Desain Vertical Axis Wind Turbine Tipe Savonius ...lib.ui.ac.id/file?file=digital/20308751-S42797-Desain vertical.pdf · DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI

UNIVERSITAS INDONESIA

DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI KECEPATAN ANGIN RENDAH

SKRIPSI

ADITYA INDRA BAYU

0806454544

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

JULI 2012

Desain vertical..., Aditya Indra Bayu, FT UI, 2012

ii

UNIVERSITAS INDONESIA

DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI KECEPATAN ANGIN RENDAH

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

ADITYA INDRA BAYU

0806454544

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

JULI 2012


iii

HALAMAN PERSETUJUAN

Judul : DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI KECEPATAN ANGIN RENDAH

Nama : ADITYA INDRA BAYU

NPM : 0806454544

Laporan tugas akhir ini telah diperiksa dan disetujui.

Juli 2012

Ir. Warjito M.Sc., Ph.D

Pembimbing Tugas Akhir


d

HALAM

Tugas

dan semua s

NAMA

NPM

TANDA

TANG

MAN PERN

akhir ini ad

umber baik

telah saya n

A

A TANGA

GAL

iv

NYATAAN

dalah hasil k

k yang dikut

nyatakan de

: ADIT

: 08064

AN :

: Juli 2

N ORISINA

karya saya s

tip maupun

engan benar

TYA INDRA

454544

2012

ALITAS

sendiri,

yang diruju

r.

A BAYU

uk


v

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas akhir ini diajukan oleh :


NPM : 0806454544

Program Studi : TEKNIK MESIN

Judul Tugas Akhir : DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI KECEPATAN ANGIN RENDAH

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai

bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Ir. Warjito M.Sc., Ph.D ( )

Penguji : Prof. Dr. Ir. Budiarso M.Eng ( )

Penguji : Prof. Dr. Ir. Harinaldi M.Eng ( )

Penguji : Dr. Ir. Ahmad Indra M.Eng ( )

Ditetapkan di : Depok

Tanggal :


vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat

dan rahmat-Nya, saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam

rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik

Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa tanpa bantuan dan

bimbingan dari berbagai pihak, penyusunan skripsi ini sangatlah sulit bagi saya. Oleh karena

itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

1) Orang tua dan keluarga besar yang telah memberikan dukungan moril dan materiil;

2) Dr. Wardjito, M.Eng sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya

untuk memberi masukan, inspirasi dan kesediaan beliau untuk meminjamkan

komputernya untuk digunakan simulasi;

3) Dr. Ir.Harinaldi, M.Eng selaku kepala Departemen Teknik Mesin;

4) Kuswarini, yang telah berperan menjadi pacar yang baik dan penyemangat dalam

kegiatan sehari-hari dan membantu penyelesaian skripsi ini;

5) Nurrohman, sebagai teman yang membantu bertukar pikiran dalam penyelesaian

skripsi ini;

6) Anindio Prabu, yang telah memberikan inspirasi untuk memulai penelitian terhadap

topik ini;

7) Teman-teman yang telah menemani penyelesaian skripsi dan turut mengingatkan akan

deadline skripsi;

Akhir kata, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala kebaikan semua

pihak yang telah membantu. Semoga skripsi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu

pengetahuan.

Depok, 11 Juli 2012

Penulis


vii


H

Sebagai civ

ini :

Nam

NPM

Prog

Fak

Jeni

demi peng

Universitas

Free Right)

DE

beserta per

eksklusif in

mengelola

tugas akhir

sebagai pem

Demikian p

Dib

Pad

HALAMAN

vitas akadem

ma

M

gram Studi

kultas

is Karya

gembangan

s Indonesia

) atas karya

SAIN VEROPTIM

rangkat yan

ni Universi

dalam bent

r saya selam

milik Hak C

pernyataan i

buat di

da tanggal

N PERSET

mik Univer

: AD

: 08

: TE

: TE

: Sk

ilmu pen

a Hak Beb

ilmiah saya

RTICAL AXMALISASI

ng ada (jik

itas Indone

tuk pangkal

ma tetap men

Cipta.

ini saya bua

: De

: Ju

(AD

viii

UJUAN PU

sitas Indone

DITYA IND

806454544

EKNIK ME

EKNIK

kripsi

getahuan,

as Royalti

a yang berju

XIS WINDKECEPAT

ka diperluk

esia berhak

lan data (da

ncantumkan

at dengan se

epok

uli 2012

Yang meny

DITYA IND

UBLIKASI

esia, saya y

DRA BAYU

ESIN

menyetujui

Non-eksk

udul :

D TURBINETAN ANG

kan). Denga

menyimpa

atabase), m

n nama saya

ebenarnya.

yatakan,

DRA BAYU

I KARYA I

yang bertand

U

i untuk m

klusif (Non-

E TIPE SAIN RENDA

an Hak Be

an, mengali

merawat, dan

a sebagai p

U)

ILMIAH

da tangan d

memberikan

-exclusive R

AVONIUS AH

ebas Royal

ihmedia/for

n mempubli

enulis/penc

di bawah

kepada

Royalty-

lti Non-

rmatkan,

ikasikan

cipta dan


ix

ABSTRAK


Program Studi : TEKNIK MESIN

Judul : DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI KECEPATAN ANGIN RENDAH

Turbin angin tipe Savonius adalah turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang memiliki

kelebihan di konstruksinya yang sederhana, kemampuan untuk menerima angin dari segala

arah, kemudahan dalam perawatan dan tidak menghasilkan suara yang bising. Karakteristik

ini membuatnya cocok diterapkan untuk daerah perkotaan ataupun perumahan. Yang menjadi

kendala utama adalah lokasi penempatan yang cenderung berkecepatan angin rendah.

Penelitian ini bertujuan untuk menentukan konfigurasi yang tepat untuk turbin angin

Savonius agar mampu memberikan performa yang baik pada kecepatan angin rendah. Hasil

penelitian dan studi kasus menunjukkan bahwa untuk setiap variasi parameter geometrik

Savonius turut serta mempengaruhi performa secara keseluruhan. Nilai Overlap Ratio antara

0.15 dan 0.25 memberikan performa yang optimal bagi nilai Cp. Dengan desain dan

konfigurasi Overlap R atio yang tepat diharapkan mampu menambah performa untuk

kecepatan angin rendah.

Kata Kunci : Vertical Axis Wind Turbine, Savonius, Kecepatan angin rendah


x

ABSTRACT

Name : ADITYA INDRA BAYU

Program : MECHANICAL ENGINEERING

Title : DESIGN OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE SAVONIUS OPTIMALIZED FOR LOW WIND VELOCITY

Savonius wind turbine is a vertical axis wind turbine which has many advantages such

as simple construction, capabilites to accepting wind in omni directional, easiness in

maintenance and low noise pollution. These characteristic make it ecspecially suited

as an alternative electricity source in cities and urban area. The only problem lies in

the low wind velocity which resulting in low torque and power output. This research

aimed to decide the best configuration for Savonius wind turbine si it give the best

performance possible. Research and various studies shows that for every geometric

parameters give a boost in performance. An Overlap Ratio value of 0.15 and 0.25

gives the optimum Cp value according to various sources. With the right design and

optimum configurations of Overlap Ratio, hopefully could increase the performance

significantly in low wind velocity.

Keywords : Vertical Axis Wind Turbine, Savonius, Low wind velocity

.


xi

DAFTAR ISI

Halaman Judul ................................................................................................................... i

Halaman Persetujuan ...................................................................................................... iii

Halaman Pernyataan Orisinalitas .................................................................................... iv

Halaman Pengesahan ........................................................................................................ v

Kata Pengantar................................................................................................................. vi

Halaman Persetujuan Publikasi Karya Ilmiah .............................................................. viii

Abstrak ............................................................................................................................ ix

Abstract ............................................................................................................................ x

Daftar Isi .......................................................................................................................... xi

Daftar Gambar, Grafik, dan Tabel ................................................................................ xiii

Bab I Pendahuluan ............................................................................................................ 1

I. 1 Latar Belakang ........................................................................................................... 1

I. 2 Tujuan Penelitian ....................................................................................................... 3

I. 3 Perumusan Masalah ................................................................................................... 3

I. 4 Pembatasan Masalah .................................................................................................. 3

I. 5 Sistematika Penulisan................................................................................................. 4

Bab II Landasan Teori ...................................................................................................... 5

II. 1 Geometric Parameter ................................................................................................ 7

II. 2 Parameter Yang Berpengaruh ................................................................................... 7

II. 3 Dasar Teori ............................................................................................................. 15

Bab III Metodologi Penelitian ........................................................................................ 20

III. 1 Penentuan Karakteristik Turbin Angin ................................................................. 20

III. 2 Penentuan Desain Turbin Angin .......................................................................... 21

III. 3 Parameter Yang Digunakan .................................................................................. 25

III. 4 3D Modeling ......................................................................................................... 28

III. 5 Simulasi dan Batasan Masalah ............................................................................. 32


xii

III. 6 Meshing dan Goals setting ................................................................................... 36

Bab IV Hasil Simulasi Dan Analisa ............................................................................... 39

IV. 1 Pengolahan Data .................................................................................................... 39

IV. 2 Analisa Grafik ....................................................................................................... 42

IV. 3 Analisa Kualitatif .................................................................................................. 50

Bab V Kesimpulan Dan Saran ........................................................................................ 58

IV. 1 Kesimpulan............................................................................................................ 58

IV. 2 Saran ...................................................................................................................... 59

Daftar Pustaka ................................................................................................................ 60


xiii

DAFTAR GAMBAR, TABEL, DAN GRAFIK

Gambar 1-1. Presentase Emisi Greenhouse Gas .............................................................. 1

Gambar 1-2. Tabel Kecepatan Rata-rata di Indonesia ...................................................... 2

Gambar 2-1. Turbin Angin Savonius ............................................................................... 5

Gambar 2-2. Geometric Parameter Savonius. .................................................................. 7

Gambar 2-3. Aspect Ratio Terhadap Bentuk Turbin........................................................ 8

Gambar 2-4. Savonius dengan profil semi-circular. ....................................................... 11

Gambar 2-5. Savonius Dengan Sudut Twist Bervariasi. ................................................ 12

Gambar 2-6. Savonius dengan bentuk helical ............................................................... 12

Gambar 2-7. Penggunaan Valve pada bucket................................................................. 15

Gambar 3-1. Savonius dengan profil twist ..................................................................... 22

Gambar 3-2. Nampak depan profil Helical .................................................................... 22

Gambar 3-3. Model Savonius Helical ........................................................................... 23

Gambar 3-4. Savonius dengan profil semi-circular ............................................................ 24

Gambar 3-5. Angin terpantulkan oleh advancing bucket .............................................. 25

Gambar 3-6. Rendering 3D Twisted Savonius Menggunakan Photoview 360 ............. 29

Gambar 3-7. Rendering 3D Helical Savonius Menggunakan Photoview 360 ............... 30

Gambar 3-8. Rendering 3D Semi-circular Savonius Menggunakan Photoview 360 .... 31

Gambar 3-9. Setting Initial Mesh .................................................................................. 36

Gambar 3-10. Hasil meshing otomatis level 5 .............................................................. 37

Gambar 3-11. Pengaturan cell secara manual ................................................................ 37

Gambar 3-12. Hasil meshing dengan pengaturan manual .............................................. 37

Gambar 3-13. Pemilihan Goals ..................................................................................... 38

Gambar 4-1. (a) Overlap ratio 0.15. (b) Close up untuk Overlap ratio 0.15. (c).


xiv

Overlap ratio 0.25. ......................................................................................................... 50

Gambar 4-2. Cut plot tekanan untuk Twist 45 dengan Overlap ratio 0.15 dan 0.25 ...... 51

Gambar 4-3. Flow trajectory untuk Twist 45 dengan Overlap ratio 0.15 ...................... 51

Gambar 4-4. Surface plot tekanan untuk Twist 45 dengan Overlap ratio 0.15. ............. 52

