1
DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL
SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU MENGGUNAKAN
SOFTWARE SOLIDWORKS 2018
Eko Susetyo Yulianto
FakultasTeknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin, Univeresitas Gunadarma
Jl. Margonda Raya No 100, Depok, 16424
Email :[email protected]
ABSTRAK
Turbin Savonius memiliki karakteristik starting torsi yang baik, dan dapat
menerima angin dari segala arah. Pada tahap perancangan sudu turbin aspek aspek yang
harus diperhatikan yaitu jumlah sudu itu sendiri, lalu jenis material yang digunakan
serta menentukan ukuran dari rotor tersebut. Dapat diketahui bahwa sesuai dengan
hukum Betz, tidak ada turbin yang dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%). Sudu
turbin angin model Savonius tipe U dengan diameter x Panjang yaitu824 mm x 1200
mm, memiliki nilai tsr 0.51 dan nilai CP 0.53 serta memiliki efisiensi sebesar 0.59.
Daya yang dihasilkan dalam satu kali putaran sebesar75.29 Watt dan daya total 127.23
Watt pada 59.4 RPM. Lalu torsi yang didapatkan sebesar 8.84 N. Dimana hasil tersebut
dipengaruhi hasil data teoritis kecepatan angin sebesar 5 m/s.
Kata kunci : Pembangkit Listrik , Simulasi, Turbin angin Savonius.
2
ABSTRACT
The Savonius turbine has good starting torque characteristics, and can accept
wind from all directions. At the turbine blade design stage aspects that must be
considered are the number of blades themselves, then the type of material used and
determine the size of the rotor. It can be seen that according to Betz law, no turbine can
catch more than 16/27 (59.3%). Savonius U type wind turbine blades with diameter x
length that is 824 mm x 1200 mm, has a tip speed ratio value of 0.51 and a CP value of
0.53 and has an efficiency of 0.59. The power generated in one cycle is 75.39 Watt and
the total power is 127.23 Watt at 59.4 RPM. Then the torque obtained is 17.74 N.
Where the results are influenced by the results of theoretical data on wind speed of 5
m/s.
Keywords: Power Plants , Simulation, Wind Turbines Savonius.
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan energy semakin hari
semakin meningkat seiring dengan
bertambahnya jumlah penduduk,
pertumbuhan ekonomi dan konsumsi
energi yang sangat tinggi. Konsumsi listrik
terus tumbuh tiap tahunnya pada kisaran
6% dan program menerangi 2500 desa
merupakan upaya pemerintah untuk
meningkatkan rasio elektrifikasi.[1] Dengan
mengacu kepada Perpres No. 5 tahun 2006
tentang Kebijakan Energi Nasional, bahwa
dalam Perpres disebutkan kontribusi EBT
harus dimaksimalkan perannya dalam
penggunaannya di Indonesia pada tahun
2025 nanti[2]. Salah satu sumber energy
terbarukan adalah energy angin. Energi
angin merupakan salah satu energi yang
ramah lingkungan, sumber energi yang
berlimpah dan dapat diperbaharui
sehingga sangat berpotensi untuk
dikembangkan. Upaya untuk
mengembangkan energy angin mencakup
pengembangan energy angin untuk listrik
dan non listrik (pemompaan air untuk
irigasi dan air bersih). Potensi angin di
Indonesia pada umumnya memiliki
kecepatan angin yang rendah berkisar
antara 3-8 m/s[3]. Sehingga jenis turbin
angin vertical dirasa sangat cocok untuk
digunakan pada kondisi kecepatan angin
rendah. Pada umumnya bentuk turbin
angin yang banyak digunakan adalah
turbin angin sumbu horizontal, walau
3
demikian turbin angin sumbu vertical
menjadi alternative untuk menghasilkan
energy listrik disebabkan oleh beberapa
keuntungan.
