TERHADAP PERFORMA TURBINlib.unnes.ac.id/36609/1/5212414034_Optimized.pdfpanjang batang dan bentuk...

i

PENGARUH PANJANG BATANG DAN BENTUK

DAUN EKOR PADA TURBIN ANGIN SUMBU

HORIZONTAL DENGAN MEKANISME FURLING

TERHADAP PERFORMA TURBIN

Skripsi

Diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

Oleh

Basori Hidayatullah

NIM. 5212414034

TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2020

ii

PERSETUJUAN PEMBIMBING

Nama : Basori Hidayatullah

NIM : 5212414034

Program Studi : Teknik Mesin

Judul : Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada Turbin

Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling

Terhadap Performa Turbin

Skripsi/TA ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke sidang panitia

ujian Skripsi/TA Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Negeri Semarang.

Semarang, 13 November 2019

Pembimbing,

Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 197706222006041001

iii

PENGESAHAN

Skripsi dengan judul Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada

Turbin Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap Performa

Turbin telah dipertahankan di depan Panitia Ujian Skripsi Fakultas Teknik

UNNES pada tanggal 16 Desember 2019

Oleh

Nama : Basori Hidayatullah

NIM : 5212414034

Program Studi : Teknik Mesin

Panitia:

Ketua Panitia

Rusiyanto, S.Pd., M.T.

NIP. 197403211999031002

Sekretaris

Samsudin Anis S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 197601012003121002

Penguji I

Drs. Sunyoto, M.Si.

NIP. 196511051991021001

Penguji II

Widya Aryadi, S.T., M.Eng.

NIP. 197209101999031001

Pembimbing

Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 197706222006041001

Mengetahui:

Dekan Fakultas Teknik UNNES

Dr. Nur Qudus, M.T., IPM.

NIP. 196911301994031001

iv

PERNYATAAN KEASLIAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa:

1. Skripsi ini, adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan gelar

akademik (sarjana, magister, dan/atau doktor), baik di Universitas Negeri

Semarang (UNNES) maupun di perguruan tinggi lain.

2. Karya tulis ini adalah murni gagasan, rumusan, dan penelitian saya sendiri,

tanpa bantuan pihak lain, kecuali arahan Pembimbing dan masukan Tim

Penguji.

3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis

atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas

dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama pengarang

dan dicantumkan dalam daftar pustaka.

4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan apabila di kemudian hari

terdapat penyimpangan dan ketidakbenaran dalam pernyataan ini, maka saya

bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar yang telah

diperoleh karena karya ini, serta sanksi lainnya sesuai dengan norma yang

berlaku di perguruan tinggi ini.

Semarang, 6 Januari 2020

Yang membuat pernyataan,

Basori Hidayatullah

NIM. 5212414034

v

MOTTO

“Follow the right path you wanna choose”

“Allah takkan melupakan kebaikan yang kau beri, kesusahan orang lain

yang kau atasi, dan mata yang hampir saja menangis lalu kau buat bahagia.”

“Jadilah orang baik, meskipun kau tak diperlakukan baik oleh orang lain.”

-Aan Candra Talib-

Teruntuk Bapak, Ibu, dan Kakakku. Merupakan orang orang yang paling penting

dalam hidupku.

vi

SARI

Hidayatullah, Basori. 2019. Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor

pada Turbin Angin Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap

Performa Turbin. Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D. Program Studi Teknik

Mesin.

Turbin angin skala kecil yang beroperasi pada kecepatan angin rendah

secara teratur akan menghadapi permasalahan kinerja yawing yang berhubungan

dengan ekor. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh

panjang batang dan bentuk daun ekor terhadap performa turbin melalui daya yang

dihasilkan dan sudut yawing dan furling yang dibentuk.

Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Variasi panjang batang

ekor yang digunakan adalah 0,35 m, 0,53 m, dan 0,71 m. Variasi bentuk daun

ekor yang digunakan adalah Rectangular, Trapezoidal, Triangular, Up

Rectangular, Down Rectangular, Up Trapezoidal, Down Trapezoidal, Up

Triangular dan Down Triangular. Variasi kecepatan angin yang digunakan adalah

4,3 m/s, 4,8 m/s dan 5,2 m/s. Pengujian langsung dilakukan di Pantai Marina

Semarang. Pengukuran daya menggunakan multimeter digital, pengukuran sudut

yawing dan furling menggunakan rekaman video dan diukur menggunakan

aplikasi Solidworks. Pengukuran kecepatan angin menggunakan anemometer

digital.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa konfigurasi terbaik adalah bentuk

ekor Triangular dengan panjang batang batang 0,53 m. Untuk konfigurasi ini,

daya yang dihasilkan mengalami peningkatan dari kecepatan angin 4,3 m / s

(0,816 watt) ke 4,8 m / s (1,140 watt) dan mengalami penurunan pada kecepatan

angin 5,2 m / s (1,081 watt), ini sesuai dengan desain rancangan dimana pada

kecepatan angin di atas 5 m / s, desain mekanisme furling akan bekerja untuk

mengurangi penangkapan energi angin dengan mengalihkan arah rotor ke arah

angin. Sehingga kerusakan mata pisau karena tekanan angin yang lebih tinggi

dapat diminimalisir.

Kata kunci: Furling, Turbin Angin Sumbu Horizontal, Yawing, Panjang Batang

Ekor, Bentuk Daun Ekor.

vii

PRAKATA

Segala puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah

melimpahkan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang

berjudul Pengaruh Panjang Batang dan Bentuk Daun Ekor pada Turbin Angin

Sumbu Horizontal dengan Mekanisme Furling Terhadap Performa Turbin.

Proposal skripsi ini disusun sebagai salah satu persyaratan meraih gelar Sarjana

Teknik pada Program Studi S1 Teknik Mesin Universitas Negeri Semarang.

Shalawat dan salam disampaikan kepada Nabi Muhammad SAW, mudah-

mudahan kita semua mendapatkan safaat Nya di yaumil akhir nanti, Aamiin.

Penyelesaian skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena

itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih serta

penghargaan kepada:

1. Prof. Dr. Fathur Rokhman, M.Hum., Rektor Universitas Negeri Semarang

atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menempuh studi di

Universitas Negeri Semarang.

2. Dr. Nur Qudus, M.T., IPM., Dekan Fakultas Teknik, Rusiyanto, S.Pd.,

M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin, Samsudin Anis S.T., M.T., Ph.D.,

Koordinator Program Studi Teknik Mesin S1 atas fasilitas yang disediakan

bagi mahasiswa.

3. Dony Hidayat Al-Janan S.T., M.T., Ph.D., Pembimbing yang penuh

perhatian dan atas perkenaan memberi bimbingan dan dapat dihubungi

sewaktu-waktu disertai kemudahan menunjukan sumber-sumber yang

relevan dengan penulisan skripsi ini.

4. Drs. Sunyoto, M.Si. dan Widya Aryadi, S.T., M.Eng., Penguji yang telah

memberi masukan yang sangat berharga berupa saran, ralat, perbaikan,

pertanyaan, komentar, tanggapan, menambah bobot dan kualitas skripsi

ini.

5. Semua dosen Jurusan Teknik Mesin FT. UNNES yang telah memberi

bekal pengetahuan yang berharga.

viii

6. Keluargaku yang selalu mendoakan serta memberikan dukungan moril

maupun materi.

7. Teman-teman Program Studi Teknik Mesin angkatan 2014 yang telah

memberikan semangat dan saran dalam pembuatan skripsi ini.

8. Semua pihak yang telah memberi bantuan untuk pembuatan skripsi ini

yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki banyak

kekurangan yang disebabkan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis.

Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran agar kedepannya skripsi

ini dapat bermanfaat.