Gambar 4-5. Cut plot model Helical Overlap ratio 0.15 .............................................. 53

Gambar 4-6. Surface plot model Helical Overlap ratio 0.25. ........................................ 54

Gambar 4-7.Cut plot kecepatan model Helical Overlap ratio 0.15 dan 0.25 ................ 55

Gambar 4-8. Cut plot tekanan model Helical Overlap ratio 0.15 dan 0.25. .................. 55

Gambar 4-9. Cut plot kecepatan untuk Semi-circular dengan e 0.15 (atas) dan 0.25

(bawah) ........................................................................................................................... 56

Gambar 4-10. Cut plot tekanan untuk Semi-circular dengan e 0.15 dan 0.25 ............... 57

Grafik 2-2 . (a) Perbandingan nilai overlap ratio dengan maximum Cp. (b) Variasi nilai

Overlap ratio dengan plot terhadap Cpaveraged dan λ. ......................................................... 8

Grafik 2-3. Efek penambahan end plates terhadap Cpaveraged dan λ ................................. 9

Grafik 2-4. (a) Posisi angular terhadap momen pada jumlah bucket 2 dan 3. (b)

Pengaruh jumlah bucket terhadap nilai Cpaveraged dan λ. ........................................... 10

Grafik 2-5. Pengaruh multiple stages terhadap moment ............................................... 11

Grafik 2-6. Plot Twist Angle Terhadap Torsi ................................................................ 12

Grafik 2-7. Nilai CM dan Cp berturut-turut berdasarkan Re .......................................... 13

Grafik 2-8. Turbulence intensity dan pengaruhnya terhdapa Cpaveraged dan λ ................ 14

Grafik 4-1. Plot nilai Cp terhadap Tip speed ratio pada Helical dengan e=0.15 ........... 40

Grafik 4-2. Plot nilai Ct terhadap Tip speed ratio pada Helical dengan e=0.15 ............ 41

Grafik 4-3. Efek profil Bucket terhadap perfroma ......................................................... 42

Grafik 4-4. Percobaan U.K. Saha [2] ........................................................................... 42

Grafik 4-5. Percobaan Kamoji[3] terhadap performa Savonius Helical. ......................... 43

Grafik 4-6. Efek profil Bucket pada nilai Ct .................................................................. 44


xv

Grafik 4-7. Pengaruh Overlap ratio terhadap Cp ........................................................... 45

Grafik 4-8. Pengaruh Overlap ratio terhadap Ct ............................................................ 46

Grafik 4-9. Koefisien Torsi Statik Twist 45. .................................................................. 47

Grafik 4-10. Koefisien Torsi Statik Helical. .................................................................. 48

Grafik 4-11. Koefisien Torsi Statik Semi-circular. ........................................................ 49

Tabel 2-1. Modifikasi Desain dan Efeknya Pada Performa ............................................ 6

Tabel 2-2. Studi kasus terhadap Turbulence intensity dan efek pada maksimum

Cpaveraged .................................................................................................................... 14

Tabel 3-1. Parameter Yang Digunakan Untuk Simulasi ............................................... 26

Tabel 3-2. Parameter Tetap Yang digunakan untuk rancang bangun turbin angin ........ 27

Tabel 3-3. Ukuran yang digunakan untuk rancang bangun turbin angin ...................... 27

Tabel 3-4. Spesifikasi Workstation yang digunakan ..................................................... 28

Tabel 3-5. Nilai kecepatan angular yang didapatkan dari tip speed ratio ..................... 33

Tabel 3-6. Kecepatan angin daerah DKI Jakarta periode 2000-2007 ............................ 33

Tabel 3-7. Nilai daya yang dapat di ekstrak dari angin ................................................. 34

Tabel 3-8. Nilai Turbulence intensity ............................................................................ 35

Tabel 4-1. Pengolahan data melalui excel ..................................................................... 39

Tabel 4-2. Pmax yang digunakan .................................................................................. 39

Tabel 4-3. Nilai Cp terhadap Tip speed ratio ................................................................. 40

Tabel 4-4. Nilai Ct terhadap Tip speed ratio ................................................................ 40

Tabel 3-8. Nilai Turbulence intensity ............................................................................ 35

Tabel 4-1. Pengolahan data melalui excel ..................................................................... 39

Tabel 4-2. Pmax yang digunakan .................................................................................. 39

Tabel 4-3. Nilai Cp terhadap Tip speed ratio ................................................................. 40


1.1

Sejak

juga de

adalah,

melonja

terhadap

Indo

cukup t

yang d

kelistrik

Hal

terbaruk

grafik p

banyak

energi.

Latar Bela

k dimulainy

engan pengg

memasuk

aknya harg

p energi ter

onesia sebag

tinggi meru

iambil pad

kan di indon

ini terjad

kan, padaha

pemanfaatan

lahan dan r

akang

ya revolusi

gunaan dan

ki abad ke

a minyak d

rbarukan ya

gai negara b

upakan peny

da tahun 20

nesia secara

G

di karena k

al potensi e

n energi ter

ruang luas y

industri pa

n eksploitasi

e-21 dunia

dimana-man

ng telah ter

berkembang

yumbang ke

005 menunj

a signifikan

Gambar 1-1. Pr

kurangnya

energi di In

rbarukan ya

yang dapat

16

BAB

PENDAHU

ada abad 20

i bahan bak

a dilanda

na. Hal ini

rsedia.

g dengan tin

etiga emisi

jukkan bah

mengambil

resentase emis

eksplorasi

ndonesia cuk

ang terdapat

kita kemban

B I

ULUAN

0, kemajuan

kar fosil sec

krisis ener

i tak lepas

ngkat pengg

gas karbon

hwa transpo

l peran dala

si greenhouse g

terhadap

kup melimp

t di Indones

ngkan untuk

U

n teknologi

cara besar-b

rgi. Hal i

dari kuran

gunaan baha

ndioksida.

ortasi, petro

am penghasi

gas

penggunaan

pah. Hal in

sia. Dapat d

k menghasi

Universitas In

yang pesat

besaran. Ak

ini mengak

ngnya pema

an bakar fo

Grafik diba

oleum & g

il emisi gas

n energi a

ni dapat dili

dilihat bahw

ilkan dan m

ndonesia

t diiringi

kibatnya

kibatkan

anfaatan

osil yang

awah ini

gas serta

CO2.

alternatif

ihat dari

wa masih

mengolah


17

Universitas Indonesia

Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB), merupakan salah satu solusi energi alternatif

dengan memanfaatkan energi kinetik angin. Potensi energi angin di Indonesia mencapai

9,286 MW, di mana penggunaan hingga tahun 2004 masih kurang dari 0.5 MW berdasarkan

data dari Indonesia Energy Outlook and Statistics 2004.

Meskipun Indonesia memiliki distribusi angin yang kurang baik, namun berbeda pada

daerah pesisir pantai yang memiliki potensi angin yang melimpah sehingga dapat

memanfaatkan energi kinetik pada angin secara leluasa. Contohnya adalah Nusa Tenggara

Timur yang memiliki kecepatan rata-rata angin hingga lebih dari 5m/s.

Namun bagaimana dengan daerah perkotaan ataupun daerah yang memiliki kecepatan

angin relatif rendah? Apakah mereka tidak dapat ikut mengambil manfaat dari energi potensi

angin ini?. Tentu saja bisa, dengan desain dan konfigurasi yang sesuai, daerah berkecepatan

angin rendah dapat ikut menikmati manfaat dari energi terbarukan ini.

Gambar 1-2. Tabel kecepatan rata-rata di Indonesia

Dengan tujuan inilah, penelitian dilakukan agar dengan kecepatan angin yang rendah

sekalipun dapat menghasilkan daya yang signifikan dengan desain turbin angin yang sesuai.

1.2 Tujuan Penelitian


18


Penelitian ini ditujukan untuk mendapatkan desain dan konfigurasi yang sesuai untuk

optimalisasi turbin angin tipe savonius pada kecepatan angin rendah.

1.3 Perumusan Masalah

Pada desain turbin angin tipe Savonius, optimalisasi haruslah dapat menghasilkan torsi

dan daya yang cukup tinggi pada kecepatan angin rendah. Dengan plotting Cp dan Ct yang

didapatkan dan membandingkan dengan rujukan literatur akan kita dapatkan seberapa efisien

desain yang telah dibuat.

1.4 Pembatasan Masalah

Penelitian ini bertujuan menentukan bentuk turbin angin tipe Savonius yang sesuai untuk

kecepatan angin rendah. Rancang bangun dilakukan menggunakan software Solidworks

2012. Dengan menentukan desain yang telah ada dari literatur, dan mengubah beberapa nilai

parameter, dilakukan simulasi menggunakan Solidworks Flow Simulation untuk mengambil

nilai torsi dan kecepatan dari desain.

1.5 Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian yang diterapkan adalah sebagai berikut :

1. Mencari informasi mengenai turbin angin melalui jurnal dan literatur

2. Melakukan studi literatur secara mendalam terhadap parameter yang membentuk

turbin angin

3. Pemilihan desain VAWT yang sesuai untuk kecepatan angin rendah, dan membuat

model 3D menggunakan Solidworks 2012

4. Melakukan simulasi menggunakan Solidworks Flow Simulation

5. Menganalisa data yang didapatkan

1.6 Sistematika Penulisan


19


BAB I. Pendahuluan

Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang penelitian, tujuan penelitian, perumusan

masalah, pembatasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.

BAB 2. Pengenalan Turbin angin tipe Savonius

Pada bab ini, dijelaskan mengenai turbin angin tipe Savonius, dasar teori dan parameter

yang mempengaruhi performa secara keseluruhan.

BAB 3. Desain 3D Model dan Simulasi

Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan mengenai 3D model settingan simulasi yang

digunakan, dan variabel-variabel yang telah ditentukan sebelumnya.

BAB 4. Pembahasan dan Analisa hasil simulasi

Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan terhadap masing-masing simulasi disertai

analisa performa secara keseluruhan.

BAB 5. Kesimpulan dan Saran

Pada bab ini, berisi kesimpulan dan saran untuk penelitian selanjutnya.

BAB II

LANDASAN TEORI


20


Turbin angin, merupakan suatu alat yang mengubah energi potensial angin menjadi energi

listrik melalui serangkaian mekanisme. Secara umum terdapat dua jenis turbin angin, yaitu

Horizontal axis wind turbine dan Vertical axis wind turbine. Sesuai namanya, masing-masing

memiliki poros utama horisontal dan vertikal sebagai sumbu berputarnya blade.

VAWT tipe Savonius itu sendiri pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan asal finlandia

yang bernama Sigurd Johannes Savonius pada tahun 1922. Dengan bentuk setengah silinder

kosong yang dipasang saling berhadapan dengan membentuk huruf S. VAWT tipe Savonius

ini merupakan salah satu turbin angin dengan bentuk yang sederhana dan berdasarkan jenis

drag.

Savonius beroperasi pada tip speed ratio rendah, umumnya memiliki nilai λ~0.1 atau

dibawahnya, memiliki efisiensi yang rendah jika kita membandingkannya dengan tipe

lainnya. Namun, diluar itu juga terdapat beberapa kelebihan dibandingkan dengan tipe

lainnya :

1. Mesin dan gearbox terletak pada base yang dekat dengan ground, sehingga

memudahkan untuk maintenance

2. Dapat menerima angin dari segala arah

3. Cut-in speed yang relatif rendah dibandingkan dengan HAWT

4. Dapat menghasilkan daya pada kecepatan angin rendah

5. Konstruksi yang hemat area, sehingga memudahkan pemasangan VAWT lainnya.

Untuk mengatasi kekurangannya, telah banyak penelitian dan percobaan terhadap

konfigurasi savonius, diantaranya penggunaan profil twist pada semi-circular blade. Pada

jurnal “On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades” yang ditulis oleh

U.K. Saha [9] menyebutkan bahwa terdapat kenaikan efisiensi sebanyak 27%. Beberapa

pengembangan desain yang diketahui dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

Gambar 2-1 Turbin angin tipe Savonius


21


Modifikasi desain Efek

Helical rotor Menambah torsi statik

Twisted blade Efisiensi 27% (relatif)

Guide box tunnel Efisiensi 50% (3 blades)

Deflector plate Efisiensi 20%

Grafik 2-1. Nilai ideal Cp dan Cm terhadap nilai λ.