Turbin angin vertical memiliki Self
Starting yang baik sehingga mampu
memutar rotor walaupun kecepatan angin
rendah[4]. Selain itu juga kelebihan dari
turbin angin sumbu vertical yaitu dapat
berputar secara efektif dengan dorongan
angin dari segala arah, sehingga sangat
cocok untuk daerah yang arah anginnya
bervariasi. Berbeda dengan turbin angin
sumbu horizontal, untuk mendapatkan
putaran yang efektif turbin harusdiarahkan
pada posisi berlawanan dengan arah angin,
ketika kondisi angin bervariasi maka
turbin jenis sumbu horizontal tidak dapat
berputar dengan maksimal karena harus
mencari posisi efektif dari arah angin
terlebih dahulu[4]. Salah satujenis Vertical
Axis Wind Turbine (VAWT) adalah model
Savonius.Turbin Savonius memiliki
karakteristik starting torsi yang baik,
mudah dalam pembutannya dan dapat
menerima angin dari segala arah.
Berdasarkan uraian diatas, maka
penulis tertarik untuk membuat
perancangan sudu turbin angin tipe
Savonius tipe U, serta menganalisa laju
aliran pada sudu Turbin Angin Sumbu
Vertical Savonius tipe U menggunakan
software Solidworks 2018.
TINJAUAN PUSTAKA
Angin merupakan salah satu unsur
yang dapat mempengaruhi kondisi cuaca
dan iklim. Angin adalah pergerakan udara
yang disebabkan adanya perbedaan
tekanan udara yang mengakibatkan adanya
hembusan atau tiupan disuatu Tempat atau
daratan.
Salah satu kondisi angin yang
harus di pertimbangkan adalah kecepatan
angin. Syarat Kecepatan Angin Tingkat
kecepatan angin berdasarkan kondisi alam
yang terjadi dijelaskan pada tabel 1
Tabel 1. Tingkatan kecepatan angin
berdasarkan kondisi alam.(Sumber :
Antonov Bachtiar, Wahyudi Hayattul.
2018)
Selain kecepatan angin, parameter
yang harus diperhatikan pada angin adalah
masa jenisnya (ρ). Dimana Tingkat masa
4
jenis berhubungan salah satunya dengan
suhu, Jika suhu dinaikkan massanya akan
berkurang, dapat dilihat padat abel 2 yaitu
tabel property dari udara/angin.
Tabel 2. Physical Properties of Air
(Sumber : Applied Fluid Dynamics
Handbook: Blevins, Robert D)
Turbin angin atau wind turbine
adalah kincir angin yang digunakan untuk
memutar generator listrik dan
menghasilkan energy listrik. Prinsip kerja
dari turbin angin ini menggunakan prinsip
konversi energi dan menggunakan sumber
daya alam yang terbarukan yaitu
angin.Sebuah pembangkit listrik tenaga
angin dapat dibuat dengan
menggabungkan beberapa turbin angin
sehingga menghasilkan listrik ke unit
penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui
kabel transmisi dan didistribusikan
kerumah-rumah, kantor, sekolah, dan
sebagainya. Berikut ini adalah jenis turbin
angin: [5]
a) Turbin Angin Sumbu Horizontal
(Horizontal Axis Wind Turbine)
b) Turbin Angin Sumbu Vertikal
(Vertical Axis Wind Turbine)
Turbin angin sumbu horizontal
(TASH) memiliki poros rotor
utama dan generator listrik di
puncak menara. Turbin berukuran
kecil diarahkan oleh sebuah baling-
baling angin (baling-baling cuaca)
yang sederhana, sedangkan turbin
berukuran besar pada umumnya
menggunakan sebuah sensor angin
yang digandengkan kesebuah servo
motor.
Gambar 1.Turbin angin sumbu
horizontal (Sumber :Antonov Bachtiar,
WahyudiHayattul. 2018)
Berdasarkan jumlah sudu, maka
turbin angin sumbu horizontal memiliki
beberapa jenis yaitu turbin angin satu sudu
5
(single blade), turbin angin dua sudu
(double blade), turbin angin tiga sudu
(three blade) dan turbin angin banyak
sudu (multi blade) seperti pada Gambar 2.
Gambar 2.Bentuk Sudu/Blade TASH
(Sumber :Agus Mukhtar, HisyamMa’mun.
2016)
Turbin angin sumbu
vertikal/tegak (atau TASV) memiliki
poros/sumbu rotor utama yang disusun
tegak lurus. agar menjadiefektif.
Kelebihan ini sangat berguna di tempat-
tempat yang arah anginnya sangat
bervariasi. VAWT mampu
mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Gambar 3.Turbin angin sumbu
vertikal (Sumber :Antonov Bachtiar,
WahyudiHayattul. 2018)
Beberapa penelitian telah
dilakukan untuk membuat berbagai
macam bentuk sudu yang sesuai untukt
urbin Angin. Diantara beberapa bentuk
sudu yang telah dibuat untuk turbin angin
sumbu horizontal adalah multi blade, sail
swing, tipe Belanda dan propeller.