Semarang, 6 Januari 2020

penulis

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL DALAM ............................................................................... i

PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................................................... ii

PENGESAHAN ..................................................................................................... iii

PERNYATAAN KEASLIAN ................................................................................ iv

MOTTO .................................................................................................................. v

SARI ....................................................................................................................... vi

PRAKATA ............................................................................................................ vii

DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xvi

BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1

1.2 Identifikasi Masalah .................................................................................... 4

1.3 Pembatasan Masalah ................................................................................... 5

1.4 Rumusan Masalah ....................................................................................... 6

1.5 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 6

1.6 Manfaat Penelitian ....................................................................................... 7

1.6.1 Secara Teoritis ............................................................................................. 7

1.6.2 Secara Praktis .............................................................................................. 7

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI ................................... 8

2.1 Kajian Pustaka ............................................................................................. 8

2.2 Landasan Teori .......................................................................................... 11

2.2.1 Energi Angin ............................................................................................. 11

2.2.2 Konversi Energi Angin .............................................................................. 12

2.2.3 Turbin Angin ............................................................................................. 14

2.2.4 Klasifikasi Turbin Angin ........................................................................... 14

2.2.5 Jenis – jenis Bilah ...................................................................................... 15

2.2.6 Airfoil ........................................................................................................ 16

2.2.7 Ekor Turbin ............................................................................................... 18

x

2.2.8 Mekanisme Furling ................................................................................... 19

2.2.9 Cara Kerja Mekanisme Furling ................................................................. 21

2.2.10 Rumus Perancangan Mekanisme Furling ................................................. 22

2.3 Kerangka Berfikir ...................................................................................... 26

2.4 Hipotesis .................................................................................................... 27

BAB III METODE PENELITIAN....................................................................... 29

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................... 29

3.1.1 Waktu Penelitian ....................................................................................... 29

3.1.2 Tempat Penelitian ...................................................................................... 29

3.2 Desain Penelitian ....................................................................................... 29

3.2.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................................ 29

3.2.2 Spesifikasi Bilah ........................................................................................ 31

3.2.3 Hasil Perancangan Desain Ekor ................................................................ 32

3.2.4 Spesifikasi Panjang Batang Ekor dan Bentuk Daun Ekor ......................... 34

3.2.5 Skema Alat pengujian ............................................................................... 34

3.3 Alat dan Bahan Penelitian ......................................................................... 35

3.3.1 Alat Penelitian ........................................................................................... 35

3.3.2 Bahan Penelitian ........................................................................................ 38

3.4 Parameter Penelitian .................................................................................. 40

3.5 Teknik Pengumpulan Data ........................................................................ 41

3.6 Kalibrasi Instrumen ................................................................................... 47

3.7 Teknik Analisis Data ................................................................................. 48

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 50

4.1 Deskripsi Data ........................................................................................... 50

4.2 Analisis Data dan Pembahasan ................................................................. 55

4.2.1 Hubungan Daya dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ....................... 56

4.2.2 Hubungan Daya dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ...................... 65

4.2.3 Hubungan Sudut Yawing dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ......... 70

4.2.4 Hubungan Sudut Furling dengan Kecepatan Angin (Bentuk Ekor) ......... 77

4.2.5 Hubungan Sudut Yawing dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ........ 85

4.2.6 Hubungan Sudut Furling dengan Kecepatan Angin (Panjang Ekor) ........ 88

4.2.7 Hubungan Sudut Yawing dengan Panjang Ekor ........................................ 90

xi

4.2.8 Hubungan Sudut Furling dengan Panjang Ekor ....................................... 92

4.2.9 Stabilitas Performa Ekor Pada Turbin Angin ............................................ 93

BAB V PENUTUP ............................................................................................... 95

5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 95

5.2 Saran .......................................................................................................... 97

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 99

LAMPIRAN ........................................................................................................ 101

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Sumber Daya Energi Baru dan Energi Terbarukan ................................ 1

Tabel 3.1 Data Hasil Perhitungan Rancangan....................................................... 32

Tabel 3.2 Variasi Bentuk Daun Ekor Turbin ........................................................ 33

Tabel 3.3 Instrumen Penelitian Pengujian Kerja Ekor dalam Mengarahkan Turbin

untuk Kestabilan dan Efektifitas Performa Ekor. ................................. 42

Tabel 3.4 Instrumen Penelitian Pengukuran Daya, Sudut Furling dan Sudut

Yawing pada Turbin Angin di Lapangan. ............................................ 44

Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Rakitan Ekor ................................................... 51

Tabel 4.2 Pengujian Kerja Ekor Dalam Mengarahkan Turbin ............................. 53

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Peta Potensi Tenaga Angin ................................................................. 2

Gambar 2.1 Aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas ............... 12

Gambar 2.2 Efisiensi turbin angin ........................................................................ 13

Gambar 2.3 Gaya lift dan gaya drag ..................................................................... 14

Gambar 2.4 (a) TASH dan (b) TASV ................................................................... 15

Gambar 2.5 Jenis – jenis bilah .............................................................................. 16

Gambar 2.6 Airfoil dengan bagian – bagiannya. ................................................... 17

Gambar 2.7 Macam – macam ide desain ekor turbin............................................ 19

Gambar 2.8 Geometri turbin angin skala kecil dengan kontrol furling ................ 20

Gambar 2.9 Cara kerja mekanisme furling ........................................................... 21

Gambar 2.10 Diagram Cp dan Ct sebagai fungsi TSR .......................................... 23

Gambar 2.11 Skema mekanisme furling ............................................................... 25

Gambar 2.12 Skema mekanisme furling saat kecepatan angin tinggi .................. 25

Gambar 2.13 Skema mekanisme furling tampak belakang ................................... 26

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ...................................................................... 31

Gambar 3.2 NACA 3612...................................................................................... 32

Gambar 3.3 Bilah taper NACA 3612 ................................................................... 32

Gambar 3.4 Skema alat pengujian ........................................................................ 35

Gambar 3.5 Anemometer digital ........................................................................... 36

Gambar 3.6 Multimeter digital .............................................................................. 36

Gambar 3.7 Gergaji besi ....................................................................................... 37

Gambar 3.8 Bor tangan ......................................................................................... 37

Gambar 3.9 Penggaris ........................................................................................... 38

Gambar 3.10 DC Motor Generator ....................................................................... 38

Gambar 3.11 Triplek ............................................................................................. 39

Gambar 3.12 Pipa Aluminium .............................................................................. 39

Gambar 4.1 Skema metode pengukuran data ........................................................ 50

Gambar 4.2 Grafik daya - kecepatan angin (Rectangular) .................................... 56

Gambar 4.3 Grafik daya - kecepatan angin (Trapezoidal) .................................... 57

Gambar 4.4 Grafik daya - kecepatan angin (Triangular) ..................................... 58

xiv

Gambar 4.5 Grafik daya - kecepatan angin (Up Rectangular) ............................. 59

Gambar 4.6 Grafik daya - kecepatan angin (Down Rectangular) ......................... 60

Gambar 4.7 Grafik daya - kecepatan angin (Up Trapezoidal) .............................. 61

Gambar 4.8 Grafik daya - kecepatan angin (Down Trapezoidal) ......................... 61

Gambar 4.9 Grafik daya - kecepatan angin (Up Triangular)................................ 62

Gambar 4.10 Grafik daya - kecepatan angin (Down Triangular) ......................... 63

Gambar 4.11 Grafik daya - kecepatan angin (0,35 m) .......................................... 65

Gambar 4.12 Tabel daya pada batang ekor 0,35 m ............................................... 66





Gambar 4.17 Tabel daya pada semua variasi panjang batang ekor ...................... 69

Gambar 4.18 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Rectangular).................... 70

Gambar 4.19 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Trapezoidal) .................... 71

Gambar 4.20 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Triangular) ...................... 72

Gambar 4.21 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Rectangular) .............. 73

Gambar 4.22 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Rectangular) ......... 74

Gambar 4.23 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Trapezoidal) .............. 74

Gambar 4.24 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Trapezoidal) ......... 75

Gambar 4.25 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Up Triangular) ................ 76

Gambar 4.26 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (Down Triangular) ........... 77

Gambar 4.27 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Rectangular) .................... 78

Gambar 4.28 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Trapezoidal) ..................... 78

Gambar 4.29 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Triangular) ...................... 79

Gambar 4.30 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Rectangular) .............. 80

Gambar 4.31 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Rectangular) .......... 81

