...

Unjuk Kerja Turbin Angin Sumbu Horisontal - HFI DIY

by user

on
Category: Documents
2

views

Report

Comments

Transcript

Unjuk Kerja Turbin Angin Sumbu Horisontal - HFI DIY
418
Gilang Titanio / Unjuk Kerja Turbin angin Sumbu Horisontal menggunakan Airfoil N-10
Unjuk Kerja Turbin Angin Sumbu Horisontal menggunakan Airfoil
N-10
Gilang Titanio*, Arrad Ghani Safitra
Prodi Teknologi Pembangkitan Energi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111
* e-mail: [email protected]
Abstrak – Pemanfaatan energi angin untuk daerah dengan potensi angin rendah seperti di Indonesia masih jarang
dilakukan karena memiliki nilai efisiensi yang kecil. Penelitian ini dimaksudkan untuk menjawab masalah tersebut dengan
memanfaatkan airfoil dengan nilai CL tinggi yang mudah dibuat agar dapat bermanfaat untuk dikembangkan dan
diperbanyak oleh masyarakat tanpa proses manufaktur yang modern. Airfoil yang digunakan adalah n-10 karena memiliki
CL tinggi dan bentuknya mudah untuk dibuat, dengan sudut yang memiliki panjang 1 m. Pada data pengujian didapat nilai
cut-in speed sebesar 2 m/s dan nilai Tip Speed Ratio (TSR) 4,9 pada kecepatan angin 3,2 m/s. Dengan menggunakan
metode Blade-Element Momentum (BEM) mampu dihasilkan daya mekanik sebesar 30.1 Watt dengan efisiensi tertinggi
pada 40.9% di kecepatan angin 2.8 m/s. Nilai ini cukup baik karena sesuai dengan keadaan potensi angin di Indonesia.
Kata kunci: BEM, HAWT, rpm, n-10 airfoil.
Abstract – The utilization of wind energy at a low wind speed area like Indonesia is rarely performed due to its low
efficiency. This research is intended to address this problem using a simple build high CL value airfoil. The airfoil is used
in order to achieve an easy development by the community without modern manufacturing processes. The airfoil which
meet the requirement is the N-10 type since it has high CL and easy to construct, with 1 m length of the blade. The developed
turbine has cut-in speed 2 m/s and Tip Speed Ratio (TSR) value 4.9 at a wind speed 3.2 m/s. Using the Blade-Element
Momentum (BEM) method, the blade are able to produce 30.1 watts and the highest efficiency is 40.9% at a wind speeds
2.8 m/s. This value is good according to the state of the wind condition in Indonesia.
Keywords: BEM, HAWT, rpm, n-10 airfoil.
I. PENDAHULUAN
Seiring peningkatan pembangunan di bidang teknologi,
industri dan komunikasi, kebutuhan akan energi
khususnya energi listrik di Indonesia, merupakan bagian
yang tak terpisahkan dari kebutuhan hidup masyarakat.
Namun penyedia energi listrik belum mampu memenuhi
kebutuhan masyarakat akan energi listrik di seluruh
Indonesia. Kondisi geografis Indonesia yang terdiri atas
kepulauan, tersebar dan tidak meratanya beban listrik,
rendahnya tingkat permintaan listrik di beberapa wilayah,
sulitnya penyaluran listrik untuk daerah terpencil, serta
tingginya biaya pembangunan sistem suplai energi listrik,
merupakan faktor penghambat penyediaan enegi listrik
dalam skala nasional.
Potensi energi angin di Indonesia cukup melimpah
dengan kecepatan angin rata-rata 3,4 s/d 4,5 m/s. Dengan
potensi angin sebesar itu, mengacu pada efisiensi
maksimum turbin angin mampu membangkitkan energi
listrik sebesar 103 Watt dengan diameter 2 m. Dengan
memanfaatkan 5 buah turbin angin tersebut, sudah
mencukupi keperluhan listrik untuk satu rumah sederhana