Sedangkan pada turbin 22ngina sumbu
vertical adalah cross-flow, savonius,
darrieus dan giromillseperti pada Gambar
4
Gambar 4.Bentuk Sudu/Blade TASV
(Sumber :Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul
Saleh. 2015)
RumusPerancanganSuduTurbinSavoni
us
1. EnergiKinetik
Ek ½ mv2 (2.1)
2 . Laju Volume Aliran
V = vA (2.2)
3. Massa Aliran
ṁ = ρAv (2.3)
4. Daya Total
Ptotal= 1
2 𝑥 𝐺𝑐𝜌𝐴𝑉3 (2.4)
6
5. DayaMaksimal
PMaks= 8
27 𝑥 𝐺𝑐𝜌𝐴𝑉3 (2.5)
6. EfisiensiSuduTurbin
Ƞsudu = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.6)
7. KoefisienDaya
Cp = P
1
2 𝑥 𝜌 𝑥 𝑉3 𝑥 𝐴
(2.7)
8. Tip Speed Ratio
𝜆 = 𝜔𝑟
V (2.8)
9. PutaranTurbin
RPM = 60λ x V
π x D (2.9)
10. Torsi
𝜏 = 30 x P
π x RPM (2.10)
METODOLOGI DESAIN DAN
PERANCANGAN
Berikut ini adalah diagram alir
Perancangan Sudu Turbin Angin Model
Savonius untuk pembangkit listrik tenaga
angin, kemudian proses desain serta
analisa aliran (flow)pada sudu sebagai
berikut:
Gambar 5 Diagram Alir Proses
PerancanganSuduTurbinAngin Model Savonius
Studi Literatur
Dalam menyelesaikan penuliasn ini
penulis membaca beberapa referensi dari
jurnal maupun buku untuk menambah
pengetahuan mengenai turbin angin.
Kajian terdahulu diperlukan agar proses
penulisan dilakukan lebih optimal. Ada
beberapa kajian penelitian yang sudah
dilakukan penulis penulis sebelumnya
yang tercantum pada bab sebelumnya.
IdentifikasiMasalah
Berdasarkan penulis-penulis
sebelumnya dalam merancang bangun
turbin angin untuk pembangkit listrik
tenaga angin maka dapat diidentifikasi
masalahnya diantaranya yaitu jumlah sudu
berpengaruh terhadap menaikan efisiensi.
7
Selainitu, pengaruh jumlah sudu dapat
mempengaruhi torsi yang dihasilkan.
Dimana, semakin banyak jumlah sudu
akan menaikan nilai torsi.
Perancangan dan KonsepProduk
Berdasarkan spesifikasi Teknik
produk hasil pengumpulan data diatas,
maka dapat dicari beberapa konsep produk
yang dapat memenuhi persyaratan-
persyaratan dalam spesifikasi tersebut.
Adapun spesifikasi sudu turbin
angin vertical savonius tipe U 4 sudu
adalah berikutini :
Jenisproduk : Suduturbin
Model : Savonius
Tipe : U
Diamatersudu : 824 mm
Tinggi sudu : 1200 mm
Jumlahsudu : 4 buah
Tebalsudu : 3 mm
Gambar 6. Alat Pembangkit Listrik
Tenaga Angin dengan Sudu Savonius 4
sudu Tipe U
.
