 0,1. Turbin dengan rasio diameter 0,68 dan jumlah sudu 20 menghasilkan koefisien daya tertinggi yaitu 0,5 pada TSR 0,3. Kata kunci: cross flow, ANSYS-Fluent, rasio diameter, jumlah sudu iv
ABSTRACT A SIMULATION STUDY OF THE EFFECT OF DIAMETER RATIO AND NUMBER OF BLADES ON THE PERFORMANCE OF CROSS FLOW WIND TURBINE BY USING ANSYS-FLUENT SOFTWARE Pradityasari Purbaningrum Mechanical Engineering Department The Faculty of Engineering, Sebelas Maret University Surakarta Indonesia Email: pradityasari83@gmail.com Cross flow turbine can be one of the energy source alternatives for regions with low wind speed. The collision between the wind and turbine blades for twice causes the cross flow turbine to have a high power coefficient. Several factors which influence the turbine power coefficient are diameter ratio and number of blades. The turbine performance testing with simulation can facilitate the research process and minimize the research cost. The objective of this research is to study the effect of diameter ratio and number of blades on the cross flow wind turbine performance with the 2D simulation method using the ANSYS-Fluent software. The variations of turbine diameter ratio were 0.58, 0.63, 0.68 and 0.73. The diameter ratio resulting in the highest power coefficient value was simulated by varying the number of blades, namely: 16, 20 and 24. Each variation was tested on the wind speed of 2 m/s and at the TSR of 0.1 0.4 with the interval of 0.1. The wind turbine with the diameter ratio of 0.68 and the number of blades of 20 generated the highest power coefficient of 0.5 at the TSR of 0.3. Keywords: Cross flow, ANSYS-Fluent, diameter ratio, number of blades v
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi yang berjudul Studi Simulasi Tentang Pengaruh Rasio Diameter dan Jumlah Sudu terhadap Performa Turbin Angin Cross Flow dengan Menggunakan Software ANSYS Fluent ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di program studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesarbesarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada : 1. Bapak D. Danardono S.T., M.T., PhD selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan ilmu, nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak Budi Kristiawan S.T., M.T., Purwadi Joko Widodo S.T., M.Kom dan Dr. Budi Santoso S.T., M.T selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 4. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto S.T., M.T. selaku pembimbing akademik yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Seluruh Dosen serta Staff di Program Studi Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik, memberikan ilmu dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 6. Mama dan Papa yang telah memberikan do a restu, motivasi dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian skripsi dan perkuliahan. 7. Natasya Melinda Dwi Putri dan Clarisya Ayu Oxtria selaku adik penulis yang menjadi semangat penulis untuk menyelesaiakan perkuliahan dan skripsi. vi
8. Mas Nur Hafid yang tiada hentinya memberikan motivasi, semangat dan pikiran kepada penulis. 9. Teman-teman seperjuangan CAMRO yang telah bersama-sama menjalani suka dan duka kuliah selama 4 tahun ini dan selalu memberi dukungan semangat selama kuliah di teknik mesin UNS. 10. Kholifatul Bariyyah, Aldita Prafitasari, Aghnia Kamilia, Ashari Putri Nufitra Habsari, Ade Susanti, Zahratun Nur dan Indah Kurniyati yang selalu menemani penulis dalam menjalani perkuliahan. 11. Bengawan Team dan KMTM UNS yang telah memberikan wadah kepada penulis untuk mengembangkan soft skill. 12. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Oktober 2016 Penulis vii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii ABSTRAK... iv ABSTRACT...v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR...x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xiv BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Rumusan Masalah...2 1.3 Batasan Masalah....2 1.4 Tujuan Penelitian...2 1.5 Manfaat Penelitian... 3 1.6 Sistematika Penulisan...3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1 Tinjauan Pustaka...4 2.2 Dasar Teori...6 2.2.1 Energi angin...6 2.2.2 Turbin angin...7 2.2.3 Teori momentum Betz...9 2.2.4 Tip speed ratio...12 2.2.5 Torsi...13 2.2.6 Koefisien daya dan koefisien torsi...14 2.2.7 Persamaan momen momentum...15 2.2.8 Computational fluid dynamics...17 2.2.9 Meshing... 17 viii