Nilai Cp dan Cm yang ideal untuk sebuah turbin angin tipe Savonius, diberikan pada grafik

diatas dengan plotting nilai aerodynamic coefficient versus velocity coefficient (λ). Nilai

maksimum untuk Cp dan Cm berturut-turut adalah 0.30 pada nilai λ = 1, dan 0.43 pada nilai λ

= 0.40.

Tabel 2-1 Modifikasi desain dan efeknya pada performa


22


2.1 Geometric Parameter

Tidak seperti turbin angin pada umumnya, Savonius menggunakan silinder yang dibelah

dua dan disusun menjadi bentuk huruf S sebagai blade dan seringkali disebut sebagai bucket.

Konfigurasi untuk blade Savonius dapat digambarkan sebagai berikut

Masing-masing parameter diatas ikut menyumbangkan kepada performa total dari turbin

angin tipe Savonius itu sendiri. Pembahasan lebih lanjut akan diberikan pada subab 2.2.

2.2 Parameter Yang Berpengaruh

Turbin angin tipe Savonius memiliki beberapa parameter utama yang menentukan

performa secara keseluruhan. Masing-masing performa ini telah dipelajari dan diteliti dan

diverifikasi kebenarannya. Beberapa parameter utama ini adalah:

2.2.1 Geomteric Paramter a dan e

Verifikasi dari parameter a dan e terhadap pengaruh total performa turbin angin tipe

Savonius telah lama diteliti. Dari percobaan dan studi kasus dapat disimpulkan bahwa nilai

a=0 memberikan performa terbaik untuk savonius dengan profil blade semi-circular (bucket).

Sedangkan untuk nilai e, menurut Fujisawa [2] melalui jurnalnya “Velocity measurements

and numerical calculations of flow fields in and around Savonius rotors “, nilai optimal

untuk e ini adalah sama dengan 15% dari diameter blade. Sedangkan Blackwell [6]

berdasarkan penelitiannya “Wind tunnel performance data for two- and three-bucket

Savonius rotors”, mengambil kesimpulan bahwa nilai e ideal berada antara 10 dan 15% dari

ukuran diameter blade. Alexander dan Holownia [7] (Wind tunnel tests on a Savonius rotor),

Notasi :

e - primary overlap

a - secondary overlap

d - diameter bucket

R - jari-jari rotor.

Gambar 2-2. Geometric parameter Savonius


23


serta Mojola [5] (On the aerodynamic design of the Savonius windmill rotor)

mengindikasikan nilai 20 hingga 30% untuk mendapatkan performa terbaik.

Pada tabel diatas dapat kita lihat pengaruh nilai overlap (o/c) yang didapatkan Fujisawa [2],

bahwa nilai optimal untuk o/c adalah 0.15. Sedangkan pada tabel disamping yang didapatkan

Alexander dan Holownia [7] menunjukkan bahwa nilai overlap optimal adalah 0.20.

2.2.2 Aspect Ratio (Ar)

Ar merupakan aspek rasio dari turbin angin tipe savonius, dan didapatkan dengan

perbandingan tinggi turbin angin dan diameter rotor. Semakin tinggi rasio ini, maka turbin

angin akan memiliki losses yang rendah akibat efek dari ujung bucket. Berdasarkan studi

kasus [12] yang dilakukan, nilai optimal untuk Ar adalah 2.

Grafik 2-2. (a) Perbandingan nilai overlap ratio dengan maximum Cp. (b) Variasi nilai overlap ratio dengan plot terhadap Cpaveraged dan λ.

(b) (a)

Gambar 2-3. Aspect Ratio terhadap bentuk turbin


24


Ar dapat dinyatakan dengan :

=

Dimana = 4 = 2

2.2.3 End plates

End plate merupakan plat yang terpasang pada bagian atas dan bawah turbin angin

savonius. Penambahan end plates dapat menambah nilai rata-rata maksimum power

coefficient (CPaveraged). Dengan adanya end plates, turbin angin juga beroperasi lebih efisien

pada tip spedd rasio yang tinggi.

Fungsi dari end plates ini untuk mencegah udara keluar dari sisi cekung turbin angin,

sehingga tekanan dalam antara sisi cekung dan

cembung tetap dalam keadaan yang optimal.

Untuk nilai diameter, didapatkan melalui

rumus :

= 1.1

Dimana, R adalah nilai jari-jari rotor, yang

dapat kita lihat pada gambar 2.2.

Grafik 2-3. Efek penambahan end plates terhadap Cpaveraged dan λ.


25


2.2.4 Jumlah Buckets dan Stages

Menurut Blackwell [6] (Wind tunnel performance data for two- and three-bucket Savonius

rotors), getaran dinamis dan momen statik dari savonius rotor sepanjang posisi angular dari

advancing bucket, yakni bucket yang maju terdorong kedepan dapat dikurangi dengan

penambahan bucket. Sehingga, secara singnifikan mengurangi nilai posisi angular untuk

advancing bucket, dimana momen rotor relatif rendah, karena kemungkinan dari bucket

untuk berada diposisi yang bagus agar mengekstrak momentum aliran udara bertambah.Hal

ini dapat dilihat pada gambar dibawah, yang menunjukkan siklus momen dari rotor untuk

jumlah bucket 2 dan 3.

Namun, penambahan ini mengakibatkan berkurangnya nilai rata-rata maksimum power

coefficient dan moment coefficient. Hal ini terjadi karena ketika bucket memantukan aliran

udara yang seharusnya menumbuk ke bucket nomor 2, namun juga memantulkan aliran udara

yang diperuntukkan ke bucket nomor 3. Ini disebut cascade effect. Hasilnya adalah, lebih

sedikit energi yang dilepaskan oleh udara untuk dirubah menjadi energi mekanik. Dengan

alasan inilah, Savonius dengan dua bucket lebih dipilih karena memiliki nilai rata-rata

maksimum power coefficient yang lebih tinggi, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel

diatas.

Menurut U.K. Saha et al [10] (Optimum design configuration of Savonius rotor through

wind tunnel experiment) dan Hayashi [19] (Wind tunnel test on a different phase three-stage

Savonius rotor), solusi untuk menguarngi fluktuasi nilai momen tanpa secara signifikan

mengurangi performa adalah dengan menggunakan multiple stages. Prinspinya adalah

(b) (a)

Grafik 2-4. (a) Posisi angular terhadap momen pada jumlah bucket 2 dan 3. (b) Pengaruh jumlah bucket terhadap nilai Cpaveraged dan λ.


26


menyalurkan daya ke shaft rotor dan beroperasi dengan siklus saling menghambat satu sama

lain.

Grafik 2-5. Pengaruh multiple stages terhadap moment

2.2.5 Bentuk Buckets

Salah satu parameter yang berpengaruh secara signifikan pada performa total turbin angin

tipe Savonius adalah bentuk atau desain buckets. Secara umum, bentuk-bentuk yang telah

diteliti dan digunakan hingga saat ini adalah:

1. Semi-circular

Merupakan bentuk paling umum dan sering digunakan. Konstruksinya sangat

sederhana, hanya menggunakan silinder yang dibelah menjadi dua, dan disusun

sesuai bentuk huruf ‘S [13]’.

Gambar 2-4. Savonius dengan profil semi-circular


27


2. Twisted

Rotor dengan bucket twist, menghasilkan moment lebih besar dibandingkan

dengan bucket profil semi-circular. Saha et al [10] (Optimum design configuraton

of Savonius rotor through wind tunnel experiments), mendapatkan nilai nilai Cp

sebesar 0.31 untuk rotor dengan bucket twist, dan 0.29 untuk semi-circular.

Dibawah ini, merupakan plotting twist angle vs torsi, dapat kita perhatikan bahwa

nilai angle yang menghasilkan torsi paling tinggi adalah 45˚ [26].

3. Helical

Bentuk helical, memiliki performa yang mirip

dengan penambahan multiple stage pada rotor.

Osilasi moment pada saat beroperasi dengan

menggunakan rotor helical, berkurang secara

signifikan. Secara umum, berdasarkan penelitian,

performa helical tidak jauh berbeda dari performa

profil semi-circular.

Gambar 2-5. Savonius dengan sudut twist bervariasi

Grafik 2-6. Plot twist angle terhadap torsi

Gambar 2-6. Savonius dengan bentuk helical.


28


2.2.6 Bilangan Reynold

Bilangan Reynold mempengaruhi performa boundary layer separation. Penambahan pada

bilangan Reynold, akan menghambat pemisahan pada sisi cembung dari bucket. Hasilnya

adalah, pengurangan terhadap drag pada returning bucket. Hal ini dikarenakan bertambahnya

tekanan, sehingga gaya angkat (lift) ikut bertambah dan menambah moment dari rotor.

Bilangan Reynold dinyatakan dengan :

Dibawah ini merupakan tabel yang menunjukkan relasi antara performa turbin angin (Cp

dan CM) dengan bilangan Reynold.

2.2.7 Turbulence Intensity

Faktor lainnya adalah Turbulence intensity, yang merupakan kualitas dari aliran udara

disekeliling turbin angin dan mempengaruhi performa dari turbin angin dengan menurunkan

nilai Cp seiring pertambahan turbulence intensity.

Grafik 2-7. Nilai CM dan Cp berturut-turut berdasarkan Re.


29


Berdasarkan studi kasus pada jurnal Akwa (Savonius wind turbine aerodynamics analysis

using CFD), Cochran (A three-tiered approach for designing and evaluating performance

characteristic of novel wecs), dan Blackwell (Wind tunnel performance data for two- and

three-bucket Savonius rotors), didapatkan kesimpulan yang disajikan dalam bentuk tabel

dibawah ini:

Studi kasus Turbulence intensity (%) Maximum CPaveraged

Blackwell 1.4 0.24

Cochran 1.00 0.26

Akwa 10.0 0.20

Secara teoritis, turbulence intensity dapat dicari menggunakan rumus

= 0.16

Dimana Re adalah bilangan Reynold.

Grafik 2-8. Turbulence intensity dan pengaruhnya terhdapa Cpaveraged dan λ.

Tabel 2-2. Studi kasus terhadap Turbulence intensity dan efek pada maksimum Cpaveraged


30


2.2.8 Shaft dan Aksesoris lain

Dari hasil penelitian, komponen tambahan seperti shaft ternyata cukup berpengaruh

kepada performa turbin angin. Hal ini karena keberadaan shaft ditengah rotor menyebabkan

gangguan pada aliran udara yang melalui ruang diantara bucket. Hasilnya adalah

pengurangan efisiensi akibat aliran udara yang seharusnya melaju menuju bucket selanjutnya

terhalangi oleh shaft. Namun, penambahan shaft juga memiliki keuntungan tersendiri, yaitu

menambah kekokohan struktur turbin angin.

Aksesoris lainnya yang dapat menambah nilai Cp

adalah penggunaan valve. Valve ini membuat udara

mampu melalui sisi cembung dari bucket yang

berlaku sebagai returning bucket, sehingga

mengurangi drag.

2.3 Dasar Teori

Turbin angin bekerja dengan cara mengubah energi kinetik yang terdapat pada angin

menjadi energi kinetik rotasi yang kemudian menggerakan generator sehingga menghasilkan

energi listrik. Energi yang tersedia pada angin, bergantung kepada kecepatan angin dan swept

area dari turbin angin. Sebagai ukuran performa, digunakan nilai Cp.