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Dengan menganggap suatu
penampang melintang A, dimana udara
dengan kecepatan v mengalami
pemindahan volume untuk setiap satuan
waktu, yang disebut denganaliran volume
V sebagaipersamaan (2.2) :
V = 5 m/s x 3.32 m2
V = 16.6 m3
Sedangkanaliranmassadengankec
epatanudaradapatdihitungdenganpersamaa
n (2.3) :
ṁ = 1.165 Kg/m3 x 3.32 m2 x 5 m/s
ṁ = 19.34 Kg/m6.s
Parameter yang penulis gunakan dalam
perancangan sudu turbin angin yang
diperlukan untuk simulasi analisis
mencakup data-data yang diketahui
diantaranya :
Perhitungan Spesifikasi SuduTurbin
Angin Savonius
a. Diameter sudu = 0,82 m
b. Jari-jarisudu = 0.41 m
c. KecepatanAngin = 5 m/s
8
d. Masa udara = 1.165 Kg/m3
e. Tinggi sudu= 1.2 m
f. Luas sudu = 3.32 m2
g. SuhuLingkungan = 30°C
h. FaktorKoreksi = 1.9Kg/N.m2
Menghitung Daya Total
Ptotal= 1
2 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 53
Ptotal= 127.23 Watt
Menghitung Daya Maksimum
PMaks= 8
27 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 53
PMaks= 75.39 Watt
Efisiensi Teoritis Ideal Sudu
Ƞsudu = 75 .39
127 .23
Ƞsudu = 0.59
Koefisien Daya Sudu (Cp)
Cp = 55.57
1
2 𝑥 1.165 𝑥 53 𝑥 1.45
Cp = 0.53
Tip Speed Ratio
𝜆 = 2 𝑥 3.14 𝑥 0.41
5
𝜆 = 0.51
Putaran Sudu Turbin
RPM = 600 .51 x 5
π x 0.82
RPM = 59.4 RPM
Torsi
𝜏 = 30 x 127 .23π x 59.4
𝜏 = 20.45 Nm
Analisa dan Simulasi Sudu Turbin
Angin Menggunakan Software
Solidworks 2018
Berikut adalah Hasil/output dari
simulasi yang dilakukan ditampilkan
dalam bentuk distribusi kecepatan pada
turbin menggunakan Software Solidworks
2018, dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 7.Hasil Simulasi Aliran (velocity)
pada Sudu dengan Software Solidworks
2018
Selanjutnya, pada Gambar 7.
ditunjukkan distribusi kecepatan pada sudu
turbin denganj umlah blade sebanyak
9
empat buah. Dimana sudu turbin berputar
dengan kecepatan 59.99 RPM sesuai
dengan perhitungan teoritisnya. Pada
gambar tersebut terlihat distribusi
kecepatan paling rendah yakni 0.022 m/det
ditandai dengan warna biru tua pada sudu.
Garis-garis arus yang menggambarkan
kecepatan angin mengenai dan melalui
sudu melintas melewati sudu dari sisi atas,
samping kanan dan bawah dari sudu,
kontur warna yang terjadi didominasi
warna biru tua dan biru muda pada dasar
sudu. Pada belakang sudu terlihat
semacam olakan (wake) dan selanjutnya
arus berbelok dan berputar mengikuti
putaran turbin yang menandai angin
diserap oleh sudu turbin guna dikonversi
menjadi energy gerak (mekanik).
Distribusi kecepatan tertinggi yang terjadi
pada bagian yang memutar sudu berkisar
0.022 m/det sampai 5.076 m/det. Dimana
kecepatan angin inilah yang terjadi pada
saat sudu turbin berputar pada kecepatan
59.4 RPM.
Gambar 8.Distribusi kecepatan pada sudu
turbin
Semakin tinggi distribusi kecepatan
yang terjadi pada rotor akan semakin baik
kerena memungkin kan memberikan gaya
dorong pada sudu dan diteruskan pada
poros rotor sehingga dapat menghasilkan
energy mekanik, energy listrik berguna
sesuai dengan kebutuhan/aplikasinya.
Berikut adalah Hasil/output dari
simulasi yang dilakukan ditampilkan
dalam bentuk distribusi tekanan pada sudu
turbin menggunakan Software Solidworks
2018, dapatdilihat pada gambar 8.
10
Gambar 9. Hasil Simulasi Aliran
(Pressure) pada Sudu dengan Software
Solidworks 2018
Gambar 9. menampilkan distribusi
tekanan pada turbin dengan jumlah sudu
empat, distribusi tekanan minimum terjadi
adalah 101.364,58 Pascal dan tertinggi
sebesar 101.385, 46 Pascal, dengan selisih
20,88 Pascal. Hasil simulasid engan empat
blade ini terlihat tekanan akibat kecepatan
angin merata secara luas pada pada sekitar
sudu, sehingga optimal dalam memberikan
gaya dorong atau torsi pada sudu yang
berakibatl angsung pada kemampuan rotor
melalui blade melakukan putaran poros
turbin.
