PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP UNJUK KERJA TURBIN ANGIN SAVONIUS TYPE L

Bayu Mahendra, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang

Jalan MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia E-mail : mahebayu@gmail.com

ABSTRAK

Semakin menipisnya sumber energi yang tidak dapat terbarukan (non-renewable), memerlukan suatu jalan alternatif guna mengganti sumber energi tersebut dengan sumber energi yang terbarukan (renewable). Sumber energi tak terbarukan yang banyak digunakan saat ini adalah bahan bakar yang berasal dari fosil (minyak bumi, gas alam, dan batu bara). Salah satu upaya mengatasi masalah tersebut adalah dengan menggunakan energi angin. Turbin angin adalah salah satu mesin konversi energi yang merubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik pada porosnya. Turbin angin savonius memiliki kemampuan self-starting yang bagus sehingga hanya membutuhkan angin dengan kecepatan rendah untuk dapat memutar rotor dari turbin angin ini. Turbin angin savonius cocok untuk kondisi di Indonesia. Secara umum turbin angin savonius hanya memanfaatkan gaya dorong dari angin, sehingga semakin besar gaya dorong, maka efisiensi turbin juga semakin besar. Metode yang digunakan adalah penelitian eksperimental dengan memvariasikan jumlah sudu (2,3 dan 4 buah) dengan variabel bebas kecepatan angin pada wind tunnel dari kecepatan 3 m/s, 5m/s, 7 m/s. Sedangkan variabel terikatnya adalah torsi, daya poros dan efisiensi. Hasil pengujian dan analisis perhitungan menunjukkan bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 mempunyai unjuk kerja yang tinggi dibandingkan dengan jumlah sudu yang lainnya. Posisi masing masing sudu yang tidak simetris menjadikan gaya hambat negatif relatif kecil dan jarak antara sudu yang satu dengan lainnya terhadap poros sudu turbin mempunyai kerenggangan yang menjadikan aliran dapat mengalir dan menerpa sudu lainnya dan ini akan meningkatkan gaya momen pada sudu sehingga aliran turbulensi yang terdapat pada turbin tersebut relatif kecil.

Kata Kunci : Turbin Angin, Savonius, Jumlah Sudu, Unjuk Kerja

PENDAHULUAN

Semakin menipisnya sumber energi yang tidak dapat terbarukan (nonrenewable), serta penggunaan bahan bakar yang ramah lingkungan, memerlukan suatu jalan alternatif guna mengganti sumber energi tersebut dengan sumber energi yang terbarukan (renewable). Sumber energi tak terbarukan yang banyak digunakan saat ini adalah bahan bakar yang berasal dari fosil (minyak bumi, gas alam, dan batu bara). Salah satu upaya mengatasi masalah tersebut adalah dengan menggunakan energi angin. Angin termasuk salah satu dari sumber daya energi yang terbarukan, dan

ramahlingkungan sehingga sangat potensial untuk mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan energi bahan bakar minyak. Contoh nyata kemajuan pesat di bidang engineering atau rekayasa ini adalah makin banyaknya penggunaan turbin angin.

Turbin angin adalah kincir angin yang saat ini banyak digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain-lain. Prinsip dasar kerja dari turbin angin untuk pembangkitan listrik adalah mengubah energi mekanik dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator yang akan menghasilkan listrik.

Salah satu jenis turbin angin adalah Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV). TASV memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin untuk menghasilkan energi listrik. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. TASV terdiri dari beberapa jenis turbin angin, salah satunya adalah turbin angin savonius. Jenis ini memiliki kemampuan self-starting yang bagus, sehingga hanya membutuhkan angin dengan kecepatan rendah untuk dapat memutar rotor dari turbin angin ini. Selain itu, torsi yang dihasilkan turbin angin jenis savonius relatif tinggi (Sargolzei, 2007).

Tinjauan Pustaka

Penelitian Sebelumnya

Soelaiman (dkk) 2007 melakukan beberapa penelitian tentang bebrapa macam blade, yaitu savonius dengan blade tipe U dan savonius dengan blade tipe L. dari penelitian mereka menyimpulkan bahwa blade savonius tipe L menghasilkan unjuk kerja yang paling baik dibandingkan dengan tipe yang lain.