2.3.1 Energi pada angin

Pada percepatan konstant, energi kinetik dari sebuah benda bermasa m dan kecepatan v,

adalah sama dengan work done (kerja total) dari sebuah benda yang berpindah pada jarak s,

yang dikelola oleh gaya F. Dituliskan sebagai: = =

Sedangkan menurut hukum Newton =

Maka, work done E dapat dituliskan sebagai = ∙ ⋯ (2.1)

Dengan menerapkan persamaan ketiga pada hukum gerak

Gambar 2-7. Penggunaan Valve pada bucket


31


= + 2

= −2

Subsitusi persamaan ini kedalam persamaan (2.1), dengan nilai kecepatan awal adalah 0 (u =

0), kita mendapatkan persamaan energi kinetik dari massa bergerak = ∙

= 2

= 12 ⋯ (2.2)

Daya yang terdapat pada angin, merupakan perubahan persatuan waktu dari perubahan energi

(rate of change of energy). Dituliskan sebagai

= = 12 ⋯ (2.3)

Mass flow rate dari fluida adalah

=

Dengan adalah perubahan jarak persatuan waktu, yang berarti v (kecepatan angin).

Subsitusikan ini, dan kita mendapatkan

=

Subsitusikan persamaan ini kedalam persamaan (2.3), kita dapatkan persamaan akhir yang

mewakili energi kinetik yang terdapat pada angin dengan kecepatan v.

= 12 ⋯ (2.4)

Fisikawan asal jerman, Albert Betz menyimpulkan bahwa tidak ada turbin angin yang

memiliki efisiensi lebih dari 59.3% dari energi kinetik angin menjadi energi mekanik (rotasi).

Batasan ini disebut Betz limit atau hukum Betz. Dengan kata lain


32


= 0.59

Namun pada kenyataannya, tidak ada turbin angin yang dapat beroperasi pada nilai

maksimum ini. Nilai Cp adalah unik untuk setiap turbin angin, dan adalah fungsi dari

kecepatan angin pada kondisi dimana turbin tersebut bekerja. Ketika kita mengikut sertakan

berbagai macam persyaratan lain, seperti strength dan durability (ketahanan), batasan secara

nyata hanya berkisar antara 0.35 dan 0.45. Hal ini berlaku, bahkan untuk wind turbin dengan

desain terbaik.

Dengan memasukkan nilai Cp ini kedalam persamaan (2.4), kita akan mendapatkan

persamaan untuk energi kinetik yang terdapat pada angin secara secara riil:

= 12 × ⋯ (2.5)

Dimana,

P adalah output power (W)

ρ adalah densitas udara (kg/m3)

A adalah swept area turbin angin (m2)

V adalah kecepatan udara (m/s)

2.3.2 Swept Area

Swept area adalah luas efektif dari blade wind turbine yang mampu menerima energi

kinetik dari angin, dan mengubahnya menjadi energi mekanik. Untuk tipe Savonius, Swept

area ini dinyatakan dengan: = × ⋯ (2.6) = 2

Dimana H adalah tinggi dari turbin angin, dan D adalah diameter dari turbin angin. Untuk

lebih jelasnya terhadap notasi persamaan, merujuk kepada gambar 2-2.


33


2.3.3 Coefficient of Power, Torque dan Tip Speed Ratio

2.3.3.1 Coefficient of Power

Coefficient of Power disingkat sebagai Cp, dan seringkali digunakan sebagai nilai

performa dari turbin angin. Cp adalah perbandingan dari energi angin yang berhasil diekstrak

oleh turbin angin, dengan energi keseluruhan yang terdapat pada angin secara teoritis.

= = ⋯ (2.7)

Dimana Pactual adalah =

Dengan T adalah torsi dan ω adalah kecepatan angular.

Nilai ideal dari Cp tipe Savonius dapat ditentukan dari tabel 2-1.

2.3.3.2 Coefficient of Torque

Coefficient of Torque dapat dihitung menggunakan rumus

= 4 ⋯ (2.8)

Dimana,

T adalah torsi (Nm)

ρ adalah densitas udara (kg/m3)

V adalah free stream velocity (m/s)

2.3.4 Tip Speed Ratio

Dilambangkan dengan λ adalah Tip Speed Ratio (TSR). Merupakan perbandingan antara

kecepatan peripheral dari turbin angin, dengan free stream.

= ⋯ (2.9)

D adalah diameter turbin angin (m)

H adalah tinggi turbin angin (m)


34


Dimana r adalah jari-jari dari turbin angin dan ω adalah kecepatan angular, sedangkan v

adalah kecepatan angin. Kecepatan angular itu sendiri, ditentukan melalui persamaan

= 260 /


35


BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Penentuan Karakteristik Turbin Angin

Untuk mendapatkan desain yang sesuai dengan performa yang diinginkan, terlebih dahulu

dilakukan kajian terhadap karakteristik turbin angin yang sesuai. Dari karakteristik yang telah

ditentukan, akan dibandingkan dengan studi literatur dari berbagai sumber.

Dengan tujuan utama diperuntukkan bagi daerah perkotaan ataupun perumahan pada kota

dengan kecepatan angin yang relatif rendah, ditambah dengan arah angin yang berganti-ganti

akibat keberadaan gedung-gedung ataupun bangunan tinggi. Maka, karakteristik turbin angin

yang diinginkan adalah :

1. Dapat menerima angin dari segala arah, ini dengan tujuan untuk mengatasi arah

angin yang berubah-rubah akibat terhalang bangunan-bangunan.

2. Konstruksi yang tidak membutuhkan banyak ruang, dengan alasan peletakkan

ditengah kota ataupun perumahan yang padat penduduk dan bangunan.

3. Tidak menghasilkan suara bising, dengan pertimbangan kenyamanan penduduk.

4. Cut-in wind speed yang rendah, dengan pertimbangan kecepatan angin yang relatif

rendah sehingga dapat mulai berputar secara mandiri dan menghasilkan listrik pada

kecepatan yang relatif rendah.

5. Perawatan yang mudah, menjaga realibilitas dan kondisi turbin agar dapat beroperasi

secara optimal.

6. Kecepatan putar yang rendah, dengan alasan keamanan karena hendak digunakan

pada wilayah padat penduduk.

Dengan pertimbangan enam karakteristik diatas, maka Horizontal Axis Wind Turbine

dianggap tidak sesuai, meskipun memiliki nilai coefficient of power dan tip speed ratio yang

tinggi. Sehingga pilihan jatuh kepada Vertical Axis Wind Turbine Savonius, yang tentu saja

memiliki karakteristik yang sesuai.


36


3.2 Penentuan Desain Turbin Angin

Hingga saat ini, penelitian dan percobaan terhadap turbin angin Savonius telah banyak

dilakukan. Meskipun memiliki nilai Cp yang rendah, namun karakteristik yang membuatnya

cocok untuk digunakan pada daerah perkotaan dan perumahan menjadikannya pilihan favorit

sebagai pembangkit listrik tenaga angin. Karena itulah, dilakukan penelitian mendalam untuk

meningkatkan performa dari turbin angin Savonius ini.

Beberapa parameter yang turut berpengaruh pada performa total dari turbin angin

Savonius ini telah disebutkan pada bab 2. Salah satu parameter yang cukup berperan memberi

peningkatan performa secara signifikan adalah faktor desain bucket. Dalam subbab ini, akan

dibahas beberapa desain yang dianggap ideal dan cocok sesuai

3.2.1 Twisted Profile

Pada bucket dengan profil twist, gaya maksimum bergerak menuju ujung bucket, karena

adanya puntiran. Akibat dari perubahan ini, bucket dengan twist memiliki lengan momen

yang lebih panjang sehingga menghasilkan torsi positif. Dengan penambahan sudut puntiran,

energi yang ditangkap pada bagian bawah dari bucket bertambah secara drastis jika

dibandingkan dengan bagian atas. Dampaknya adalah pengurangan terhadap torsi positif.

Dari hasil penelitian U.K Saha menarik kesimpulan bahwa:

1. Sudut puntiran yang lebih besar pada kecepatan angin rendah akan menghasilkan

daya output maksimal dan memiliki karakteristik mulai yang lebih baik.

2. Sudut puntiran optimal adalah 15˚ dengan nilai Cp sebesar 0.14 pada tip speed ratio

0.65

Namun menurut sumber lain, sudut puntiran 45˚ memberikan nilai torsi terbesar sehingga

menyebabkan performa aerodinamis terbaik terjadi pada sudut 45˚ tersebut.


37


3.2.2 Helical Profile

Telah diketahui bahwa turbin angin Savonius memiliki torsi awal yang tinggi,sehingga

dapat berputar secara mandiri tanpa bantuan tambahan. Namun, torsi ini bervariasi pada

setiap sudut putar. Pada beberapa sudut putar, desain Savonius biasa (semi-circular) tidak

dapat mulai berputar secara mandiri, karena nilai coefficient of static torque yang negatif.

Masalah ini dapat diselesaikan dengan profil bucket Helical dengan cara memberikan nilai

coefficient of static torque yang positif pada berbagai macam sudut putar.

Desain Helical ini cukup sederhana. Jika diperhatikan secara seksama, profil bucket bagian

atas dan bawah adalah sama. Yang membedakan adalah perputaran sepanjang sumbu vertikal

sebanyak 90˚ untuk profil bagian bawah.

Gambar 3-2. Nampak depan profil Helical

Gambar 3-1. Savonius dengan profil twist


38


Menurut hasil penelitian yang dilakukan Kamoji, didapatkan bahwa:

1. Savonius Helical dengan menggunakan shaft memiliki nilai coefficient of power

terendah dengan nilai 0.09 pada nilai TSR 0.9

2. Coefficient of power dari Savonius Helical tanpa shaft dengan nilai overlap 0.0

hampir sama dengan profil semi-circular.

3. Nilai coefficient of power tertinggi (Cp ~0.174) didapatkan pada konfigurasi tanpa

shaft dan overlap ratio 0.0.

Gambar 3-3. Model Savonius Helical

3.2.3 Semi-circular Profile

Semi-circular profile merupakan bentuk orisinil dari turbin angin Savonius itu sendiri.

Dengan bentuk sederhana ibarat setengah silinder kosong yang disusun menyerupai huruf S.

Bentuk ini memiliki karakteristik coefficient of static torque yang relatif tinggi pada sudut

rotor tertentu dan menghasilkan coefficient of static torque yang negatif pada sudut rotor 135˚

dan 165˚ dan 315˚ hingga 345˚.

Akibat dari nilai coefficient of static torque yang negatif, maka profil semi-circular ini

tidak dapat mulai berputar secara mandiri. Sehingga, perlu adanya bantuan secara eksternal

untuk dapat mulai berputar. Profil ini dipilih sebagai pembanding terhadap dua desain

lainnya.


39


3.2.4 Kesimpulan

Melihat pembahasan diatas terhadap tiga variasi desain Savonius yang ada, maka dapat

ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1. Twist profile

Meskipun berdasarkan penelitian U.K Saha sudut twist optimal adalah 15˚, namun

terdapat sumber lain, Hussain yang berpendapat bahwa sudut optimal untuk twist

adalah 45˚. Maka dipilih untuk mencoba dengan menggunakan twist sebesar 45˚

2. Helical profile

Karena kurangnya data terhadap profil ini, maka berdasarkan literatur yang ada dapat

ditarik kesimpulan bahwa Helical dengan perbedaan sudut profil atas dan bawah

sebesar 90˚ adalah konfigurasi optimal. Namun penyelidikan untuk geometric

parameter lainnya seperti overlap ratio akan divariasikan guna menyelidiki

dampaknya pada performa.

3. Semi-circular profile

Profil orisinal ini cenderung memiliki coefficient of static torque yang tinggi namun

negatif. Dengan variasi nilai overlap ratio diharapkan terdapat perubahan performa

total yang cukup signifikan sebagai pembanding terhadap dua desain lainnya.

Gambar 3-4. Savonius dengan profil semi-circular


40


3.3 Parameter Yang Digunakan

3.3.1 Variabel Geometric Parameter

Variasi terhadap konfigurasi yang berpengaruh kepada performa turbin angin disebut

sebagai geometric parameter. Secara teori, sangat banyak parameter-parameter yang dapat

kita variasikan untuk mencari performa terbaik. Namun karena keterbatasan waktu dan

perlengkapan yang kurang memadai, maka variabel parameter yang digunakan hanya dampak

overlap ratio pada performa total secara keseluruhan.