2.2.10 Persamaan dasar CFD...18 BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN... 20 3.1 Alat Penelitian...20 3.2 Garis Besar Penelitian...20 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 24 4.1 Validasi Penelitian...24 4.2 Pemodelan Turbin Angin Cross flow Dengan Variasi Rasio Diameter... 26 4.3 Pemodelan Turbin Angin Cross flow Dengan Variasi Jumlah Sudu 29 4.4 Analisa Vektor Kecepatan Turbin Angin Cross flow... 32 BAB V PENUTUP...37 5.1 Kesimpulan...37 5.2 Saran...37 DAFTAR PUSTAKA...38 LAMPIRAN... 39 ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Variasi posisi rotor... 5 Gambar 2.2 Turbin angin jenis drag dan lift... 7 Gambar 2.3 Turbin angin sumbu horizontal... 8 Gambar 2.4 Jenis-jenis turbin angin sumbu vertikal... 9 Gambar 2.5 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara... 12 Gambar 2.6 Nilai C p dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin.. 13 Gambar 2.7 Finite control volume and absolute velocity elements for analysis of angular momentum... 15 Gambar 2.8 Geometry and notation used to develop velocity diagrams for typical radial-flow machines... 16 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian... 20 Gambar 3.2 Variasi rasio diameter (a) 0,58 (b) 0,63 (c) 0,68 (d) 0,73.. 22 Gambar 3.3 Variasi jumlah sudu (a) 16 (b) 20 (c) 24... 23 Gambar 4.1 Geometri turbin cross flow... 23 Gambar 4.2 Meshing pemodelan turbin angin cross flow Dragomirescu dan hasil penelitian... 24 Gambar 4.3 Domain pemodelan turbin angin cross flow... 25 Gambar 4.4 Grafik nilai Cm terhadap waktu simulasi Dragomirescu dan hasil penelitian... 26 Gambar 4.5 Grafik hubungan Cm dengan TSR pada variasi rasio diameter... 28 Gambar 4.6 Grafik hubungan Cp dengan TSR pada variasi rasio diameter... 28 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara Cm dengan TSR pada variasi jumlah sudu... 31 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara Cp dengan TSR pada variasi jumlah sudu... 31 Gambar 4.9 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan rasio diameter 0,58 pada TSR 0,3... 32 Gambar 4.10 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan rasio diameter 0,63 pada TSR 0,3... 33 x
Gambar 4.11 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan rasio diameter 0,68 pada TSR 0,3... 33 Gambar 4.12 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan rasio diameter 0,73 pada TSR 0,3... 34 Gambar 4.13 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan jumlah sudu 16 pada TSR 0,3... 34 Gambar 4.14 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan jumlah sudu 20 pada TSR 0,3... 35 Gambar 4.15 Vektor kecepatan turbin cross flow dengan jumlah sudu 24 pada TSR 0,3... 35 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Skala kualitas meshing...... 18 Tabel 4.1 Geometri turbin...... 27 Tabel 4.2 Hasil simulasi turbin angin dengan variasi rasio diameter 27 Tabel 4.3 Geometri turbin...... 30 Tabel 4.4 Hasil simulasi turbin angin cross flow dengan variasi jumlah sudu...... 30 xii
DAFTAR NOTASI A = Luas area sapuan rotor (m 2 ) Cp = Koefisien daya (non-dimensional) Cm = Koefisien torsi (non-dimensional) D = Diameter (m) D 1 = Diameter luar (m) D 2 = Diameter dalam (m) E = Energi kinetik benda bergerak (Joule) F = Gaya (N) m =Massa (kg) N = Kecepatan Putar (rpm) P = Daya (Watt) Pw = Daya total yang tersedia dalam angin (Watt) P T = Daya mekanik aktual (Watt) S = Luas sapuan rotor (m 2 ) T = Torsi (Nm) V = Laju volume udara (m 3 /s) v = Kecepatan angin (m/s) ṁ = Laju aliran massa (kg/s) ρ = Massa jenis udara (kg/m 3 ) = Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s) λ = Rasio kecepatan ujung (Tip Speed Ratio) (non-dimensional) xiii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi rasio diameter 0,58... 38 Lampiran 2 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi rasio diameter 0,63... 40 Lampiran 3 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi rasio diameter 0,68.... 42 Lampiran 4 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi rasio diameter 0,73... 44 Lampiran 5 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi jumlah sudu 16... 46 Lampiran 6 Grafik nilai Cm terhadap waktu iterasi pada variasi jumlah sudu 24... 48 Lampiran 7 Vektor kecepatan pada variasi rasio diameter 0,58... 50 Lampiran 8 Vektor kecepatan pada variasi rasio diameter 0,63... 51 Lampiran 9 Vektor kecepatan pada variasi rasio diameter 0,68... 52 Lampiran 10 Vektor kecepatan pada variasi rasio diameter 0,73... 54 Lampiran 11 Vektor kecepatan pada variasi jumlah sudu 16... 55 Lampiran 12 Vektor kecepatan pada variasi jumlah sudu 20... 56 xiv