dengan konsumsi 450 watt. Pada konversi energi angin,
terdapat berbagai faktor yang dapat mempengaruhi kinerja
turbin angin. Salah satu hal yang perlu dipertimbangkan
adalah perancangan bilah untuk turbin angin yang meliputi
ukuran (jari-jari rotor), penampang airfoil, panjang chord,
dan sudut pasang bilah [1]. Jenis airfoil yang digunakan
adalah N-10 karena memiliki bentuk yang mudah dibuat
dan nilai koefisien angkat (CL) tinggi. Konsenterasi
penelitian ini pada besar daya yang mampu dihasilkan.
II. LANDASAN TEORI
Konversi energi dari kecepatan angin ke daya mekanik
(Pm) yang mampu dihasilkan oleh turbin dapat dijelaskan
melalui persamaan berikut:
=
(1)
Koefisien daya merupakan perbandingan antara daya
poros terhadap daya angin (Pw). Hal ini dijelaskan melalui
persamaan berikut:
=
(2)
Menurut Lanchester-Betz, “Tidak ada turbomachine yang
dapat mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi
energi mekanik lebih dari 16/27 (59.26%)”.
Faktor yang mempengaruhi nilai
yakni
Jenis airfoil
Airfoil akan mempengaruhi nilai koefisien gaya angkat
(CL) dan koefisien gaya hambat (CD). Gaya angkat adalah
gaya yang tegak lurus terhadap arah aliran yang dihasilkan
ketika fluida melalui airfoil. Ketika kecepatan fluida di
bagian atas airfoil lebih cepat daripada bagian bawah maka
tekanan di bagian atas lebih kecil sehingga menghasilkan
gaya angkat pada airfoil dan gaya drag adalah gaya yang
searah dengan arah aliran.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
Gilang Titanio / Unjuk Kerja Turbin Angin Sumbu Horisontal menggunakan Airfoil N-10
419
Desain airfoil HAWT memanfaatkan gaya angkat yang
mana rasio L/D harus dimaksimalkan. Gaya lift dan drag
bergantung pada koefisien lift CL dan koefisien drag CD.
=
=
(3)
,
(4)
,
Gambar 3. kecepatan pada rotor [4].
Gambar 1. Definisi gaya angkat dan hambat [2].
Tip speed ratio (
Tip speed ratio adalah rasio kecepatan pada ujung sudu
dengan kecepatan angin. Ini merupakan parameter yang
penting pada perancangan turbin.
=
(5)
θ adalah sudut pitch, atau sudut diantara chord dan bidang
rotasi, sudut pitch adalah kombinasi dari sudut bidang dan
sudut serang, sudut bidang adalah sudut diantara bidang
rotasi dan kecepatan relatif, Uref. Sehingga diketahui nilai
sudut serang. Dimana nilai akan mempengaruhi nilai CL
dan Cd
=ф
(6)
tan =
(7)
III. METODE PENELITIAN
Penelitian mengikuti alur flowchart sebagai berikut
Start
Perancangan Turbin
Pembuatan Turbin
Pengujian Turbin dengan sudut
pasang 10°
Gambar 2. Grafik cp terhadap TSR [3].
Berdasarkan gambar diatas, optimal dicapai antara enam
sampai dengan delapan untuk jenis tiga sudut.
Profil Airfoil
Profil airfoil memberikan nilai koefisien drag dan lift.
Penentuan profil ini dinyatakan beberapa variabel
diantaranya: panjang profil airfoil (chord) ketebalan
(thickness) dan kelengkungan (chamber). Umumnya
bentuk airfoil cembung di bagian atas dan datar atau
cekung di bagian bawah. Bentuk ini dibuat agar kecepatan
udara di atas airfoil lebih cepat dari pada bagian bawah
sehingga menimbulkan tekanan kecil di bagian atas yang
nanti akan menyebabkan gaya angkat atau lift force.
Penentuan parameter ini juga dipengaruhi oleh faktor
keterbuatan, karena perancangan ini menggunakan
permesinan tradisional atau dengan tenaga manusia.
Segitiga Kecepatan
Pengukuran Kecepatan angin dan Kecepatan Putar