Efek overlap ratio itu sendiri, telah banyak dibahas dan diteliti. Namun hingga saat ini,

belum terdapat korelasi yang jelas antara perubahan overlap terhadap performa turbin angin.

Beberapa sumber mengatakan bahwa nilai overlap optimal adalah null, dimana tidak ada

overlap sama sekali. Namun Blackwell et al mencapai kesimpulan bahwa nilai optimal untuk

overlap ratio adalah antara 10 hingga 15%. Lain lagi dengan Alexander dan Holownia,

dengan klaim bahwa nilai 20 hingga 30% merupakan nilai yang optimal.

Secara teori, dampak dari overlap ratio ini adalah sebagai jalur masuk aliran udara yang

telah terpantulkan oleh sisi cekung bucket untuk menumbuk bucket selanjutnya. Momentum

yang didapatkan bucket cembung, membuatnya terbantu untuk mencapai posisi sebagai

advancing bucket.

Gambar 3-5. Angin terpantulkan oleh advancing bucket

Setiap model yang telah disebutkan pada subbab 3.2, akan dites melalui simulasi dengan

variasi nilai overlap ratio yang telah ditentukan sebelumnya.


41


Rangkuman terhadap Variable geometric parameter ini dapat dirangkum sebagai berikut

Model Overlap ratio (e/d)

Twist 45˚ 0.15

0.25

Helical 0.15

0.25

Semi-circular 0.15

0.25

Tabel 3-1. Parameter yang digunakan untuk simulasi

3.3.2 Fixed Parameter

Untuk mempermudah pengambilan data, dan mempersingkat waktu maka digunakan

beberapa geometric parameter yang tetap untuk ketiga model. Adapun parameter ini tidak

hanya pembatasan terhadap bentuk rancang bangun.

Adapun parameter tetap yang digunakan adalah:

1. Aspect ratio (Ar)

2. Profil bucket

3. Pengunaan End plate

4. Tidak adanya Shaft

5. Jumlah stage dan bucket

Dimana pembahasan terhadap empat parameter diatas dapat dilihat pada bab 2. Untuk

mempermudah, maka dapat dirangkum kedalam tabel sebagai berikut:

Aspect ratio Profil bucket Jumlah stage Jumlah

bucket Shaft End plate

2.0

Profil Bucket

Diameter 1 m

Tebal 4 mm

Tinggi

Bergantung

pada jari-

jari rotor

1 2 Tidak ada Ada

Tabel 3-2. Parameter tetap yang digunakan untuk rancang bangun turbin angin


42


3.3.3 Kesimpulan Untuk Dimensi Turbin Angin

Dengan variasi nilai overlap ratio, maka diameter rotor turbin angin akan berubah.

Perubahan diameter ini mempengaruhi ketinggian turbin angin. Dimana korelasi antar

diameter dan tinggi turbin angin dinyatakan dengan Aspect ratio. Dengan kata lain, dimensi

turbin angin akan berubah seiring perubahan overlap ratio.

Dimensi turbin angin untuk ketiga model adalah sama, karena menggunakan spesifikasi

profil bucket yang sama. Maka untuk desain rancang bangun 3D digunakan ukuran yang

diasjikan pada tabel dibawah ini.

Overlap Ratio 0.15 0.25

Diameter Rotor (D) 1.86 m 1.76 m

Diameter End plate (Df) 2.046 m 1.936 m

Tinggi Rotor (H) 3.72 m 3.52 m

Tabel 3-3. Ukuran yang digunakan untuk rancang bangun turbin angin


43


3.4 3D Modeling

Setelah penentuan desain dan parameter yang digunakan, selanjutnya adalah pembuatan

model 3D. Dalam penelitian ini, penulis menggunakan software Solidworks Premium 2012

64-bit pada platform OS Windows 7 Home Premium 64-bit untuk Notebook dan Solidworks

Premium 2012 32-bit pada platform OS Windows 7 Home Premium 32-bit untuk PC

Desktop.

Spesifikasi workstation yang digunakan untuk keperluan 3D Modeling dan Simulasi adalah:

Notebook ASUS-A43SJ

Processor Intel® Pentium® Dual-Core B950 @2.1 GHz

RAM 6 GB DDR3 1333 MHz

VGA GeForce GT520M CUDA™ 1 GB

HDD 320 GB 5400 RPM

PC Desktop

Processor Intel® Core i3-2100K @3.1 GHz

RAM 4 GB DDR3 1333 MHz

VGA GeForce GT220 512MB

HDD 320GB 7200 RPM

Tabel 3-4. Spesifikasi Workstation yang digunakan

Rekomendasi yang disarankan oleh Solidworks untuk Workstation khusus simulasi CFD

adalah Processor dengan speed yang tinggi, dengan multiple cores. Mengingat simulasi CFD

lebih mengarah kepada proses serial daripada parallel maka, menonaktifkan hyper-threading

merupakan rekomendasi. RAM yang disarankan adalah minimum 8GB. Untuk menghasilkan

simulasi yang bagus, spesifikasi komputer patut dilihat. Karena kualitas simulasi bergantung

kepada meshing awal, yang tentu saja meshing dengan kualitas tinggi akan memakan RAM

cukup banyak.


3.4.1 Tw

wisted 45˚

G

Savonius

Gambar 3-6. Re

endering 3D T

Twisted Savoniu

us Menggunak

U

kan Photoview

Universitas In

w 360

44

ndonesia Desain vertical..., Aditya Indra Bayu, FT UI, 2012

3.4.2 H

Helical Savo

onius

Gambar 3-7

. Rendering 3D

D Helical Savo

onius Menggun

U

nakan Photovie

Universitas In

ew 360

45

ndonesia Desain vertical..., Aditya Indra Bayu, FT UI, 2012

3.4.3 Se

emi-circula

ar

Gambar 3

3-8. Rendering

g 3D Semi-circ

cular Savonius

U

Menggunakan

Universitas In

n Photoview 36

46

ndonesia

60


47


3.5 Simulasi dan Batasan Masalah

Simulasi CFD yang digunakan adalah Flow Simulation yang merupakan add-ons pada

Solidworks Premium 2012. Flow simulation dianggap mampu menggambarkan secara detil

kondisi secara real ketika turbin dikondisikan pada luar ruangan. Hal ini dilakukan dengan

melakukan simulasi external flow.

Namun Flow simulation memiliki batasan yang membuatnya kurang efektif dalam menilai

performa turbin angin yang merupakan alat pengubah energi kinetik yang terdapat pada angin

untuk kemudian dirubah menjadi energi listrik. Pada Flow simulation, penulis tidak dapat

menerapkan sliding mesh yang umum digunakan pada Fluent. Dengan metode sliding mesh

ini, kita dapat mencari putaran (RPM) yang dihasilkan turbin angin secara real ketika

diaplikasikan suatu fluida dengan kecepatan tertentu. Hal ini sangat krusial, karena dari

angular velocity ini, kita dapat mencari daya output dari turbin angin untuk kemudian

mendapatkan coefficient of power.

3.5.1 Pendekatan untuk mencari nilai RPM

Untuk mengatasi keterbatas Flow simulation, penulis menggunakan metode penetapan

TSR dengan range ~1.0. Beberapa jurnal mengenai simulasi CFD yang tidak menggunakan

Fluent, menerapkan teknik ini. Perlu dicatat, meskipun Flow simulation terbatas pada output

angular velocity, namun tidak berarti kita tidak dapat memberikan angular velocity pada

benda.

Pendekatan dilakukan dengan cara sebagai berikut:

1. Membuat plot nilai λ dari 0.1 hingga 1.0.

2. Mencari nilai ω untuk free stream velocity tertentu

3. Menerapkan putaran sebesar nilai ω yang didapatkan


48


Hasilnya adalah tabel dibawah ini. Nilai angular velocity inilah yang kita masukkan sebagai

nilai putaran pada benda.

λ 0.25 0.15 ω ω

0.1 0.238636 0.2258060.2 0.477273 0.4516130.3 0.715909 0.6774190.4 0.954545 0.9032260.5 1.193182 1.1290320.6 1.431818 1.3548390.7 1.670455 1.5806450.8 1.909091 1.8064520.9 2.147727 2.0322581 2.386364 2.258065

3.5.2 Pembatasan Masalah Untuk Settingan Simulasi

Selama simulasi, diberikan kondisi awal yang akan digunakan untuk semua model dan parameter. Kondisi ini diambil dengan dasar penelitian untuk menghasilkan desain turbin angin Savonius yang mampu menghasilkan daya output yang sesuai untuk daerah perkotaan ataupun perumahan.

Data statistik angin yang digunakan hanya data angin kota Jakarta. Data ini diambil selama periode 7 tahun dari 2000 hingga 2007.

Daerah Elevasi (m) Tahun Kecepatan angin (m/s)

DKI Jakarta 9 m

2000 3.0 2001 2.7 2002 2.3 2003 2.3 2004 2.1 2005 2.1 2006 2.1 2007 2.1

Tercatat bahwa kecepatan angin maksimum pada tahun 2000 sebesar 3.0 m/s, dan

kecepatan terendah pada 2.1 m/s pada tahun 2007. Kecepatan minimum inilah yang kita

gunakan sebagai free stream velocity pada simulasi.

Tabel 3-5. Nilai kecepatan angular yang didapatkan dari tip speed ratio

Tabel 3-6. Kecepatan angin daerah DKI Jakarta periode 2000-2007


49


3.5.2.1 Perhitungan Energi Potensial Angin dan Penentuan Performa

Ketika angin bergerak akibat adanya perbedaan tekanan, angin memiliki energi kinetik.

Semakin besar kecepatan angin, makin besar pula energi kinetiknya. Untuk menghitung

banyaknya energi yang terdapat pada angin yang bergerak dengan kecepatan 2.1 m/s yang

dapat dikonversi kan oleh turbin angin secara ideal digunakan rumus:

= 12 ⋯ (2.4)

Energi angin yang dapat dikonversi oleh turbin angin bergantung kepada swept area dari

turbin angin tersebut. Untuk setiap nilai overlap ratio, berarti memiliki swept area yang

berbeda. Dengan merujuk kepada dimensi rancang bangun model 3D pada subbab 3.3.3, dan

rumus swept area (2.6) bisa didapatkan nilai swept area untuk masing-masing overlap ratio.

Dengan densitas angin adalah 1.2 kg/m3. Maka nilai P adalah

Overlap

ratio

Pmax (Watt)

0.15 38.45

0.25 34.42

Perhitungan coefficient of power dari sebuah turbin angin dengan overlap ratio 0.15,

berarti nilai Pmax harus merujuk kepada nilai Pmax untuk overlap ratio tersebut.

= = ⋯ (2.7)

Dimana, Ptheoritical adalah Pmax, dan Pactual adalah hasil kali torsi yang didapatkan dari

hasil simulasi terhadap angular velocity untuk tiap tip speed ratio. Performa juga dapat

dilihat dengan plotting antara Cm dan tip speed ratio. Dimana, Cm dinyatakan dengan:

= 0.5

Tabel 3-7. Nilai daya yang dapat di ekstrak dari angin


50


3.5.2.2 Perhitungan Turbulence Intensity

Salah satu parameter yang mempengaruhi performa turbin angin, selain dari geometric

parameter adalah kualitas angin. Kualitas angin ini diwakili dengan nilai Turbulence

intensity, penjelasan mendalam dapat dilihat pada subbab 2.2.7.

Turbulence intensity didapatkan melalui rumus = 0.16

Dengan Re

Untuk free stream velocity 2.1 m/s dengan turbin angin berdiameter 1 m dengan overlap ratio 0.25, bilangan Reynold yang didapatkan adalah

= (1.2)(2.1)(1.86)1.73 × 10 =256369.9

Maka nilai I = 3.37% (untuk turbin angin dengan overlap ratio 0.25).