Gambar 4.32 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Trapezoidal) ............... 82

Gambar 4.33 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Trapezoidal) .......... 82

Gambar 4.34 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Up Triangular)................. 83

Gambar 4.35 Grafik sudut furling - kecepatan angin (Down Triangular) ............ 84

Gambar 4.36 Grafik sudut yawing - kecepatan angin (0,35 m) ............................ 85

xv



Gambar 4.39 Grafik sudut furling - kecepatan angin (0,35 m) ............................. 88



Gambar 4.42 Grafik sudut yawing - panjang batang ekor (4,3 m/s) ..................... 91



Gambar 4.45 Grafik sudut furling - panjang batang ekor (4,3 m/s) ...................... 92



xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 : Perhitungan rancangan ekor turbin ................................................ 101

Lampiran 2 : Desain rancangan........................................................................... 105

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Konsumsi energi di Indonesia semakin hari semakin meningkat bersamaan

dengan semakin berkurangnya sumber energi tidak terbarukan yang sekarang

umum dipakai. Perlu adanya alternatif pengganti energi lain untuk menanggulangi

permasalahan ini, seperti yang sudah banyak kita ketahui, banyak sekali alternatif

sumber daya energi terbarukan yang bisa menjadi pilihan, seperti halnya

pemanfaatan sumber daya alam yang tersedia dan mampu diperbaharui atau biasa

disebut Renewable Energy. Macam – macam sumber daya energi baru terbarukan

ditunjukkan pada tabel 1.1 berikut:

Tabel 1.1 Sumber Daya Energi Baru dan Energi Terbarukan

Jenis Energi Sumber Daya Kapasitas

Terpasang

Pemanfaatan

%

Tenaga Air 94.476 MW 5.024 MW 5,3 %

Panas Bumi 29.544 MW 1.403,5 MW 4,8 %

Bioenergi 32.000 MW dan

200.000 bpd BBN 1.740,4 MW 5,4 %

Surya 4,80 kWh/m2/day

207,9 GW 78,5 MW

Angin dan

Hybrid

3 – 6 m/s

60 GW 3,1 MW

Energi Laut

61 GW.

Gelombang: 1.995 MW

Panas Laut (OTEC): 41.001

MW

Arus Laut: 17.989 MW

0,01 MW

Shale Gas 574 TSCF

Coal Bed

Methane (CBM) 456,7 TSCF

Catatan:

1) Angka potensi dari Draft RUEN, 2016

2) Data Ratifikasi antara ESDM dan Asosiasi Energi Laut Indonesia (ASELI), 2014

3) Purwarupa Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), 2010

4) DJ EBTKE, 2014

(Sumber: DEN, 2016: 29)

2

Sumber daya jenis ini juga tidak menimbulkan polusi yang bisa

membahayakan kesehatan manusia.

Dari tabel data di atas, energi alternatif yang bisa dijadikan pengganti bahan

bakar fosil antara lain adalah tenaga air, panas bumi, bioenergi, surya, angin dan

hybrid, energi laut, shale gas, coal bed methane (CBM). Berdasarkan sumber daya

energi baru terbarukan yang sudah terdata, semuanya bisa dijadikan energi

alternatif karena perbandingan kapasitas yang terpasang dan juga pemanfaatanya

masih sangat sedikit, sehingga sangat memungkinkan untuk dimanfaatkan dan

dikembangkan sebagai pengganti alternatif energi.

Salah satu energi yang sudah dimanfaatkan dan dikembangkan saat ini

adalah energi angin. Energi angin sendiri pemanfaatanya masih cenderung sedikit,

dengan potensi tenaga angin yang ada di Indonesia sesuai dengan gambar berikut:

Gambar 1.1 Peta Potensi Tenaga Angin

(Sumber: DEN, 2016: 30)

3

Pada Tahun 2018 telah dibangun first wind farm di Indonesia, yaitu PLTB

Sidrap I, pada bulan Juli 2018. Wind farm ini mampu menghasilkan 75 MW listrik

dan dialirkan ke 70.000 rumah tangga di Sulawesi Utara. Proyek lainnya yaitu

Karaha Unit I (30 MW) di Jawa Barat dan Sarulla Unit III (110 MW) di Sumatera

Selatan (Arinaldo, et al, 2018: 4).

Untuk menjadikan energi angin agar dapat dimanfaatkan, maka diperlukan

sebuah alat konversi, maka dibuatlah turbin angin. Turbin angin merupakan

sebuah peralatan konversi yang cara kerjanya adalah dengan mengkonversikan

energi kinetik yang selanjutnya menjadi energi listrik.

Turbin angin skala kecil yaitu turbin angin yang memproduksi tenaga antara

1 hingga 100 kW. Turbin angin skala kecil yang beroperasi pada kecepatan angin

rendah secara teratur akan menghadapi permasalahan kinerja yawing atau gerakan

horizontal karena sifat dari angin yang tidak rata. Gaya dorong mengenai titik

tengah dari sumbu rotor, jika terdapat jarak atau pergeseran dari sumbu yaw maka

akan menimbulkan momen yaw (Piggott, 1997: 101). Rotor yang menoleh dari

arah angin kurang efisien jika dibandingkan dengan rotor yang tidak menoleh dari

arah angin, maka perlu dipertimbangkan efisiensi untuk tujuan produksi energi.

Rakitan ekor digunakan untuk memastikan ekstraksi potensi angin secara

maksimum meskipun pada kondisi kecepatan angin yang rendah (Nikhil dan

Sandip, 2015: 38). Ekor turbin pada turbin angin skala kecil difungsikan untuk

mengubah arah dan mengakomodasi variasi arah angin yang datang. Ekor

diperlukan untuk menghasilkan respon yang cepat dan stabil sesuai dengan

perubahan arah angin dan membuat turbin angin skala kecil menghadap ke arah

4

angin (Singamsitty dan Zhou, 2017: 582). Kecepatan angin yang sangat fluktuatif

juga akan mengakibatkan keterbatasan dari kemampuan turbin angin itu sendiri.

Pada kondisi kecepatan angin diatas kecepatan angin rancangan, putaran atau rpm

sudu dan generator akan melebihi putaran rancangan, sehingga terjadi overspeed

(Atmadi dan Fitroh, 2007). Perlindungan dilakukan untuk mencegah terjadinya

overspeed. Karena tanpa adanya sistem perlindungan, akan terjadi kegagalan

fungsi, dan mengakibatkan kerusakan pada turbin (Suandi, et al, 2017: 21).

Diperlukan adanya mekanisme yang bisa mengatur kemampuan yawing dari

turbin sehingga bisa memaksimalkan hasil konversi angin dan meminimalisir

kerusakan (mekanisme furling).

Pengoptimalan pemanfaatan energi angin dengan turbin angin skala kecil

yang menggunakan mekanisme furling masih sangat perlu untuk dikembangkan

dengan memvariasikan beberapa variabel pendukung. Sedangkan mekanisme

furling ini sendiri merupakan mekanisme yang dominan untuk mengatasi

permasalahan overspeed dan juga kontrol daya pada turbin angin skala kecil

(Audierne, et al, 2010: 2278). Karenannya dalam penelitian ini penulis

mengambil judul analisis pengaruh panjang dan bentuk daun ekor turbin angin

sumbu horizontal dengan mekanisme furling terhadap performa turbin.

1.2 Identifikasi Masalah

Permasalahan yang muncul dalam latar belakang di atas adalah

a. Kurang maksimalnya struktur turbin angin yang mengurangi optimalnya

penangkapan angin;

5

b. Struktur turbin angin dengan penambahan ekor yang masih perlu

penyesuaian untuk mendapatkan keseimbangan dari ekor sebagai peningkat

performa ekor turbin;

c. Penelitian mengenai bentuk sistem ekor turbin sebagai langkah untuk

mengoptimalkan penangkapan energi angin yang masih minim;

1.3 Pembatasan Masalah

Berdasarkan identifikasi masalah yang telah diuraikan, terdapat beberapa

batasan masalah sebagai berikut:

a. Turbin angin menggunakan bilah jenis taper dan jenis airfoil NACA 3612.

b. Turbin angin menggunakan orientasi yaw pasif dan mekanisme furling.

c. Variasi panjang ekor yang akan diteliti yaitu 0,35 m, 0,53 m, dan 0,71 m.

d. Variasi bentuk daun ekor yang akan diteliti yaitu berbentuk Rectangular,

Trapezoidal, Triangular, Up Rectangular, Down Rectangular, Up

Trapezoidal, Down Trapezoidal, Up Triangular dan Down Triangular.