Turbin Angin
Anemometer
Tachometer
Analisa Data dengan Metode
Blade Element Momentum (BEM)
End
Pada penelitian ini, pertama – tama turbin angin
dirancang terlebih dahulu. Turbin angin dirancangan
dengan diameter 2,2 m; tiga sudut; menggunakan airfoil
jenis n-10 [7]. Setelah menentukan rancangan turbin, alat
uji dibuat. Kemudian dilakukan pengujian di atap gedung
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
belum
420
Gilang Titanio / Unjuk Kerja Turbin angin Sumbu Horisontal menggunakan Airfoil N-10
energi PENS lantai 4. Turbin angin diletakan di tower
setinggi 4 m dari lantai gedung dan dipasang pada sudut
10º. Turbin angin diuji dengan alat ukur anemometer untuk
mengukur kecepatan angin dan tachometer untuk
mengukur kecepatan putar poros turbin. Hasil yang
didapat adalah pengaruh kecepatan angin terhadap nilai
TSR kemudian dianalisa menggunakan metode BladeElement Momentum untuk mengetahui kemungkinan nilai
daya yang dihasilkan.
kecepatan angin 3.2 m/s adalah 4.9. Nilai TSR ini
kemungkinan masih akan terus naik seiring bertambahnya
kecepatan angin dan akan mencapai maksimum pada saat
kecepatan angin tertentu.
Gambar 5. Grafik TSR terhadap kecepatan angin
Gambar 6 memperlihatkan nilai daya mekanik turbin
yang dihasilkan terhadap kecepatan angin yng melaluinya.
35
30
Gambar 4. Turbin angin yang diuji
Tabel 1 memperlihatkan data hasil pengujian yang
menunjukkan kecepatan angin yang tersedia di gedung
Energi PENS sebesar 2 sampai dengan 3,2 m/s. Dari hasil
pengujian turbin angin pada sudut pasang 10º, didapatkan
nilai cut in speed sebesar 2 m/s. Nilai ini cukup baik karena
pada kecepatan angin rendah turbin sudah dapat berputar.
Nilai kecepatan putar setelah melewati nilai cut in speed
memiliki tren meningkat dan mencapai 150 rpm pada
kecepatan angin 3,2 m/s.
Tabel 1. Hasil pengujian
No
1
(m/s)
2
2
2.2
4
2.6
3
5
6
7
2.4
30
46
67
93
113
3.2
150
3
20
15
10
5
0
1,8
2,3
2,8
kec. angin (m/s)
3,3
Gambar 6. Grafik daya turbin terhadap kecepatan angin
Kecepatan putar (rpm)
2.8
P (watt)
25
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
140
Kenaikan kecepatan putar turbin terhadap kecepatan
angin menyebabkan nilai TSR yang berbeda tiap
kecepatan angin, dimana hasilnya diperlihatkan pada
gambar 5. Pada gambar 5, nilai TSR semakin meningkat
seiring meningkatnya kecepatan angin. Pada saat
kecepatan angin 2 m/s, nilai TSR yang dihasilkan adalah
1.57 kemudian meningkat terus hingga mencapai TSR
tertinggi pada kecepatan angin 3.2 m/s. Nilai TSR pada
Nilai daya mekanik turbin angin meningkat seiring
bertambahnya kecepatan angin. Pada saat kecepatan angin
2 m/s, turbin angin berputar dan menghasilkan daya
mekanik sebesar 2 Watt. Kemudian terus menerus
meningkat hingga mencapai kecepatan angin 3,2 m/s. Pada
saat kecepatan angin 3,2 m/s, turbin angin menghasilkan
daya sebesar 30.1 Watt. Ini terlihat dari grafik diatas
dimana kenaikan kecepatan angin berbanding lurus
dengan kenaikan daya mekanik turbin. Terlihat bahwa
pada gambar 6 tren grafik daya turbin terhadap kecepatan
angin adalah linier.
Gambar 7 menunjukkan grafik pengaruh Cp terhadap
kecepatan angin. Nilai Cp ini menyatakan performa turbin
angin atau nilai efisiensi turbin. Pada gambar 7 terlihat
bahwa pada saat kecepatan angin 2 m/s nilai Cp turbin
angin adalah 10% dan meningkat terus hingga kecepatan