Nilai I ini merupakan salah satu setting pada simulasi yang harus dimasukkan agar mendapat hasil yang akurat. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel dibawah ini

Overlap ratio Turbulence Intensity 0.15 3.35% 0.25 3.37%

Tabel 3-8. Nilai Turbulence intensity


51


3.6 Meshing dan Goals setting

Sebelum model 3D disimulasikan, terlebih dahulu melalui proses meshing. Setting

meshing ini menggunakan kemampuan Flow Simulation untuk menghasilkan meshing secara

otomatis berdasarkan bentuk geometri benda awal.

3.6.1 Automatic Setting Initial Mesh

Meshing default ini, masih pada tingkat kasar. Sehingga, ekspetasi hasil simulasi dapat

dipastikan tidak akurat. Untuk meningkatkan akurasi hasil simulasi, diperlukan meshing

refinement. Meshing refinement ini dapat dilakukan sepenuhnya otomatis ataupun manual.

Rekomendasi untuk standard meshing otomatis adalah level 5 . Dengan opsi optimize thin

wall resolutions dan advance narrow channel refinement. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada

gambar di atas. Hasilnya dapat dilihat pada gambar dibawah.

Gambar 3-9. Setting Initial Mesh


3.6.2 M

Selai

mengatu

ada baik

Centang

Manual Sett

in menggun

ur initial me

knya kita m

g opsi show

ting Initial

nakan fitur m

esh secara m

mengatur sen

w basic mesh

G

Gambar 3-

Mesh

meshing oto

manual. Jika

ndiri. Pada m

h untuk mem

Gambar 3-10. H

-11. Pengatura

omatis dari F

a dirasa inti

menu initial

mbuat cell m

Hasil meshing

n cell secara m

Flow simul

ial mesh oto

l mesh, unc

meshing vis

otomatis level

manual

U

ation, kita j

omatis kuran

heck opsi a

ible.

5

Universitas In

uga dapat

ng memuas

utomatic se

52

ndonesia

skan,

ettings.


53


Dengan mengubah banyaknya cell pada setiap sumbu yang dibatasi dengan plane, kita

dapat mengatur tingkat konsentrasi cell. Gambar diatas menunjukkan penambahan jumlah

cell pada plane sumbu X yang terletak diantara turbin angin.

Jika kita memperhatikan tab lain pada gambar 3-11 diatas, dapat kita lihat tab Solid/fluid

interface, Refining cells, dan Narrow channel. Untuk menambah tingkat keakuratan dari

meshing kita, disarankan menaikkan level ketiga parameter tersebut setidaknya level 3.

Setelah memastikan meshing yang kita set telah sesuai, langkah selanjutnya adalah set

goals.

3.6.3 Goals Setting

Goals setting adalah tujuan utama dari simulasi ini. Tanpa

memberikan goals terlebih dahulu, simulasi tidak akan

mengambil data apapun. Goals dalam simulasi ini adalah Torque

(Torsi).

Jika kita ingin mencari suatu parameter tertentu pada titik

tertentu dari model kita, maka Insert point goals yang kita pilih.

Terdapat pula Insert equations goals untuk memasukkan rumus

dari parameter yang ingin kita cari.

Gambar 3-12. Hasil meshing dengan pengaturan manual

Gambar 3-13. Pemilihan Goals


54


BAB IV

HASIL SIMULASI DAN ANALISA

4.1 Pengolahan Data

Data yang didapatkan dari hasil Simulasi merupakan format microsoft excel. Data yang

terdapat didalam ini merupakan hasil yang telah kita pilih sebelumnya pada simulasi. Dalam

Flow simulation, hasil keluaran yang kita inginkan disebut sebagai Goals. Goals dalam

simulasi ini adalah Torque (Torsi).

Dari setiap TSR mulai dari 0.1 hingga 1.0 didapatkan torsi masing-masing. Torsi ini

dikalikan dengan angular velocity untuk mendapatkan daya keluaran actual (Pactual). =

Sebagai contoh, kita akan membahas untuk Model Helical dengan overlap 0.15. Data yang

yang diapatkan adalah sebagai berikut:

TSR λ ω (rad/s) Torque (Nm) Pactual (Watt) 0.1 0.225806452 1.408630238 0.318077796 0.2 0.451612903 2.003349595 0.904738527 0.3 0.677419355 1.959577021 1.327455401 0.4 0.903225806 2.182229052 1.971045595 0.5 1.129032258 1.106821089 1.249636714 0.6 1.35483871 2.000860702 2.710843532 0.7 1.580645161 1.854085223 2.930650836 0.8 1.806451613 1.043633795 1.885273953 0.9 2.032258065 1.526646587 3.102539837

1 2.258064516 2.441078138 5.512111925

Dari nilai Pactual yang didapat, kita membandingkannya denga nilai Pmax , dari sini kita

mendapatkan nilai coefficient of power (Cp). Nilai Pmax haruslah sesuai dengan

Overlap ratio Pmax (Watt)

0.15 38.45

0.25 34.42

Tabel 4-1. Pengolahan data melalui excel

Tabel 4-2. Pmax yang digunakan


55


TSR λ Cp 0.1 0.0026009680.2 0.0052019360.3 0.0078029040.4 0.0104038710.5 0.0130048390.6 0.0156058070.7 0.0182067750.8 0.0208077430.9 0.023408711

1 0.026009678 Sedangkan untuk mencari nilai Ct (coefficient of Torque) kita menerapkan rumus:

= 0.5

TSR λ Ct 0.1 0.0827310120.2 0.117659790.3 0.115088960.4 0.1281656550.5 0.0650052980.6 0.1175136140.7 0.1088932650.8 0.0612942110.9 0.0896622921 0.143368258

Hasil plotting tabel diatas, akan memperlihatkan trend nilai Cp dan Ct.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Cp

λ

Helical @e0.15

Tabel 4-3. Nilai Cp terhadap Tip speed ratio

Tabel 4-4. Nilai Ct terhadap Tip speed ratio

Grafik 4-1. Plot nilai Cp terhadap Tip speed ratio pada Helical dengan e=0.15


56


Untuk mencari nilai Cp dan Ct lainnya, dilakukan pengulangan terhadap langkah-langkah diatas. 4.2 Analisa Grafik

Pada penelitian ini, terdapat dua topik yang dapat dibahas untuk turbin angin Savonius.

Pertama adalah pengaruh geometri Bucket terhadap performa turbin angin. Kedua adalah

pengaruh Overlap ratio terhadap performa turbin angin. Untuk analisa pengaruh geometri

Bucket dilakukan dengan cara melakukan plotting data simulasi ketiga model turbin angin

pada satu grafik untuk dibandingkan. Sedangkan analisa pengaruh Overlap ratio dilakukan

dengan cara melakukan plotting setiap model turbin angin terhadap variasi Overlap ratio.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ct

λ

Helical @e0.15

Grafik 4-2. Plot nilai Ct terhadap Tip speed ratio pada Helical dengan e=0.15


57


4.2.1 Analisa Pengaruh Geometri Bucket


Dari grafik diatas dapat kita lihat bahwa dari ketiga model tersebut, nilai Cp tertinggi

~0.35 dipegang oleh model dengan Bucket profil Twist 45˚. Jika kita bandingkan dengan

tabel milik U.K. Saha[2] pada penelitiannya terhadap turbin angin Savonius Twist dengan

multiple stage dan multiple blades, terlihat bentuk trend kurva yang sesuai. Patut dicatat,

Aspect ratio yang digunakan U.K. Saha[2] adalah 1.58. Sedangkan Aspect ratio yang

digunakan dalam penelitian ini adalah 2.0, artinya memiliki tinggi rotor yang berebeda. U.K.

Saha[2] dengan tinggi rotor 0.173 m, sedangkan penulis menggunakan tinggi 3.52 dan 3.72

m. Hasilnya adalah Swept area yang lebih luas, sehingga dengan kecepatan angin yang

rendah (2.1 m/s) tetap mampu memberikan performa yang cukup.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Cp

λ

Perbandingan efek profil bucket @e0.25

Helical

Twist 45

Semi-circular

Grafik 4-4. Percobaan U.K.

Saha [2]

Grafik 4-3. Efek profil Bucket terhadap perfroma.


58


Penelitian lain yang melakuan percobaan terhadap performa model Twist adalah

Alexander & Holownia[6]. Dimana disebutkan, dengan Aspect ratio 2.4, nilai Overlap ratio

yang optimum adalah 0.30.

Sedangkan bentuk Helical menempati posisi kedua tertinggi untuk nilai Cp ~0.25. Untuk

grafik dapat kita bandingkan dengan hasil penelitian Kamoji[3] . Dapat kita lihat pada grafik

yang bertanda bintang, merupakan Overlap ratio terbesar pada penelitian Kamoji[3] dengan

nilai Cp maksimum sebesar 0.12. Kamoji[3] menggunakan Overlap ratio 0.16 dan Aspect

ratio 1.0.

Trend grafik yang didapat adalah sama, namun perbedaan parameter dan konfigurasi yang

digunakan menghasilkan Cp yang berbeda. Nilai Cp untuk Semi-circular merupakan yang

terendah dengan nilai maksimum ~0.16.

Grafik 4-5. Percobaan Kamoji[3] terhadap performa Savonius Helical.


59



Untuk nilai Ct, didapatkan Twist merupakan yang paling tinggi pada Tip speed ratio 0.2.

Sedangkan Helical dan Semi-circular masing-masing memilki nilai Ct tertinggi pada Tip

speed ratio 0.3 dan 0.1. Nilai Ct ini mempengaruhi torsi yang dihasilkan sebuah turbin angin.

Semakin besar nilai Ct, maka semakin besar pula torsi yang dihasilkan pada Tip speed ratio

tersebut. Torsi mempengaruhi daya output yang dihasilkan turbin angin, maka cukup jelas

bahwa Twist 45 menghasilkan daya output yang paling optimum.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ct

λ

Semi-circularHelical

Twist 45

Grafik 4-6. Efek profil Bucket pada nilai Ct.


60


4.2.2 Analisa Pengaruh Overlap ratio


Dari grafik diatas, dapat kita lihat bahwa peningkatan Overlap ratio dari 0.15 ke 0.25

menambah performa dari turbin angin. Ini berlaku untuk semua turbin angin, namun

peningkatan efisiensi berbeda-beda untuk setiap modelnya. Peningkatan yang terjadi adalah:

1. Twist 45 mengalami peningkatan dari nilai Cp 0.29 menjadi 0.35.

Peningkatan efisiensi yang terjadi adalah sebesar 20.7%.

2. Helical mengalami peningkatan dari nilai Cp 0.22 menjadi 0.25.

Peningkatan efisiensi sebanyak 13.6%.

3. Semi-circular mengalami peningkatan nilai Cp 0.15 menjadi 0.16.

Peningkatan efisiensi sebanyak 6.25%.

Nilai Cp tertinggi diraih oleh model Twist 45.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Cp

λ

Cp Comparison with Overlap ratio Variable

Twist 45 e0.15

Twist 45 e0.25

Helical e0.15

Helical e0.25

Semi-circular e0.15

Semi-circular e0.25

Grafik 4-7. Pengaruh Overlap ratio terhadap Cp


61



Grafik coefficient of Torque menunjukkan bahwa nilai Ct tertinggi dipegang oleh Twist 45

dengan Overlap ratio 0.25. Penambahan terhadap nilai Overlap ratio juga berpengaruh

kepada nilai Ct, hal ini dikarenakan Ct dan Cp saling mempengaruhi berdasarkan rumus torsi.

Dimana semakin besar nilai torsi maka semakin besar daya yang dihasilkan. Meskipun

peningkatan signifikan hanya terjadi pada model Twist 45, tidak seperti grafik Cp dimana

terdapat peningkatan yang signifikan terhadap hampir semua model. Untuk model Semi-

circular, grafik untuk nilai Overlap ratio 0.15 dan 0.25 hampir memiliki trend yang sama

namun mengalami penurunan drastis untuk nilai maksimum Ct. Sedangkan untuk model

Helical, masih terlihat penambahan yang signifikan.