Luasan masing – masing bentuk daun ekor sama yaitu 0,385 m2.

e. Untuk pengujian kestabilan ekor dilakukan dengan menempatkan rotor pada

sudut 90o dan 180o dari arah datangnya angin.

f. Data kecepatan angin di lapangan yang diambil yaitu kecepatan 4,3 m/s, 4,8

m/s dan 5,2 m/s.

g. Panjang garis horizontal daun ekor adalah 0,15 m.

h. Performa turbin dalam penelitian ini menggunakan parameter daya sebagai

acuan. Sudut yawing dan sudut furling yang terbentuk digunakan sebagai

validasi dari kinerja ekor.

6

1.4 Rumusan Masalah

Dari uraian latar belakang dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:

a. Bagaimana pengaruh panjang batang ekor terhadap performa turbin angin?

b. Bagaimana pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin angin?

c. Berapa daya maksimum yang dapat dicapai oleh desain turbin angin dengan

ekor turbin mekanisme furling?

d. Apakah pada kecepatan tinggi (overspeed) mekanisme furling dapat bekerja

dengan baik pada turbin?

e. Manakah konfigurasi ekor yang paling stabil dari variasi yang diuji coba

untuk mengarahkan angin?

1.5 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

a. Mengetahui pengaruh panjang batang ekor turbin terhadap performa turbin

angin;

b. Mengetahui pengaruh bentuk daun ekor turbin terhadap performa turbin

angin;

c. Mengetahui daya maksimum yang dapat dicapai oleh desain turbin angin

dengan ekor turbin menggunakan mekanisme furling;

d. Mengetahui apakah pada kecepatan tinggi (overspeed), mekanisme furling

dapat bekerja;

e. Mengetahui konfigurasi ekor yang paling stabil untuk mengarahkan turbin.

7

1.6 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut;

1.6.1 Secara Teoritis

a. Memberikan kontribusi terhadap perkembangan ilmu pengetahuan pada

khususnya, maupun masyarakat luas pada umumnya mengenai

pengoptimalan penangkapan energi angin dengan menggunakan turbin

angin.

b. Sebagai acuan dan bahan pertimbangan pada penelitian pengaruh ekor

turbin terhadap pengoptimalan kerja turbin.

1.6.2 Secara Praktis

a. Dapat menjadi bahan pertimbangan pemerintah dalam pengembangan

pemanfaatan energi angin dengan menggunakan pengoptimalan kerja turbin

angin;

b. Penggunaan energi bersih yang akan digunakan oleh masyarakat luas

sehingga mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil dan juga

mengurangi polusi lingkungan;

c. Menambah wawasan dan sebagai referensi dalam hal penelitian tentang

energi angin, trubin angin maupun pengoptimalan kerja turbin angin

tersebut.

8

BAB II

KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

2.1 Kajian Pustaka

Penelitian mengenai perancangan sistem orientasi yang didasarkan pada

penyusunan rancangan rakitan ekor yang dilakukan oleh Atmadi dan Fitroh,

(2007). Penelitian ini mengasumsikan pada kecepatan angin 10 m/s sudu akan

berputar pada 100 rpm dan menghasilkan daya 50 kW dan pada kecepatan angin

rancangan 10 m/s sudu tidak bisa bekerja dengan baik dan hanya menghasilkan 20

kW dan berputar pada 60 rpm. Semua variabel divariasikan kecuali sudut

ekornya. Dengan variasi jarak eksentrisitas 0,05 – 0,20 m, panjang batang ekor

6,00 – 8,00 m, posisi titik gaya ekor 3,00 – 4,19 m, luas daun ekor 25,0 – 35,0 m2.

Hasil dari penelitian ini adalah dipilih jarak eksentrisitas sebesar 10 cm, panjang

batang ekor 6 m, luas daun ekor 3 25 m2, posisi titik tangkap gaya pada daun ekor

3 m, dan sudut ekor 21,9 derajat.

Penelitian pengujian variasi panjang ekor sebelumnya dilakukan oleh

Suandi, et al, (2017). Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh gaya pada

sirip ekor (fvane) terhadap terjadinya momen furling. Rancangan diameter bilah

yaitu 1 m, kecepatan angin ditentukan 8 m/s. Turbin angin pada penelitian ini

merupakan turbin angin jenis HAWT tipe 3 bilah yang menggunakan bahan PVC

sebagai bahan dasar bilahnya. Bentuk daun ekor yang diteliti yaitu seperti bentuk

segitiga dengan variasi bentuk dan luasnya adalah 0,0785 m2. Variasi panjang

ekor yaitu 0,74 m, 0,82 m, dan 0,90 m. Sistem pengambilan data dengan

9

menggunakan mobil sebagai media pembawa turbin untuk menangkap angin

dengan kecepatan yang diinginkan. Hasil dari penelitian ini adalah kincir angin

dengan ekor pendek (0,74 m) menunjukkan mekanisme yawing dan furling terjadi

lebih cepat, dengan kecepatan maksimum rotor terendah (950 rpm), sedangkan

kincir angin dengan ekor terpanjang (0,90 m) menunjukkan yawing dan furling

terjadi sesuai dengan Vf rancangan (8 m/s), akan tetapi mencapai titik balik

tertinggi (11 m/s) dengan kecepatan maksimum rotor juga tertinggi (1065 rpm).

Mekanisme furling pada kincir dengan panjang ekor lebih pendek dan lebih

panjang menunjukkan ketidakstabilan pada sudut yawing kincir.

Penelitian pengujian variasi bentuk dari daun ekor turbin sebelumnya

dilakukan oleh Nikhil dan Sandip, (2015). Penelitian ini, dilakukan pengujian

perfoma terhadap yawing turbin angin mikro. Menentukan distribusi tekanan dan

aksi gaya pada daun ekor turbin yang ditentukan dengan menggunakan

computational fluid dynamics. Kecepatan angin ditentukan pada 7 m/s dan

kecepatan rotor 350 rpm. Titik tekan ditentukan pada sudut 0, 10, 20, 30 derajat

dari sudut inklinasi. Macam – macam variasi bentuk daun muka pada penelitian

ini yaitu Trapezoidal, Rectangular, dan Triangular pada sudut iklinasi yang

berbeda. Hasil pengujian didapatkan bahwa tekanan dan gaya pada daun muka

dengan bentuk Triangular berpengaruh sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan

bentuk daun muka Trapezoidal dan Rectangular. Penggunaan daun muka dengan

bentuk Triangular akan sedikit lebih meningkatkan performa dari turbin angin

dibandingkan dengan variasi lainnya.

10

Penelitian lainnya yang juga meneliti mengenai bentuk dari daun ekor

dilakukan oleh Singamsitty dan Zhou, (2017). Penelitian ini kecepatan angin yang

ditentukan adalah 12,5 m/s dan kecepatan rotor 1.500 rpm. Variasi pada bentuk

daun muka memiliki bentuk yang sangat berbeda namun ukuran dan luas area dari

semua variasi bersesuaian terhadap masing – masing atau sama. Semua variasi

diberikan kode yaitu T-1-A, T-1-B, T-2-A, T-2-B, T-3-A, T-3-B, T-4-A, T-4-B,

T-5-A, dan T-5-B. Bentuk daun muka dimodelkan dengan software

SOLIDWORK. Masing – masing daun ekor memiliki dua konfigurasi yaitu

upward dan downward kemudian dianalisa menggunakan software ANSYS.