angin 2,8 m/s dengan nilai Cp 40.9 %. Setelah kecepatan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
Gilang Titanio / Unjuk Kerja Turbin Angin Sumbu Horisontal menggunakan Airfoil N-10
Cp (%)
angin melebihi 2.8 m/s nilai Cp turun. Ini bisa terlihat dari
grafik saat kecepatan angin 3 m/s dan 3,2 m/s, nilai Cp nya
menjadi 40.5 %. Ini berarti turbin angin menghasilkan
efisiensi maksimum pada kecepatan angin 2.8 m/s.
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
(m/s)
2
3
2.4
5
6
7
[3]
[7]
2,3
2,8
kec. angin (m/s)
Tabel 2. Hasil perhitungan BEM
4
[2]
[6]
3,3
2.2
2.6
2.8
3
3.2
n (rpm)
30
46
67
93
113
140
150
1.57
P
(watt)
2
2.92
10.2
32.5
4.22
20.3
40.9
4.9
30.1
40.5
TSR
2.19
3.74
4.88
4.8
16
25
Piggot Hugh, 2001, Wind Power Workshop, Center for
Alternative Technology Publicaions,Scotland.
Martin O. L. Hansen, 2008, Aerodynamics of Wind
Turbines 2nd edition, Earthscan, London.
Wei Tong, 2010, Wind Power Generation and Wind
Turbine Design, WIT Press, Southampton.
John Amund Karlsen, 2009, Performance Calculations for
a
Model
Turbine,
Thesis,
Norges
TekniskNaturvitenskapelige universitet, Trondheim.
S. Verdu, 1998, Multi-user detection, Cambridge
University Press.
Indah Serah, 2009, Perancangan pembuatan dan
pengujian turbin angin sumbu horisontal 3 sudut
berdiameter 2 meter dengan modifikasi, ST. Skripsi,
Institut Teknologi Bandung, Bandung.
Airfoil Tools, http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=n10-il, diakses tanggal 11 Maret 2015.
TANYA JAWAB
Sri Suryaningsih, UNPAD
Berikut ini diberikan data hasil perhitungan BEM
(Blade Element Momentum) pada tabel 2 sebagai berikut.
2
[1]
[5]
Gambar 7. Grafik Cp terhadap kecepatan angin
No
DAFTAR PUSTAKA
[4]
1,8
421
cp (%)
10
20
40
40.5
Dari data perhitungan BEM didapat data daya turbin
berbanding lurus dengan kecepatan angin dan nillai Cp
yang menigkat drastis mulai cut-in speed hingga kecepatan
angin 2.8 m/s.
V. KESIMPULAN
Kesimpulan yang didapat adalah sebagai berikut. Nilai
Cut in speed turbin angin diperoleh sebesar 2 m/s dengan
nilai kecepatan angin berbanding lurus dengan nilai TSR.
Daya mekanik maksimum yang dihasilkan turbin adalah
30,1 watt pada kecepatan angin 3,2 m/s. Turbin Angin
menghasilkan nilai Cp teoritis sebesar 40,9% yang
diperoleh saat kecepatan angin mencapai 2,8 m/s.
? Berdasarkan pemilihan metode Blade (BEM) mengacu
pada faktor apa saja?
Gilang Titanio, PENS
@ Pemilihan metode BEM mengacu pada faktor
kecepatan angin, coeffisient lift (CL), coeffisient drag
(CD) yang nanti dapat dihitung sehingga mendapatkan
daya output turbin
Dewita, BATAN
? Untuk meningkatkan daya yang dihasilkan apakah
dapat dengan variasi panjang sudut dan jumlahnya?
Apakah nilai panjang 1 m merupakan nilai optimum?
Gilang Titanio, PENS
@ Untuk meningkatkan daya turbin tentu dapat dilakukan
dengan memperpanjang sudut sehingga energi angin
yang dapat diubah menjadi enrgi listrik lebih besar.
Untuk penambahan jumlah sudut belum tentu akan
menaikkan peforma, karena penambahan sudut akan
merapatkan luasan turbin atau solidity ratio. Menurut
buku Advanced Wind Turbin, turbin dengan solidity
rasio tinggi memiliki efisiensi yang kecil yakni
maksimal 30%. Panjang 1 meter dimaksudkan
mempermudah penelitian dan nilai ini tidak optimum
karena turbin angin maksimal efisiensinya 59,26%.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
Fly UP