Hendra A. (2012), dalam penelitiannya yang berjudul Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius. Menggunakan metode penelitian eksperimental dengan variasi jumlah sudu : 2, 3, dan 4 buah dengan variabel bebas kecepatan angin pada wind tunnel dari kecepatan 3 m/s sampai 7 m/s. Didapatkan hasil analisis bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah memiliki unjuk kerja yang tinggi dibandingkan dengan jumlah sudu yang lain. Hal ini terjadi karena pada turbin dengan jumlah sudu 3 buah mempunyai jarak antara sudu yang satu dengan lainnya terhadap poros sudu turbin mempunyai kerenggangan menjadikan aliran dapat mengalir dan menerpa sudu dibelakang poros dan ini akan meningkatkan gaya momen serta mengurangi gaya hambat negatif pada sudu sehingga aliran turbulensi yang terdapat pada turbin tersebut relative kecil.

Angin

Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan dengan arah aliran angin dari tempat yang memiliki tekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah yang memiliki suhu randah ke tempat yang bersuhu tinggi. (wikipedia.org/Angin).

Turbin Angin

Turbin angin adalah sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik pada poros turbin tersebut (Sargolzaei, 2007:51). Energi angin dikonversi sebagian menjadi energi putar oleh rotor. Dengan atau tanpa roda gigi, putaran rotor tersebut biasanya digunakan untuk memutar generator yang akan menghasilkan energi listrik.

Turbin Angin Savonius

Turbin angin tipe savonius merupakan turbin dengan konstruksi sederhana pertama kali ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius. Turbin yang

termasuk dalam kategori VAWT ini memiliki rotor dengan bentuk dasar setengah silinder.

Konsep turbin angin savonius cukup sederhana, prinsip kerjanya berdasarkan differential drag windmill.

Turbin Angin Savonius type L

Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti desain rotor yang berbentuk huruf L seperti pada gambar 4.1 berikut.

Gambar 4.1 sudu savonius type L Sumber : soelaiman, 2006

pada Turbin angin savonius type L aliran udara pada sisi bilah yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran (Soelaiman, 2006).

Prinsip Kerja Turbin Angin Savonius

Turbin angin memiliki prinsip kerja sama seperti turbin pada umumnya. Dimulai dari pemanfaatan energi kinetik yang dimiliki oleh angin, yang kemudian dikonversikan oleh sudu menjadi energi mekanik poros atau rotor. Hal tersebut seperti pada gambar 4.2 berikut.

Gambar 4.2 Prinsip kerja turbin angin savonius type L

Sumber : soelaiman, 2006

Turbin angin savonius adalah jenis turbin angin tipe drag, dimana turbin ini menghasilkan daya dengan memanfaatkan gaya drag yang di hasilkan dari tiap-tiap sudunya. Drag merupakan gaya yang bekerja berlawanan dengan arah angin yang menumbuk sudu (White, 1986: 412).

Energi Kinetik

Energi kinetik adalah usaha yang dibutuhkan untuk menggerakkan sebuah benda dengan massa tertentu dari keadaan diam hingga mencapai kecepatan tertentu.

E = ½ m.v²(Bueche; 1991: 46) (2-1) Keterangan :

E = energi dari udara yang bergerak (joule) m = massa ( kg )

v = kecepatan angin (m/detik)

Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius

1. Brake horse power ( BHP )

Setelah didapatkan harga P_generatormaka dapat dihitung BHP :

2. Torsi (T)

3. Efisiensi (η)

METODOLOGI PENELITIAN

Metode Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode penelitian eksperimental ( experimental research), yaitu melakukan pengamatan untuk mencari data sebab akibat dalam suatu proses melalui eksperimen sehingga dapat mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap unjuk kerja pada turbin angin savonius type L.

Variabel Penelitian

Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Variabel bebas

Variabel bebas adalah variabel yang tidak dipengaruhi oleh variabel yang lain.

Variabel bebas dalam penelitian ini adalah :

• Jumlah sudu : 2; 3; dan 4 buah

• Kecepatan angin: 3; 5; dan 7 m/s Hal ini dapat kita lihat pada gambar 4.3 seperti berikut :

Gambar 4.3sudu turbin savonius type L

2. Variabel terikat

Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi oleh variabel bebas yang telah ditentukan dalam penelitian ini. Variabel terikatnya adalah :

• Daya poros dari turbin angin savonius.

• Torsi yang dihasilkan oleh turbin angin savonius.