Penelitian ini menunjukkan bahwa bentuk daun ekor T-5-B (berbentuk seperti

huruf V dan berada pada posisi downward) memiliki ekstraksi tenaga paling

tinggi, dan yang paling rendah ekstraksi tenagannya adalah bentuk daun muka T-

4-A (berbentuk seperti Triangular dengan perbedaan antara luas bagian bawah

dan atas) yang hanya memiliki 45% dari ekstraksi tenaga paling tinggi.

Penelitian mengenai sistem kontrol furling dilakukan oleh Suandi, et al,

(2017). Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah mekanisme furling pada

turbin angin dengan diameter bilah yaitu 1 m, kecepatan angin ditentukan 8 m/s.

Turbin angin pada penelitian ini merupakan turbin angin jenis HAWT tipe 3 bilah

yang menggunakan bahan PVC sebagai bahan dasar bilahnya. Bentuk daun ekor

yang diteliti yaitu seperti bentuk segitiga dengan variasi bentuk dan luasnya

adalah 0,0785 m2. Sistem pengambilan data dengan menggunakan mobil sebagai

media pembawa turbin untuk menangkap angin dengan kecepatan yang

diinginkan. Hasil dari penelitian ini adalah terbentuknya sudut furling 1,5 derajat

11

dan yawing 1,5 derajat yang terjadi pada kecepatan7,5 m/s sedikit lebih rendah

daripada kecepatan yang ditentukan yaitu 8 m/s dan kecepatan bilah 720 rpm.

Kecepatan bilah 1.007 rpm dengan sudut yawing 37 derajat dan furling 16 derajat

terjadi pada kecepatan angin 9,5 m/s, dan pada kecepatan angin 18 m/s, sudut

yawing 63 derajat – 66 derajat dan sudut furling 18 derajat, putaran bilah menurun

menjadi 900 rpm.

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Energi Angin

Energi angin merupakan dasar dari komponen utama dan mendasar dari

turbin angin, karena angin merupakan komponen yang memutarkan turbin untuk

dikonversi menjadi kerja. Angin sendiri terbentuk dari adanya perbedaan tekanan

udara dari dua tempat karena perbedaan temperatur yang disebabkan oleh

matahari. Angin juga bergerak karena adanya gesekan pada permukaan bumi dan

menyebabkan angin dialihkan ke arah daerah yang memiliki tekanan udara lebih

rendah (Manwell, et al, 2009: 26). Energi angin yang bergerak merupakan energi

kinetik yang nantinya digunakan untuk mengetahui daya dari angin maupun daya

dari turbin. Persamaan energi kinetik seperti pada persamaan (2.1) berikut;

𝐸𝑘 = 12⁄ 𝑚 . 𝑣2 ............................................................................................ (2.1)

Dimana energi kinetik bisa dicari dengan mengetahui massa (𝑚) dan

kecepatan udaranya (𝑣), (Hemami, 2012: 16-17).

12

2.2.2 Konversi Energi Angin

Angin merupakan aliran fluida bebas atau tanpa harus mengalir dengan

bentuk ruang tertentu. Pemodelan aliran dua dimensi angin yang mengenai rotor

menjelaskan prinsip konversi energi angin seperti pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas

(Sumber: Hemami, 2012: 19)

Teori dan rumus aliran fluida pada angin digunakan untuk mengetahui daya

yang dihasilkan. Daya yang dihasilkan turbin angin dapat diketahui dengan

melalui persamaan – persamaan berikut sesuai dengan (Hemami, 2012: 19 – 20).

Laju aliran massa dalam satuan waktu untuk menentukan daya, seperti pada

persamaan (2.2):

𝑚 = 𝜌 . 𝑉 ......................................................................................................... (2.2)

Dimana m merupakan laju aliran massa, 𝜌 merupakan densitas udara, dan V

merupakan volume udara.

Aliran udara di dalam pipa yang merupakan volume per satuan waktu

ditentukan dengan persamaan (2.3):

𝑉 = 𝐴 . 𝑣 ......................................................................................................... (2.3)

Dimana V merupakan volume udara per satuan waktu, A merupakan luas

penampang, dan v merupakan kecepatan udara.

13

Dari persamaan (2.1), (2.2), dan (2.3) disubstitusikan sehingga diketahui

daya pada aliran udara atau daya angin, pada persamaan (2.4):

𝑃 = 12⁄ . 𝜌 . 𝐴 . 𝑣3 .......................................................................................... (2.4)

Dimana P merupakan daya angin dan menunjukan bahwa daya pada

terowongan angin proposional terhadap densitas udara, luas penampang dan juga

kecepatan anginnya.

Untuk daya pada turbin angin sendiri dapat ditentukan dengan persamaan

(2.5):

𝑃𝑡 = 𝐶𝑝 . 𝑃 ..................................................................................................... (2.5)

Dimana Pt merupakan daya turbin angin, dan Cp merupakan koefisien daya.

Daya ini sendiri nilainya harus kurang dari 1. Secara teori, persentase energi angin

yang bisa dikonversi oleh turbin angin adalah disebut betz limit, dan nilai untuk

betz limit sendiri adalah 16/27 atau 0,59. Nilai betz limit sendiri digunakan untuk

nilai koefisien daya untuk menentukan daya turbin angin (Hemami, 2012: 20).

Efisiensi turbin angin dapat dinyatakan seperti gambar (2.2) di bawah ini:

Gambar 2.2 Efisiensi turbin angin

(Sumber: Piggott, 1997: 16)

14

2.2.3 Turbin Angin

Tubin angin merupakan sebuah mesin yang digunakan untuk

mengonversikan daya menjadi energi listrik. Turbin angin dihubungkan dengan

komponen – komponen listrik untuk membangkitkan listrik untuk bisa digunakan.

Turbin angin diklasifikasikan berdasarkan daya yang dihasilkan, yaitu yang

menghasilkan daya 10 kW kebawah disebut dengan turbin angin skala mikro,

sedangkan yang menghasilkan daya 1,5 hingga 5 MW disebut dengan turbin angin

skala besar (Manwell, et al, 2009: 2).

Turbin angin memanfatkan gaya lift dan gaya drag untuk memutar blade.

Gaya drag yang merupakan gaya yang biasa disebut gaya dorong karena menahan

arah angin atau gaya paralel, sedangkan gaya lift atau gaya angkat tercipta karena

perbedaan tekanan pada dua sisi objek yang dikenai aliran udara (Piggott, 2003:

4). Ilustrasi gaya lift dan drag seperti gambar (2.3) berikut ini:

Gambar 2.3 Gaya lift dan gaya drag


2.2.4 Klasifikasi Turbin Angin

Turbin angin pada umumnya memiliki 2 jenis, yaitu turbin angin sumbu

horizontal (TASH) dan juga turbin angin sumbu vertikal (TASV). Kedua turbin

angin ini dibedakan berdasarkan perbedaan pada bentuk dan cara kerjanya. Turbin

15

angin sumbu horizontal yaitu turbin angin yang memiliki sumbu rotasi horizontal,

sedangkan turbin angin sumbu vertikal yaitu turbin angin yang memiliki sumbu

rotasi vertikal, dan pada turbin angin sumbu vertikal ini tidak sensitif terhadap

perubahan arah angin karena memang pada dasarnya turbin angin jenis ini mampu

menangkap angin dari berbagai arah (Hemami, 2012: 48). Perbedaan antara turbin

angin sumbu horizontal dengan turbin angin sumbu vertikal ditunjukkan oleh

gambar (2.4) berikut:

(a) (b)

Gambar 2.4 (a) TASH dan (b) TASV

(Sumber: Hemami, 2012: 49, 57)

2.2.5 Jenis – jenis Bilah

Bilah pada turbin angin memiliki macam – macam bentuk, yang memiliki

efisiensi dan performa kinerja masing – masing. Umumnya bilah turbin angin ada

3 jenis seperti pada gambar (2.5) dan tiga jenis tersebut yaitu:

1. Taper

Bilah jenis ini memiliki bentuk yang meruncing pada ujung bilahnya. Torsi

pada bilah jenis ini cenderung rendah karena luas penampang pada ujung

16

bilah sebagai penangkap angin yang kecil, namun bilah jenis ini mampu

memiliki putaran bilah yang sangat tinggi.