Peningkatan yang terjadi adalah:

1. Twist 45 mengalami peningkatan Ct-0.44 pada λ=0.7, menjadi Ct-1.02

pada λ=0.2. Peningkatan yang terjadi sebesar 132%.

2. Helical mengalami peningkatan Ct-0.32 pada λ=0.7, menjadi Ct-0.48

pada λ=0.3. Peningkatan yang terjadi sebesar 50%.

3. Semi-circular mengalami penurunan nilai maksimum Ct-0.6 pada

λ=0.1, menjadi Ct-0.4 pada λ=0.1. Terjadi penurunan sebesar 33.3%.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ct

λ

Ct Comparison with Overlap Ratio Variable

Twist 45 e0.15

Twist 45 e0.25

Helical e0.15

Helical e0.25

Semi-circular e0.15

Semi-circular e0.25

Grafik 4-8. Pengaruh Overlap ratio terhadap Ct


62


4.2.3 Analisa Pada Kondisi Statis (Tanpa Putaran)

Selain simulasi dengan menerapakan putaran pada turbin angin, dilakukan juga simulasi

terhadap turbin angin dalam keadaan statis tanpa putaran namun dengan variasi sudut rotor.

Sudut rotor yang digunakan adalah 30˚, 60˚, 90˚ hingga 360˚. Simulasi dilakukan untuk setiap

sudut rotor sehingga mendapatkan nilai torsi untuk sudut rotor tersebut. Dari sini dilakukan

plotting terhadap nilai Coefficient of Torque (Cts) dan Sudut rotor.

Tujuan terhadap simulasi ini adalah, untuk mengetahui performa turbin angin dalam

kemampuan berputar secara mandiri. Perlu diketahui, telah banyak penelitian yang

menyatakan bahwa Savonius Semi-circular memiliki nilai Cts yang negatif. Dengan kata lain,

menghilangkan kemampuan berputar secara mandiri tanpa bantuan tambahan. Selain itu, nilai

maksimum dari suatu torsi dapat diketahui terdapat pada sudut rotor yang mana.

4.2.3.1 Twist 45˚

Seperti grafik Coefficient of Torque sebelumnya, terlihat dengan jelas dampak

penambahan Overlap Ratio terhadap nilai Cts. Semua nilai Cts berada diatas 0, dengan kata

lain tidak ada kasus torsi negatif. Twist 45˚ memiliki kemampuan untuk berputar secara

mandiri. Trend yang diperlihatkan menunjukkan bahwa pada sudut tertentu, nilai Cts

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Cts

Rotor angle (degree)

Twist 45 Coefficient of Static Torque

Twist 45 e0.15

Twist 45 e0.25

Grafik 4-9. Koefisien Torsi Statik Twist 45.


63


bertambah secara drastis. Sudut-sudut ini berada di range 105˚-210˚ dan 270˚-330˚. Nilai Cts

maksimum adalah 0.73 pada sudut rotor 150˚.

4.2.3.2 Helical

Dibandingkan dengan model Twist 45˚, Helical memiliki nilai Cts yang cenderung stabil.

Ini dapat dilihat melalui trend pada grafik diatas. Meskipun penambahan Overlap Ratio

menaikkan performa dan Cts secara keseluruhan, namun pada sudut rotor 210˚-270˚ terlihat

mengalami penurunan. Hal ini diperkirakan akibat kontur Helical, sehingga udara yang

mengalir sepanjang kontur Bucket mengarah keatas dan mengenai end plate bagian atas.

Akibatnya adalah udara kehilangan momentum untuk mendorong Bucket bagian cembung ke

posisi advancing Bucket. Helical memiliki range sudut rotor yang lebih luas dimana pada

sudut-sudut ini nilai torsi cenderung naik dan memiliki nilai tinggi. Sudut-sudut yang

dimaksud adalah 60˚-210˚ dan 270˚-330˚. Nilai maksimum Cts dicapai pada sudut rotor 150˚.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Cts


Helical Coefficient of Static Torque

Helical e0.15

Helical e0.25

Grafik 4-10. Koefisien Torsi Statik Helical.


64


4.2.3.2 Semi-circular

Semi-circular memiliki nilai Cts yang negatif, artinya adalah tidak adanya kemampuan

untuk mulai berputar secara mandiri. Agar dapat mulai berputar, harus terdapat bantuan

tambahan dari motor listrik yang memutar turbin angin hingga mencapai tip speed ratio

tertentu sehingga dapat mengatasi Cts yang negatif ini. Untuk trend grafik, terlihat bahwa

pada Overlap Ratio 0.25 justru mengurangi performa dari profil Semi-circular ini. Hal ini

sesuai dengan analisa pada subab 4.2.2 dimana terdapat pengurangan sebesar 33.3% terhadap

nilai Coefficient of Torque. Namun nilai Cts maksimum bertambah menjadi 0.6 dari nilai 0.56

pada sudut rotor 120˚.

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Cts


Semi-circular Coefficient of Static Torque

Semi-circular e0.15

Semi-circular e0.25

Grafik 4-11. Koefisien Torsi Statik Semi-circular.


4.3 Ana

4.3.1 Tw

momen

gambar

dibandi

adalah

cembun

untuk m

ratio se

kecepat

alisa Kualit

wist 45˚

(a)

Performa T

n puntir yan

r 4-1, lingk

ingkan free

rendah. Pe

ng adalah cu

melaju menj

eperti yang

tan udara ya

tatif

Twist sep

g lebih ting

karan mera

stream velo

erbedaan te

ukup tinggi

jadi advanc

g telah dib

ang melalui

Gambar 4-Overlap rat

erti yang t

ggi akibat k

h menanda

ocity. Ini m

ekanan pada

i, perbedaan

cing Bucket

bahas sebel

nya.

-1. (a) Overlap tio 0.25.

(c)

telah dibah

kontur Twist

akan bahwa

mengindikasi

a Bucket s

n tekanan i

t. Lingkaran

lumnya, da

ratio 0.15. (b)

(b)

has sebelum

t yang dimi

a terdapat

ikan bahwa

ebelah kan

ni akan me

n kuning m

an untuk ha

Close up untuk

U

mnya, bahw

likinya. De

kecepatan

a pada bagia

nan untuk b

embantu Bu

enunjukkan

al ini berh

k Overlap ratio

Universitas In

wa Twist m

ngan meruj

yang relati

an tersebut,

bagian ceku

ucket sebela

n efek dari

hasil menin

o 0.15. (c).

65

ndonesia

memiliki

juk pada

if tinggi

tekanan

ung dan

ah kanan

Overlap

ngkatkan


lingkara

gelap. H

bagian

jelasnya

kecepat

tekanan

4-3 dib

sumbu

cekung

Bucket

dapat di

Untuk seti

an merah p

Hal ini men

cekung ad

a dapat kita

tan angin p

n yang lebih

Klarifikasi

bawah ini.

Y, kecepata

yang mene

. Untuk leb

ilihat pada g

Ga

iap nilai O

pada nilai O

nunjukkan b

alah lebih

a lihat pada

pada lingka

h rendah dib

terhadap le

Dengan me

an angin pa

erima angin

bih mempre

gambar 4-4

ambar 4-2. Cu

Gambar

Overlap rat

Overlap rati

bahwa tekan

tinggi diba

gambar 4-2

aran merah

bandingkan

engan mom

enggunakan

ada Bucket s

n. Dengan k

sentasikan m

.

t plot tekanan

4-3. Flow traj

tio dapat k

io 0.25 mem

nan pada Ov

andingkan d

2. Cukup je

lebih cepa

dengan nila

men yang leb

n flow traje

sisi cembun

ecepatan an

mengenai d

untuk Twist 4

ectory untuk T

kita lihat b

miliki inten

verlap ratio

dengan Ove

las bahwa u

at karena p

ai Overlap r

bih panjang

ectroy dapa

ng relatif tin

ngin tertingg

distribusi tek

5 dengan Over

Twist 45 denga

U

bahwa kece

nsitas warna

o 0.25 untuk

erlap ratio

untuk nilai

pada daerah

ratio 0.15.

g dapat kita

at kita lihat

nggi diband

gi terdapat

kanan pada

rlap ratio 0.15 d

an Overlap ratio

Universitas In

epatan ang

a merah yan

k Bucket sis

0.15. Untu

Overlap rat

h tersebut,

a lihat pada

t bahwa se

dingkan den

pada bagian

a permukaan

dan 0.25

o 0.15

66

ndonesia

gin pada

ng lebih

si kanan

uk lebih

tio 0.25,

terdapat

gambar

epanjang

ngan sisi

n bawah

n Bucket


67


Advancing Bucket yang menerima angin memiliki tekanan yang tinggi dibandingkan

dengan returning Bucket yang bagian cekungnya tidak menerima angin secara langsung.

Pada permukaan 1, tekanan yang diterima pada bagian cekung Bucket merata, namun pada

bagian bawah terdapat tekanan yang cukup tinggi jika dibandingkan dengan bagian atas. Hal

ini di interpretasikan sebagai jalur udara yang lewat dari bawah mengikuti kemiringan akibat

kontur Twist menuju keatas. Permukaan 2, tentu saja memiliki tekanan yang rendah

dibandingkan permukaan 1. Sama halnya dengan permukaan 3 dan 4, dimana returning

Bucket berputar pada sumbu Y untuk menjadi advancing Bucket.

1

2

3

4

Gambar 4-4. Surface plot tekanan untuk Twist 45 dengan Overlap ratio 0.15.


68


4.3.2 Helical

Akibat dari kontur Helical, maka peninjauan terhadap kecepatan dan tekanan tidak dapat

ditinjau secara dua dimensi saja. Maka, digunakan pendekatan dengan menggunakan surface

plot untuk memetakan kontur tekanan pada turbin angin.

Pada Overlap ratio 0.15, tekanan pada permukaan advancing Bucket adalah merata untuk

bagian cekung. Lingkaran hitam menandakan tekanan yang lebih rendah dibandingkan pada

permukaan pada lingkaran merah. Artinya model Helical tidak memiliki masalah untuk

berputar secara mandiri. Karena perbandingan tekanan yang cukup berbeda antara sisi cekung

dan cembung dari Bucket. Angin yang masuk ke bagian cekung advancing Bucket, kemudian

melalui celah overlap antara Bucket dan menumbut bagian cekung returning Bucket.

Lingkaran biru memperlihatkan perbedaan gradasi tekanan pada bagian dekat celah overlap

dan bagian tengah permukaan cekung. Hal ini menandakan adanya perubahan kecepatan

secara signifikan dari udara yang melalui celah tersebut, dimana kecepatan udara ketika baru

melalui celah overlap adalah rendah, begitu melalui celah tersebut, kecepatan naik kembali.

Lingkaran kuning, merupakan tekanan terendah pada keseluruhan surface plot dimana

kecepatan udara paling tinggi. Dengan perbandingan tekanan pada permukaan lingkaran biru,

Gambar 4-5. Cut plot model Helical Overlap ratio 0.15


69


maka tidak terdapat kesulitan yang berarti untuk returning Bucket menempati posisi

advancing Bucket.

Untuk Overlap ratio 0.25, terlihat pada lingkaran kuning dimana tekanan berkurang

drastis jika kita bandingkan dengan lingkaran kuning pada Overlap ratio 0.15. Sedangkan

lingkaran biru memiliki gradasi warna yang lebih gelap dibandingkan dengan lingkaran biru

untuk Overlap ratio 0.15, artinya tekanan bertambah seiring perubahan lebar celah. Pada

lingkaran hitam terlihat bahwa tekanan semakin berwarna biru, dibandingkan dengan

lingkaran hitam pada Overlap ratio 0.15, sekali lagi berarti pengurangan tekanan. Lingkaran

warna merah pun memperlihatkan gradasi warna yang lebih gelap, yang berarti tekanan

tinggi. Kenaikan tekanan inilah yang menyebabkan pertambahan efisiensi pada turbin angin

model Helical.