Efisiensi yang dihasilkan turbin angin savonius.

Instalasi Penelitian

Instalasi penelitian dapat dilihat seperti pada gambar 4.4 dan 4.5 dan gambar turbin angin yang digunakan

Gambar 4.4. Skema Instalasi Uji

Gambar 4.5 wind tunnel

Keterangan gambar :

1. Blower

2. Wind tunnel

3. Turbin angin Savonius type L

4. Generator listrik

5. Digital Multitester

6. Digital Tachometer

PEMBAHASAN

Gambar 4.7 Grafik Hubungan Kecepatan angin Terhadap BHP

Dari gambar 4.7 dapat diketahui bahwa kecepatan angin berpengaruh terhadap daya poros yang dihasilkan. Pada awal sampai akhir grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap daya poros pada jumlah sudu yang sama mengalami kecenderungan yang meningkat. Semakin meningkatnya kecepatan angin akan menyebabkan semakin besar momentum angin yang menumbuk turbin setiap detiknya, maka perbedaan tekanan antara bagian depan sudu dan bagian belakang sudu meningkat, sehingga gaya dorong yang dihasilkan semakin meningkat pula. Akibat dari peningkatan gaya dorong ini akan menyebabkan peningkatan dari daya poros turbin itu sendiri.

Hal tersebut dapat dilihat pada turbin angin dengan jumlah sudu 2 buah, pada kecepatan angin 3 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.021 watt, kecepatan angin 5 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.102 watt dan pada kecepatan angin 7 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.233 watt. Daya poros maksimal didapat pada jumlah sudu 3, yakni pada kecepatan angin 3 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.029 watt, kecepatan angin 5 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.143 watt dan kecepatan angin 7 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.267 watt. Hal ini terjadi karena pada turbin dengan jumlah sudu 3 buah mempunyai jarak antara sudu yang satu dengan lainnya terhadap poros sudu turbin mempunyai kerenggangan yang menjadikan aliran dapat mengalir dan menerpa sudu dibelakang poros dan ini akan meningkatkan gaya dorong serta mengurangi gaya hambat negatif pada sudu sehingga aliran turbulensi yang terdapat pada turbin tersebut relatif kecil. Pada turbin dengan jumlah sudu 4 buah dapat dilihat bahwa mempunyai nilai daya poros yang terendah dari yang lainya yaitu pada kecepatan angin 3 m/s daya poros yang dihasilkan adalah 0,017 watt, kecepatan angin 5 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.081 watt dan kecepatan angin 7 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.191 watt. Hal ini dikarenakan gaya drag pada masingmasing sudu lebih tinggi daripada jumlah sudu yang lain, serta terdapat turbulensi di area poros turbin sehingga dapat menurunkan performa turbin itu sendiri. Bertambahnya jumlah sudu yang akan mengakibatkan bertambahnya pula berat dari turbin sehingga membutuhkan gaya dorong yang besar untuk memutar sudu turbin.

Hal itu dapat disebabkan karena semakin tinggi gaya dorong yang dihasilkan, juga akan meningkatkan putaran dari turbin. Semakin tinggi putaran maka daya motor yang dihasilkan akan semakin meningkat pula. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut yaitu:

Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Terhadap Torsi

Gambar 4.8 Grafik hubungan antara

kecepatan angin terhadap torsi

Pada gambar 4.8 grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap torsi pada jumlah sudu yang sama mengalami kecenderungan yang meningkat. Semakin meningkatnya kecepatan angin akan menyebabkan semakin besar momentum angin yang menumbuk sudu turbin. Hal ini yang menyebabkan semakin tinggi kecepatan angin akan semakin tinggi pula gaya dorong yang dihasilkan yang akan meningkatkan putaran dari turbin. Semakin tinggi putaran maka daya poros yang dihasilkan akan semakin meningkat pula. Dengan demikian torsi yang dihasilkan besar. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut yaitu:

Pada grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap torsi dapat kita lihat bahwa turbin dengan jumlah susu 3 buah mempunai nilai torsi yang paling tinggi dengan 0.00084 Nm pada kecepatan angin 3 m/s, 0.00282 Nm pada kecepatan angin 5 m/s dan 0.00398 Nm pada kecepatan angin 7 m/s. Turbin dengan jumlah sudu 4 buah dengan nilai torsi yang terendah dengan dengan 0.00071 Nm pada kecepatan angin 3 m/s, 0.00209 Nm pada kecepatan angin 5 m/s dan 0.00320 Nm pada kecepatan angin 7 m/s. hal ini dikarenakan pada turbin dengan sudu 3 buah mempunyai daya poros yang paling tinggi dibandingkan yang lainnya sehingga torsi yang dihasilkan juga paling tinggi dibanding dengan yang lain. Pada turbin dengan jumlah sudu 4 buah dapat dilihat bahwa mempunyai nilai torsi yang terendah dari yang lainya yaitu pada kecepatan angin 3 m/s daya poros yang dihasilkan adalah 0.00071 Nm, kecepatan angin 5 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.00209 Nm dan kecepatan angin 7 m/s diperoleh daya poros sebesar 0.00320 Nm.

Hal ini dikarenakan dapat kita lihat bahwa pada turbin angin dengan jumlah sudu 4 buah memiliki nilai BHP terendah sehingga torsi yang dihasilkan juga terendah.

Grafik Hubungan Antara Kecepatan

Angin Terhadap Efisiensi

Gambar 4.9 : Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Terhadap efisiensi

Dari gambar 4.9 dapat kita lihat hubungan antara kecepatan angin terhadap efisiensi, dapat dilihat bahwa semakin meningkatnya kecepatan angin maka kenaikan daya poros semakin besar. Hal ini dikarenakan efisiensi merupakan perbandingan antara daya poros dengan daya angin, seperti yang telah dijelaskan pada pembahasan grafik (4.1) sehingga nilai efisiensi yang dihasilkan semakin meningkat. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut yaitu:

η = .100 %

Pada gambar 4.3 grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap efisiensi dapat kita lihat pada turbin dengan 2 buah sudu ketika kecepatan angin 3 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 7.05 % , pada kecepatan angin 5 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 7.23 % dan pada kecepatan angin 7 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 6.04 %. Pada turbin dengan 3 buah sudu ketika kecepatan angin 3 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 9.59 % , pada kecepatan angin 5 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 10.20 % dan pada kecepatan angin 7 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 6.93 %.Pada turbin dengan 4 buah sudu ketika kecepatan angin 3 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 5.57 % , pada kecepatan angin 5 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 5.74 % dan pada kecepatan angin 7 m/s efisiensi yang dihasilkan sebesar 4.95 %, efisiensi optimum diperoleh pada saat kecepatan angin 5 m/s pada tiap masing-masing jumlah sudu dan kemudian mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya kecepatan angin sampai pada kecepatan angin 7 m/s yang mempunyai nilai efisiensi paling rendah. Hal ini dikarenakan, pada kecepatan 5 m/s - 7 m/s nilai kenaikan daya poros tidak sebanding dengan daya angin yang peningkatannya semakin besar seiring peningkatan kecepatan angin dan luas bidang terima dan perbandingan daya angin yang diserap sudu lebih kecil dengan daya angin yang menerobos melalui celah pada turbin. sehingga semakin tinggi kecepatan angin maka losses yang terjadi juga akan semakin besar sehingga efisiensi yang dihasilkan juga semakin menurun seperti pada gambar 4.10 berikut.

Gambar 4.10 : Posisi turbin angin terhadap wind tunnel

Keterangan gambar :

A : celah antara turbin dan dinding wind tunnel

hijau : Angin yang menerobos celah antara turbin dan dinding wind tunnel

orange : Angin yang diserap sudu turbin untuk memutar turbin

Pada gambar 4.3 terlihat bahwa pada jumlah sudu 3 mempunyai nilai efisiensi yang tinggi jika dibandingkan dengan jumlah sudu lainnya. Pada jumlah sudu 3 efisiensi tertinggi dicapai pada kecepatan angin 5 m/s dengan efisiensi 10.20 % sedangkan efisiensi terendah terjadi pada kecepatan angin 7 m/s yaitu 6.93%. Hal ini dikarenakan perbandingan daya poros dan daya angin pada tiap variasi kecepatan angin berbeda-beda, sehingga nilai kenaikan daya poros dan daya angin mempunyai interval yang berbeda-beda pula. Sama halnya dengan turbin angin dengan jumlah sudu 2 dan 4.