2. Taperless

Bilah jenis ini memiliki bentuk yang ukurannya sama mulai dari pangkal

sampi ujung bilah. Torsi pada bilah jenis ini cenderung besar karena luas

penampang dari bilah yang luas, namun pada kecepatan tinggi tidak bisa

maksimal karena akan menimbulkan gaya drag.

3. Inverse taper

Bilah jenis ini memiliki bentuk melebar pada ujung bilahnya. Mampu

berputar pada kecepatan rendah sekalipun, karena torsi pada bilah jenis ini

dangat besar.

Gambar 2.5 Jenis – jenis bilah

(Sumber: Zahra, 2016)

2.2.6 Airfoil

Turbin angin sangat memerlukan gaya angkat atau gaya lift yang lebih besar

karena prinsip kerja dari turbin angin tipe horizontal ini sama seperti mekanisme

17

kerja sayap pesawat yang terkena aliran udara. Airfoil digunakan untuk

meningkatkan gaya angkat pada blade turbin maupun pesawat. Airfoil merupakan

bentuk profil dari outline blade yang diatur sedemikian rupa sehingga mampu

meningkatkan gaya angkat yang lebih besar daripada gaya dorongnya (Piggott,

1997: 139). Menurut Hemami, (2012: 39), Pada airfoil terdapat bagian – bagian

yang sangat berpengaruh sesuai dengan gambar (2.6), yaitu:

1. Leading edge merupakan bagian ujung depan dari airfoil yang terkena udara

pertama kali.

2. Trailing edge merupakan bagian ujung belakang dari airfoil.

3. Chord merupakan jarak antara leading edge dengan trailing edge.

4. Chord line merupakan garis yang menghubungkan antara leading edge

dengan trailing edge.

5. Chambered airfoil merupakan bentuk dari chamber airfoil yang bisa berupa

simetris ataupun asimetris.

6. Mean chamber line merupakan kurva antara leading edge dan trailing edge

yang terbentuk oleh titik tengah dari garis yang menghubungkan dari profil

bagian atas ke profil bagian bawah.

Gambar 2.6 Airfoil dengan bagian – bagiannya.


18

2.2.7 Ekor Turbin

Turbin angin sumbu horizontal dengan kapasistas dibawah 10 kW

memerlukan sebuah pengarah angin untuk menangkap angin secara maksimal

dengan cara menghadapkan turbin ke arah angin (Piggott, 1997: 97). Secara kerja

ini dinamakan sebagai mekanisme yaw, yaitu turbin angin dapat bergerak kearah

horizontal. Rakitan ekor turbin sangat diperlukan untuk mengarahkan turbin agar

sesuai dengan arah angin. Ekor turbin ini sendiri terdiri dari berbagai bagian,

yaitu:

1. Batang ekor

Bagian ini merupakan bagian yang menghubungkan bagian daun ekor turbin

dengan turbin angin utama. Panjang dan bahan dari batang ekor ini sangat

perlu untuk diperhitungkan dan ditentukan untuk menghasilkan

masksimalnya kinerja dari rakitan ekor turbin.

2. Daun ekor

Bagian ini merupakan bagian paling ujung dari ekor yang berfungsi untuk

menerima tekanan dari angin yang nantinya akan mengarahkan turbin sesuai

dengan arah angin. Bentuk dari daun ekor ini sendiri perlu untuk ditentukan

dimensi dan juga bahan yang digunakan, tidak lain adalah untuk

keseimbangan dan juga memaksimalkan dalam menerima tekanan dari

angin yang datang sehingga maksimal dalam kinerja ekornya.

Macam – macam variasi bentuk daun ekor ditunjukkan oleh gambar (2.7)

berikut ini:

19

Gambar 2.7 Macam – macam ide desain ekor turbin


2.2.8 Mekanisme Furling

Menurut Piggott, (1997: 97), Furling merupakan sebuah mekanisme yang

digunakan untuk memberikan keamanan terhadap turbin apabila kecepatan angin

mencapai kecepatan yang sangat tinggi dan akan membahayakan turbin angin

seperti:

1. Putaran rotor yang sangat tinggi akan memberikan gaya sentrifugal yang

sangat besar.

2. Putaran rotor yang sangat tinggi akan menyebabkan adanya vibrasi turbin

yang sangat tinggi.

3. Angin yang sangat besar akan menyebabkan gaya dorong yang sangat besar

terhadap struktur turbin.

Dari alasan – alasan tersebut, maka furling inilah yang akan digunakan

untuk mengatasi hal – hal yang tidak diinginkan di atas.

20

Sistem pengendalian dengan menggunakan mekanisme ini adalah dengan

memanfaatkan rakitan ekor turbin dengan modifikasi tertentu. Karena pada

dasarnya, ekor turbin sendiri fungsi utamanya adalah mengarahkan turbin

menghadap arah angin sehingga konversi angin bisa maksimal, namun pada

kondisi tertentu seperti angin yang terlampau tinggi mengenai turbin, maka perlu

adanya pengaturan untuk menanggulangi itu. Ekor turbin ini merupakan bagian

dari sistem mekanik yang bekerja ketika terjadi proses yawing dan furling.

Menurut Piggott, (1997: 103), sistem furling ini memanfaatkan gaya dorong

angin untuk memutar ekor (furling) dan memutar turbin (yawing) dan

menggunakan gaya gravitasi untuk kembali ke posisi semula. Supaya sistem dapat

bekerja, maka pada pangkal dari ekor turbin terdapat sebuah sumbu pivot miring

yang bekerja seperti engsel pada pintu sederhana. Mekanisme Furling ini sendiri

banyak digunakan pada jenis turbin angin skala kecil seperti pada gambar (2.8).

Gambar 2.8 Geometri turbin angin skala kecil dengan kontrol furling

(Sumber: Audierne, et al, 2010: 2279)

Mekanisme furling dipengaruhi oleh beberapa hal atau variabel yang

menentukan bagaimana mekanisme furling dapat bekerja. Beberapa hal tersebut

21

diantaranya adalah kecepatan angin, massa ekor, panjang ekor, luas penampang

ekor, jarak dari offset, dimensi baling – baling, sudut furling dan sudut angkatnya

(Suandi, et al, 2017: 21).

2.2.9 Cara Kerja Mekanisme Furling

Mekanisme furling dirancang dengan menggeser sumbu rotor dari sumbu

yaw agar dapat berpaling dari arah datangnya angin. Penggeseran ini adalah

“offset” atau posisi eksentrik, penggeseran minimal yang dapat digunakan adalah

4% dari diameter rotor (Piggott, 1997: 103). Ketika kecepatan angin meningkat,

gaya dorong pada rotor juga meningkat, sampai pada titik tertentu sehingga

mekanisme furling aktif dan turbin angin menghindari arah angin secara langsung

(Piggott, 1997: 101).

Sistem bekerja secara otomatis dan berpalingnya kincir angin dari arah

angin karena adanya momen thrust dan momen furling (Suandi, et al, 2017: 50).

Cara kerja mekanisme furling seperti pada gambar (2.9) berikut:

Gambar 2.9 Cara kerja mekanisme furling


22

2.2.10 Rumus Perancangan Mekanisme Furling

Dalam merancang sebuah mekanisme furling, perlu diperhatikan dasar –

dasar untuk perhitungannya, sehingga didapat sebuah rancangan mekanisme

furling yang maksimal.

Menurut Suandi, et al, (2017: 50) Mekanisme furling dapat dirancang

dengan menentukan parameter – parameter berikut:

a. Jarak antara sumbu rotor dengan sumbu yaw atau disebut offset yaitu

minimal 4 % dari diameter sapuan bilah;

b. Luas penampang ekor besarnya antara 5 % sampai 10 % dari luas sapuan

bilah;

c. Luas penampang ekor 10 % dari luas sapuan bilah, ekor ditekuk sekitar 20

% berlawanan dari arah offset, yang ditujukkan untuk memberikan

kesetimbangan momen akibat dari offset itu sendiri;

d. Panjang dari batang ekor yaitu sebanding dengan Panjang 1 bilah atau ½

dari diameter sapuan;

e. Mengenai bentuk dari daun ekor tidaklah terlalu berpengaruh, namun untuk

tinggi (span) akan mempengaruhi gaya yang diterima.