Dengan melihat cut plot kecepatan pada gambar 4-7, terlihat pada lingkaran kuning untuk

Overlap ratio 0.25 memiliki kontur kecepatan yang lebih panjang dibandingkan Overlap

ratio 0.15. Artinya, overlap tersebut secara efektif bertindak sebagai nozzle yang

mempercepat aliran udara yang melaluinya, dengan kata lain terdapat perbedaan tekanan

yang cukup tinggi antara sisi cekung kedua Bucket diantara celah overlap.

Gambar 4-6. Surface plot model Helical Overlap ratio 0.25


70


Klarifikasi terhadap pertambahan tekanan dapat kita lihat pada gambar 4-8. Terlihat pada

lingkaran merah pada kedua Overlap ratio, dimana lingkaran merah pada Overlap ratio 0.25

memiliki tekanan yang lebih rendah dibanding dengan lingkaran merah pada Overlap ratio

0.15. Untuk perbedaan tekanan pada sisi cekung kedua Bucket itu sendiri dapat dilihat dari

gradasi pada lingkaran kuning.

Gambar 4-8. Cut plot tekanan model Helical Overlap ratio 0.15 dan 0.25.

Gambar 4-7.Cut plot kecepatan model Helical Overlap ratio 0.15 dan 0.25.


71


4.3.3 Semi-circular

Cut plot diatas diambil pada saat turbin angin sedang dalam keadaan statis (tanpa diberi

putaran). Pada gambar cut plot dapat kita lihat dua lingkaran kuning dan merah yang

diberikan sebagai tanda tempat analisa yang dilakukan. Telah kita ketahui bahwa tujuan dari

Overlap ratio adalah agar memberikan celah masuk untuk udara agar menumbuk Bucket

selanjutnya dan memberikan dorongan tambahan agar menjadi posisi advancing Bucket.

Penyempitan Overlap ratio mengakibatkan penambahan kecepatan akibat efek seperti nozzle.

Gambar 4-9. Cut plot kecepatan untuk Semi-circular dengan e 0.15 (atas) dan 0.25 (bawah).


72


Secara teori, semakin kecil Overlap ratio-maka akan semakin besar kecepatan angin yang

keluar melalui celah overlap tersebut. Dengan merujuk pada gambar 4-9, dapat kita lihat

bahwa warna kontur kecepatan pada lingkaran kuning pada Overlap ratio 0.15 lebih tua

warnanya dibandingkan dengan lingkaran kuning pada Overlap ratio 0.25. Hal ini

mengindikasikan bahwa pada Overlap ratio 0.15 kecepatan udara masuk lebih tinggi

dibanding pada Overlap ratio 0.25. Artinya terdapat penambahan kecepatan pada Overlap

ratio 0.15. Hal ini juga didukung pada lingkaran merah pada Bucket sebelah kanan yang

menunjukkan kecepatan udara cenderung lebih cepat pada Overlap ratio 0.15. Jika kita

analisa pada Bucket sebelah kanan, dimana terdapat kecepatan angin rendah berarti tekanan

adalah tinggi. Berarti, pada Bucket sebelah kanan, sisi cembung memiliki tekanan yang relatif

rendah dibandingkan sisi cekung . Perbedaan tekanan ini mengindikasikan bahwa Bucket

terdorong maju ke posisi advancing Bucket lebih efisien dibandingkan dengan nilai Overlap

ratio 0.25.

Gambar 4-10 membuktikan hal ini, dimana gambar Overlap ratio 0.15 memiliki tekanan

yang relatif tinggi sedangkan Overlap ratio 0.25 memiliki tekanan yang rendah setelah

melewati turbin angin.

Dengan ini cukup jelas, mengapa Semi-circular mengalami penurunan nilai Ct akibat

perubahan nilai Overlap ratio dari 0.15 menjadi 0.25.

Gambar 4-10. Cut plot tekanan untuk Semi-circular dengan e 0.15 dan 0.25.


73


BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil simulasi yang dilakukan, didapatkan nilai Torsi. Dari Torsi ini, dikalikan

dengan kecepatan angular didapatkan daya output turbin angin actual (Pactual). Dengan

perbandingan dengan energi kinetik total yang dapat diekstrak dari angin oleh turbin angin,

didapatkan nilai Cp. Untuk nilai Ct, didapatkan melalui perbandingan Torsi terhadap gaya

momentum yang terdapat pada angin yang dapat diekstrak oleh turbin angin.

Kedua nilai ini mewakili performa dari turbin angin Savonius. Dari pengolahan data dan

plotting, didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1. Bentuk profil bucket ternyata berpengaruh secara signifikan terhadap performa

turbin angin.

2. Overlap Ratio turut menyumbang kepada kenaikan nilai Cp,Ct dan Cts dengan

pengecualian profil Semi-circular yang mengalami pengurangan nilai Ct dan Cts.

3. Model yang memiliki performa paling tinggi adalah Twist 45˚, hal ini dikarenakan

kontur Twist 45˚ yang menyebabkan angin memberikan gaya lebih banyak akibat

perpanjangan lengan momen. Nilai Cp tertinggi dengan nilai 0.35 dipegang pada

Overlap Ratio 0.25 dan nilai λ=0.4.

4. Bentuk Semi-circular dengan 0.25 mengalami penurunan nilai Ct menjadi 0.4

pada λ=0.1 dari nilai Ct semula 0.6 pada λ=0.1. Penyebabnya diasumsikan karena

pada Semi-circular, penyempitan justru membantu udara untuk mempertinggi

tekanan sehingga kecepatan bertambah. Namun semakin besar nilai Overlap

Ratio, udara justru kehilangan tekanan ketika melalui celah antara bucket.

5. Secara keseluruhan, Helical memilki performa yang cukup baik pada setiap

konfigurasi dan cenderung stabil pada nilai Cp tertinggi dengan λ=0.7 untuk

kedua nilai Overlap Ratio. Nilai Cp tertinggi yang diraih adalah 0.25 pada

Overlap Ratio 0.25.


74


6. Desain yang paling cocok untuk daerah perkotaan dan pemukiman adalah Twist

45˚, karena memiliki nilai Cp dan Ct yang tinggi untuk kecepatan rendah dan Tip

speed ratio rendah. Dimana tip speed ratio rendah, berarti kecepatan angular

adalah rendah, yang merupakan salah satu karakteristik yang diinginkan dengan

alasan keamanan.

5.2 Saran

Beberapa saran yang ditujukan untuk penelitian selanjutnya adalah:

1. Menambah kualitas meshing. Mengatur kerapatan meshing secara manual,

dengan memprediksi pola dan karakteristik aliran sehingga mempercepat

perhitungan dengan menggunakan meshing seperlunya saja.

2. Untuk perbandingan, ada baiknya dilakukan juga menggunakan software

lain seperti Fluent dan Flow-3D. Ini dilakukan untuk membandingkan

hasil yang didapat, sehingga lebih akurat.

3. Menambah variabel geometric parameter dengan menerapakan multiple

blades dan multiple stages.

4. Membuat desain turbin angin hybrid, yang merupakan gabungan dari

Savonius dan Darrieus. Dan mengujinya baik menggunakan simulasi

ataupun eksperimen.

5. Terakhir, pengujian secara eksperimen dan pencocokan data terhadap

simulasi.


75


DAFTAR PUSTAKA

[1] Fujisawa N. On the torque mechanism of Savonius rotors. J Wind Eng Ind Aerod 1992;40:277–92. [2] Fujisawa, N. Velocity measurements and numerical calculations of flow fields in and around Savonius rotors.Departemen of Mechanical Engineering, Gunma University, Kiryu, 376 Japan. Journal of Wind Eng and Industrial Aerod 59 (1996). 39-50. [3] Kamoji MA, Kedare SB, Prabhu SV. Experimental investigations on the effect of overlap ratio and blade edge conditions on the performance of conventional Savonius rotor. Wind Eng 2008;32:163–78. [4] Kamoji MA, Kedare SB, Prabhu SV. Performance tests on helical Savonius rotors. Renew Energy 2009;34:521–9. [5] Mojola OO. On the aerodynamic design of the Savonius windmill rotor. J Wind Eng Ind Aerod 1985;21:223–31. [6] Blackwell BF, Sheldahl RE, Feltz LV. Wind tunnel performance data for two- and three-bucket Savonius rotors. Sandia Laboratories, USA, Sand 76-0131 under act AT/29-11; 1978. p. 789. [7] Alexander AJ, Holownia BP. Wind tunnel tests on a Savonius rotor. J Ind Aerod 1978;3:343–51. [8] Akwa JV. Savonius wind turbine aerodynamics analysis using computational fluid dynamics. MSc dissertation, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil; 2010 [in Portuguese]. [9] Saha UK, Rajkumar MJ. On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades. Renew Energy 2006;31:1776–88. .[10] Saha UK, Thotla S, Maity D. Optimum design configuration of Savonius rotor through wind tunnel experiments. J Wind Eng Ind Aerod 2008;96: 1359–75. [11] Md. Imtiaj Hassan, Tariq Iqbal, Nahidul Khan, Michael Hinchey, Vlastimil Masek. CFD Analysis of a Twisted Savonius Turbine. Memorial University of Newfoundland. [12] Luc Menet , Jean; Bourabaa, Nachida. Increase In The Savonius Rotors Efficiency via Parametric Investigation. Université de Valenciennes - Le Mont Houy [13] Savonius SJ. The S-rotor and its applications. Mech Eng 1931;53:333–8. [14] Vance W. Vertical axis wind rotors – status and potential. In: Proceedings of the conference on wind energy conversion systems. 1973. p. 96–102. Desain vertical..., Aditya Indra Bayu, FT UI, 2012

76


[15] Fernando MSUK, Modi VJ. A numerical analysis of the unsteady flow past a Savonius wind turbine. J Wind Eng Ind Aerod 1989;32:303–27. [16] D’Alessandro V, Montelpare S, Ricci R, Secchiaroli A. Unsteady aerodynamics of a Savonius wind rotor: a new computational approach for the simulation of energy performance. Energy 2010;35:3349–63. [17] Altan BD, Atılgan M. An experimental and numerical study on the improvement of the performance of Savonius wind rotor. Energy Convers Manage 2008;49:3425–32. [18] Mohamed MH, Janiga G, Pap E, Thévenin D. Optimal blade shape of a modified Savonius turbine using an obstacle shielding the returning blade. Energy Convers Manage 2011;52:236–42. [19] Hayashi T, Li Y, Hara Y. Wind tunnel tests on a different phase three-stage Savonius rotor. JSME Int J Ser B: Fluids Therm Eng 2005;48:9–16. [20] Eldridge FR. Wind machines. 2nd ed. New York, USA: Van Nostrand Reinhold Company; 1980. [21] Simonds MH, Bodek A. Performance test of a Savonius rotor. Brace Research Institute, McGill University, Quebec, Canada. Technical Report No. T10; 1964. [22] Shankar PN. Development of vertical axis wind turbines. Proc Indian Acad Sci 1979;C2(Pt. 1):49–66. [23] Rabah KV, Osawa BM. Design and field testing of Savonius wind pump in east Africa. International Centre for Theoretical Physics, International Atomic Energy Agency and United Nations Educational Scientific and Cultural Organization, Trieste, Italy, International Report; 1995. [24] Kawamura T, Hayashi T, Miyashita K. Application of the domain decomposition method to the flow around the Savonius rotor. In: Proceedings of the 12th international conference on domain decomposition methods. 2001. p. 393–400. [25] Cochran BC, Banks D, Taylor SJ. A three-tiered approach for designing and evaluating performance characteristics of novel wecs. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. and the American Society of Mechanical Engineers; 2004. p. 1–11 [26] Hussain, M., Mehdi, S. N., & Reddy, P. R. (2008, January 1). CFD analysis of low speed vertical axis wind turbine with twisted blades. The free library.


Desain Vertical Axis Wind Turbine Tipe Savonius ...lib.ui.ac.id/file?file=digital/20308751-S42797-Desain vertical.pdf · DESAIN VERTICAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS OPTIMALISASI

Documents