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1.Hasil pengujian dan pengolahan data menunjukkan bahwa jumlah sudu berpengaruh pada unjuk kerja turbin angin savonius type L.

2.Unjuk kerja paling tinggi didapat pada turbin dengan jumlah sudu 3. Pada kecepatan angin 7 m/s diperoleh BHP 0.267 watt, torsi 0.00398 Nm, dan efisiensi 10.20 %. Pada kecepatan 5 m/s. Hal ini dikarenakan pada turbin savonius type L sudu 3 mempunyai jarak antara sudu yang satu dengan lainnya terhadap poros sudu turbin mempunyai kerenggangan yang menjadikan aliran dapat mengalir dan menerpa sudu dibelakang poros dan ini akan meningkatkan gaya momen serta mengurangi gaya hambat negatif pada sudu sehingga aliran turbulensi yang terdapat pada turbin tersebut relatif kecil.

3.Unjuk kerja paling rendah didapat pada turbin dengan jumlah sudu 4. Pada kecepatan angin 7 m/s diperoleh BHP 0.191 watt, torsi 0.00320 Nm, dan efisiensi 4.95 %. Hal ini dikarenakan pada turbin savonius type L sudu 4 mempunyai nilai daya poros terendah dibanding jumlah sudu yang lain hal ini dikerakan dengan bertambahnya jumlah sudu berat dari turbin juga akan bertambah sehingga membutuhkan gaya dorong yang lebih besar.

Saran

Dari penelitian yang telah dilakukan disarankan untuk:

1. Dilakukan penelitian lebih lanjut tentang pengaruh kemiringan sudu terhadap unjuk kerja turbin angin Savonius tipe L .

2. Dilakukan penelitian lebih lanjut tentang penggabungan antara turbin angin savonius type L dan darrieus untuk mengetahui unjuk kerja dari turbin tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Bueche, F. J. 1988.Fisika. Jakarta:Erlangga.

Dietzel, Fritz.

1990.TurbinPompadanKompresor, Jakarta: Erlangga

Fox, Robert W. and McDonald Alan T.

1994.Introduction to Fluid Mechanics.New York : JohnWiley and Sons Inc.

Giancoli, Douglas C. 1995: Physics Fourth Edition.New Jersey: Prentice Hall International Inc.

Hasan. 2011 : Optimasi Desain Turbin Angin Savonius. UNS : Surakarta http://en.Hasan.org/w/index.php?title =Skala beaufort&oldid=565818668, diakses tanggal 27 Juli 2013.

Hau, E. 2006. Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Applications, Economics 2nd Edition. Berlin:

Springer.

Hendra A. 2012, Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius. Universitas Brawijaya

Hermawan. 2010 : Unjuk Kerja Model Trubin Angin Poros Vertikal Tipe Savonius Dengan Variasi Jumlah Sudu Dan Variasi Posisi Sudu; Jurusan Teknik Mesin Dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada.

Hunt, V. Daniel; 1981: Wind Power. New York:Nostard Reinhold.

Kadir, Abdul; 1996.Energi.Jakarta: UPI

Karnowo; 2008: Pengaruh Perubahan Overlap Sudu Terhadap Torsi Yang Dihasilkan Turbin Angin Savonius Tipe U, Majalah Ilmiah STTR, Cepu.

PT.PLN. 2001.Teori Dasar Listrik; PT. PLN, Jawa Barat

Reksoatmodjo, Tedjo Narsoyo. 2004.

Vertical Axis-Differential Dragmill.

Semarang: UNJANI.

Sargolzaei, J. 2007. Prediction of The Power

Ratio in Wind Turbine Savonius Rotors Using Artifical Neural

Networks.Zahedan:Baluchestan University.

Soelaiman; 2006 : Pengaruh bentuk Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius. Majalah Ilmiah STTR, Cepu.

Sunyoto. 2011 : Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Negeri Semarang. http://www.crayonpedia.org/mw/Turb in_Sunyoto , diakses tanggal 27 Juli 2013.

White, Frank M.;1986 : Fluid Mechanics; McGraw Hill Book Company, New York.

WWEA; 2011: 10^thWorld Wind Energy Conference & Renewable Energy exhibition; World Wind Energy Association WWEA 2011, Bonn.

About Admin

This is dummy text. It is not meant to be read. Accordingly, it is difficult to figure out when to end it. But then, this is dummy text. It is not meant to be read. Period.