Menurut Suandi, et al, (2017: 50-52), Dalam perhitungannya, terdapat

rumus yang bisa diaplikasikan untuk mencari parameter – parameter yang

dibutuhkan, yaitu:

a. Gaya dorong yang diberikan angin terhadap rotor (thrust force):

𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝜌 . 𝐴𝑠𝑤𝑒𝑝𝑡 . 𝑣2 . 𝐶𝑡.......................................................... (2.6)

Dimana: 𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = Gaya dorong (N)

23

𝜌 = Massa jenis udara (1,225 kg/m3)

𝐴𝑠𝑤𝑒𝑝𝑡 = Luas sapuan bilah (m2)

𝑣2 = Kecepatan angin (m/s)

𝐶𝑡 = Koefisien thrust (sesuai dengan diagram Cp – Ct –

TSR)

Diagram Cp – Ct – TSR ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.10 Diagram Cp dan Ct sebagai fungsi TSR

(Sumber: Muljadi, et al, 1998: 4)

b. Gaya yang diberikan angin terhadap penampang ekor (vane force):

𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 = 𝜌 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . 𝑣2 . sin 𝛼 ......................................................... (2.7)

Dimana: 𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 = Gaya pada penampang ekor (N)

𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 = Luas daun ekor (m2)

𝛼 = Sudut pembelokan ekor

c. Momen gaya dorong (moment thrust):

𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒

𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝐹𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 . 𝑙𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 ................................................................ (2.8)

Dimana: 𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = Momen dorong (Nm)

24

𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒 = Momen pada penampang ekor (Nm)

𝑙𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = Jarak sumbu rotor dengan sumbu yaw (m)

d. Panjang ekor yang digunakan (ltail):

𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = 𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒

𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒

𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = 𝑀𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡

𝜌 . 𝑣2 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . sin 𝛼 ................................................................... (2.9)

Dimana: 𝑙𝑡𝑎𝑖𝑙 = Panjang ekor (m)

e. Massa pada ujung ekor (m):

𝑀𝑣𝑎𝑛𝑒 = 𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦

𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = 𝐹𝑔 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚

𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = 𝑚 . 𝑔 . sin 𝜃

𝑚 = 𝜌 . 𝑣2 . 𝐴𝑣𝑎𝑛𝑒 . sin 𝛼 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚

𝑔 . sin 𝜃 . 𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚 ............................................................ (2.10)

Dimana: 𝑀𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 = Momen gravitasi (Nm)

𝐹𝑔 = Gaya yang melawan arah puataran ekor (N)

𝑙𝑏𝑜𝑜𝑚 = Panjang batang ekor (m)

𝑚 = Massa pada ujung ekor (kg)

𝑔 = Percepatan gravitasi (m/s2)

𝜃 = Sudut sumbu engsel ekor (pivot)

f. Gaya furling (furl force):

𝐹𝑓𝑢𝑟𝑙 = 𝐹𝑣𝑎𝑛𝑒 − 𝐹𝑔 ........................................................................... (2.11)

Dimana: 𝐹𝑓𝑢𝑟𝑙 = Gaya furling (N)

25

Untuk memudahkan pengamatan dan pemahaman terhadap rumus, dapat

melihat skema dari perancangan furling pada gambar (2.11), (2.12), dan (2.13)

berikut ini:

Gambar 2.11 Skema mekanisme furling

(sumber: Suandi, et al, 2017: 51)

Gambar 2.12 Skema mekanisme furling saat kecepatan angin tinggi

(Sumber: Suandi, et al, 2 017: 51)

26

Gambar 2.13 Skema mekanisme furling tampak belakang

(Sumber: Suandi, et al, 2017: 51)

2.3 Kerangka Berfikir

Dari kajian pustaka dan landasan teori yang ada, untuk menentukan

hipotesis pada penelitian ini diperlukan sebuah kerangka berfikir, dalam hal ini

perlu bagaimana suatu variabel memiliki hubungan dengan variabel lainnya dan

dapat mempengaruhi performa dari turbin angin itu sendiri. Variabel yang akan

dicari hubungannya diantaranya panjang batang ekor, bentuk daun ekor dan juga

kecepatan angin terhadap performa turbin.

Pengaruh panjang batang ekor terhadap performa turbin yaitu akan

mempengaruhi kestabilan turbin angin dari yawing turbin dan juga furling ekor

yang akan berakibat pada baik atau tidaknya penangkapan energi angin oleh

turbin. Menurut Suandi, et al, (2017: 26) mekanisme furling dengan panjang ekor

10% lebih pendek dan 10% lebih panjang dari panjang ekor hasil perancangan

27

menunjukkan ketidakstabilan pada sudut yawing kincir. Mekanisme furling paling

stabil yaitu pada kincir angin dengan variasi panjang ekor sesuai rancangan karena

telah dilakukan perhitungan kesetimbangan gaya dan momen dengan baik.

Pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin yaitu akan

mempengaruhi penangkapan energi angin oleh turbin angin, karena dengan

adanya perbedaan bentuk daun ekor akan mempengaruhi perbedaan tekanan dan

gaya yang dapat diterima oleh daun ekor turbin itu sendiri. Menurut Nikhil dan

Sandip, (2015: 41) bahwa tekanan dan gaya yang terinduksi pada bentuk ekor

triangular sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan bentuk ekor rectangular dan

trapezoidal. Menggunakan bentuk daun ekor bentuk triangular akan sedikit lebih

meningkatkan performa dari turbin angin dibandingkan dengan trapezoidal dan

rectangular, dan dengan semakin meningkatnya sudut inklinasi akan semakin

meningkatkan gaya pada daun ekor.

Sesuai dengan rancangan kinerja furling yang sudah disusun, maka pada

kecepatan angin sampai dengan 5 m/s, turbin angin akan terus mengalami

kenaikan daya yang dihasilkan, dan pada kecepatan angin diatas 5 m/s atau dalam

hal ini sudah ditentukan sebagai batas dari overspeed akan terjadi pengurangan

penangkapan energi angin oleh turbin angin sehingga akan mengalami penurunan

daya yang dihasilkan.

2.4 Hipotesis

Berdasarkan kerangka berfikir yang telah dibuat, hipotesis dari penelitian ini

adalah:

28

a. Variasi panjang batang ekor terhadap performa dari turbin angin sumbu

horizontal akan mempengaruhi kestabilan turbin angin dari yawing turbin

dan juga furling ekor yang akan berakibat pada baik atau tidaknya

penangkapan energi angin oleh turbin;

b. Variasi bentuk daun ekor performa dari turbin angin sumbu horizontal akan

mempengaruhi perbedaan tekanan dan gaya yang dapat diterima oleh daun

ekor turbin, yang berakibat pada perbedaan penangkapan energi angin oleh

turbin angin;

c. Daya maksimum yang mungkin bisa dihasilkan oleh turbin angin adalah

sampai pada kecepatan angin 5 m/s sesuai dengan rancangan yang telah

dibuat;

d. Mekanisme furling dapat bekerja dengan baik sesuai dengan rancangan

yang telah dibuat;

e. Konfigurasi paling stabil dalam penelitian ini adalah pada bentuk daun ekor

triangular dan panjang batang sesuai dengan hasil rancangan yaitu 0,71 m.

95

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan pembahasan dan analisis data hasil penelitian yang telah

dilakukan pada pengaruh panjang batang dan bentuk daun ekor turbin angin

sumbu horizontal dengan mekanisme furling terhadap performa turbin, dapat

disimpulkan bahwa:

1. Pengaruh panjang batang terhadap performa turbin yaitu dengan semakin

panjang ukuran dari panjang batang ekor maka akan semakin kecil sudut

yawing maupun furling yang dibentuk, dikarenakan adanya momen yang

lebih besar. Semakin besar daya yang mampu dihasilkan oleh turbin angin

ketika semakin panjang ukuran batang ekornya karena lebih stabil, tetapi

disisi lain faktor keamanan untuk sudu yang berputar overspeed perlu

diperhatikan. Pernyataan ini sesuai dengan hipotesis.

2. Pengaruh bentuk daun ekor terhadap performa turbin akan mempengaruhi

perbedaan tekanan dan gaya yang dapat diterima oleh daun ekor turbin,

bentuk daun ekor triangular memiliki konversi daya yang lebih dominan

daripada bentuk yang lainnya, karena diantara kecepatan angin 4,3 m/s – 4,8

m/s memiliki daya keluaran yang lebih baik dari variasi lainnya yang

diujikan, dengan kondisi kecepatan rata – rata angin di Indonesia adalah 3 –

6 m/s, dan terkhusus di pantai marina dengan kecepatan rata – rata angin

96

pada saat pengujian adalah 3 – 5 m/s. Pernyataan ini sesuai dengan

hipotesis.

3. Daya maksimum yang mampu dihasilkan oleh turbin angin dengan variasi

panjang batang ekor dan bentuk daun ekor pada kecepatan angin 4,3 m/s

yaitu pada bentuk daun ekor Triangular dengan panjang batang ekor 0,35 m

dengan nilai 0,991 watt. Pada kecepatan angin 4,8 m/s yaitu pada bentuk

daun ekor Triangular dengan panjang batang ekor 0,53 m dengan nilai

1,140 watt. Pada kecepatan angin 5,2 m/s yaitu pada bentuk daun ekor

Trapezoidal dengan panjang batang ekor 0,53 m dengan nilai 1,183 watt.

Pernyataan ini kurang sesuai dengan hipotesis, pada kecepatan angin diatas

5 m/s, beberapa variasi masih mengalami kenaikan daya.

4. Mekanisme furling yang sudah dirancang pada kecepatan angin 5 m/s

bekerja dengan baik, namun pada kecepatan 4,3 m/s sudut yawing dan

furling sudah bekerja dengan membentuk sudut yawing tertinggi pada

bentuk daun ekor Up Triangular dengan panjang batang ekor 0,35 m yaitu

61,73 derajat, dan sudut furling tertinggi pada bentuk daun ekor Triangular

dengan panjang batang ekor 0,35 m yaitu 53,94 derajat. Sehingga dapat

dikatakan mekanisme yang dirancang sudah bekerja sebelum kecepatan

rancangan, dan sangat tinggi pada panjang batang ekor dengan ukuran

paling kecil. Pernyataan ini sesuai dengan hipotesis.

5. Konfigurasi yang paling stabil atau yang paling ideal berdasarkan hasil

penelitian untuk turbin ini adalah untuk bentuk daun ekor jenis Triangular

dan panjang batang ekor yang paling baik adalah 0,53 m, karena mulai dari

97

kecepatan angin 4,3 m/s sampai dengan 4,8 m/s sesuai dengan data yang

digunakan mengalami kenaikan daya dan merupakan daya yang paling

tinggi, dan pada kecepatan angin 5,2 m/s mengalami penuruan, ini sesuai

dengan rancangan dimana pada kecepatan angin diatas 5 m/s fungsi dari

rancangan mekanisme furling mulai bekerja untuk mengurangi penangkapan

energi angin dengan memperkecil sudut proyeksi terhadap arah angin yang

datang, sehingga kerusakan dari sudu akibat tekanan angin yang semakin

tinggi bisa diminimalisir, meskipun daya yang dihasilkan akan berkurang

sebelum titik maksimal. Pernyataan ini kurang sesuai dengan hipotesis,

panjang batang ekor rancangan bukan merupakan konfigurasi yang paling

stabil.

5.2 Saran

Berdasarkan dari hasil penelitian yang dilakukan pada pengaruh panjang

batang dan bentuk daun ekor turbin angin sumbu horizontal dengan mekanisme

furling terhadap performa turbin, terdapat beberapa saran untuk penelitian terkait

selanjutnya sebagai berikut:

1. Mekanisme sambungan dari ekor tidak menggunakan engsel dengan

bearing, sehingga masih menghasilkan gesekan yang mungkin bisa

mengganggu performa ekor dalam mengayun. Bisa dirancang tersendiri

sehingga bisa memaksimalkan hasil dari performa ekor;

2. Dalam penelitian ini belum mencantumkan data kecepatan putaran bilah.

Bisa ditambahkan pengukuran putaran bilah dengan alat pengukur

98

kecepatan putaran bilah yang otomatis (tachometer otomatis) sebagai

validasi dari peningkatan kecepatan angin terhadap daya yang dihasilkan;

3. Bahan dalam pembuatan rakitan ekor bisa dijadikan sebuah materi baru,

apakah ada pengaruh terhadap massa dari bahan yang dipilih;

4. Analisa mengenai moment thrust bisa pada setiap variasi daun ekor dengan

menggunakan software untuk mendukung hasil penelitian eksperimen;

5. Penambahan data logger pada pengukuran mampu memberikan hasil data

yang lebih akurat dan mudah untuk diperoleh.

99

DAFTAR PUSTAKA

Arinaldo, D., Adiatma, J. C., and Simamora, P. 2018. Indonesia Clean Energy

Outlook Reviewing 2018, Outlooking 2019. Jakarta Selatan:

https://www.iesr.or.id.

Atmadi, S., dan Fitroh, A. J. 2007. Rancangan Sistem Orientasi Ekor Turbin

Angin 50 kW. Jurnal LAPAN, vol. 5, no. 2, pp. 113-117.

Audierne, E., Elizondo, J., Bergami, L., Ibarra, H., and Probst, O. 2010. Analysis

of the Furling Behavior of Small Wind Turbines. Applied Energy, 2278-

2292.

DEN. 2016. Outlook Energy Indonesia 2016. Jakarta Selatan:

https://www.den.go.id.

Hemami, A. 2012. Wind Turbine Technology. Clifton Park, NY: CENGAGE

Learning.

Manwell, J. F., McGowan, J. G., and Rogers, A. L. 2009. Wind Energy Explained

Theory, Design and Application Second Edition. West Sussex, UK: John

Willey & Sons Ltd. Publication.

Muljadi, E., Forsyth, T., and Butterfield, C. P. 1998. Soft-Stall Control versus

Furling Control for Small Wind Turbine Power Regulation. Bakersfield,

CA: National Renewable Energy Laboratory.

Nikhil, C. R., and Sandip, A. K. 2015. Effect of Tail Shape on Yawing

Performance of Micro Wind Turbine. International Journal of Energy and

Power Engineering, Vol. 4, No. 5-1, 38-42.

Piggott, H. 1997. Windpower Workshop Building Your Own Turbine. Centre for

Alternative Technology Publications.

Piggott, H. 2003. How to Build a Wind Turbine Axial Flux Alternator Windmill

Plans 8 Foot and 4 Foot Diameter Machines. UK:

https://www.scoraigwind.com.

Singamsitty, V., and Zhou, H. 2017. Tail Shape Design of Boat Wind Turbines.

International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 6 Issue

03, 582-587.

Suandi, A., Pramudiono, L., dan Supardi, N. I. 2017. Perancangan Mekanisme

Furling Control untuk Kincir Angin Skala Mikro. Jurnal Teknosia, Vol.

III, No. 1, 47-59.

100

Suandi, A., Pramudiono, L., Supardi, N. I., dan Puspawan, A. 2017. Kaji

Karakteristik Mekanik Furling Control dengan Sudut Ekor 20o pada Kincir

Angin Skala Mikro. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Rekayasa Mekanik, Vol. 1

No. 2, 21-26.

Suryana. 2010. Metodologi Penelitian. Bandung: Universitas Pendidikan

Indonesia.

Zahra, I. N. 2015. Dasar-dasar Perancangan Bilah. Lentera Angin Nusantara.

TERHADAP PERFORMA TURBINlib.unnes.ac.id/36609/1/5212414034_Optimized.pdfpanjang batang dan bentuk...

Documents

Transcript of TERHADAP PERFORMA TURBINlib.unnes.ac.id/36609/1/5212414034_Optimized.pdfpanjang batang dan bentuk...