Distribusi tekanand ekat rotor
cukup tinggi dan tersebar secaral uas.
Salah satu kelebihan dari turbin angin
sumbu vertical adalah dengan kecepatan
angin yang relative rendahs ekitar 0,2 m/s
sampai 5 m/s sudah mampu memutar rotor
turbin. Berdasarkan analisis dan simulasi
menggunakan Software Solidworks 2018.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil perancangan.
Simulasi serta Analisa yang telah
dilakukan terhadap model sudu model
Savonius untuk pembangkit listrik tenaga
angin, maka dapat ditarik kesimpulan :
1. Sudu turbin angin model Savonius
tipe U dengan diameter x Panjang
yaitu 824mm x 1200mm, memiliki
nilai tip speed ratio 0.51 dan nilai
koefisien daya 0.53 serta memiliki
efisiensi sebesar 0.59. Dapat
menghasilkan daya dalam satu kali
putaran sebesar75.39 Watt dan daya
total 127.23 Watt pada 59.4 RPM.
Lalu torsi yang didapatkans ebesar
11
20.45 N. Dimana hasil tersebut
dipengaruhi hasil data teoritis
kecepatan angin sebesar 5 m/s.
2. Hasil Analisa aliran menggunakan
software Solidworks 2018 diketahui
bahwa Distribusi kecepatan angin
pada Sudu turbin angin model
Savoniustipe U dengan diameter x
Panjang yaitu 824mm x 1200mm
terlihat merata pada setiap sudu dan
berpotensi untuk memberikan
dorongan pada sudusehingga pada
akhirnya akan memberikan kecepatan
putar pada rotor turbin. Kecepatan
rotor turbin berbanding lurus dengan
konversi energy putar (mekanik) rotor
menjadi energy listrik pada generator
yang dapat menghasil kan listrik,
sebagai konversi dari putaran rotor
bilamana dihubungkan dengan
generator listrik. Semakin tinggi
distribusi kecepatan yang terjadi pada
rotor akan semakin baik kerena
memungkinkan memberikan gaya
dorong pada sudu dan diteruskan pada
poros rotor sehingga dapat
menghasilkan energy mekanik, energy
listrik berguna sesuai dengan
kebutuhan/aplikasinya.
3. Hasil Analisa aliran menggunakan
software Solidworks 2018 diketahui
bahwa Distribusi tekanan dari angin
pada Sudu turbin angin model
Savoniust ipe U dengan diameter x
Panjang yaitu 824mm x 1200mm ini
terlihat tekanan akibat kecepatan angin
merata secara luas pada sekitar sudu,
sehingga optimal dalam memberikan
gaya dorong atau torsi pada sudu yang
berakibat langsung pada kemampuan
rotor melalui blade melakukan putaran
poros turbin. Distribusi tekanan dekat
rotor cukup tinggi dan tersebar secara
luas. Salah satu kelebihan dari turbin
angin sumbu vertical adalah dengan
kecepatana ngin yang relative rendah
sekitar 0,2 m/s sampai 5 m/s sudah
mampu memutar rotor turbin.
12
DAFTAR PUSTAKA
1. Pusat Data dan Teknologi
Informasi Energi dan SumberDaya Mineral Kementrian ESDM. 2017.
Kajian Penyediaan Dan Pemanfaatan Migas, Batubara, EBT Dan Listrik. Jakarta. Pusat
Data dan Teknologi Informas i Energi dan SumberDaya Minera l
Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral.
2. Kementrian ESDM. 2016.
BLUEPRINT PENGELOLAAN ENERGI NASIONAL 2006 – 2025. Jakarta. Keputusan Menter i
Energidan Sumber Daya Minera l No. 0983 K/16/MEM/2004
3. I.B. Alit, Nurchayati. 2016. Turbin
angin poros vertical tipe Savonius bertingkat dengan variasi posisi sudut. Dinamika Teknik Mesin,
Vol. 6.
4. IrvanSeptyan Mulyana. 2017. Perancangan Turbin Angin
Vertikal Savonius Sebagai Sumber Energy Untuk Penerangan Jalan Toll. UG Jurnal. Vol. 11.
5. Antonov Bachtiar, Wahyud i
Hayattul. 2018. Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Angin
PT. LenteraAngin Nusantara (LAN) Ciheras. JURNAL TEKNIK ELEKTRO ITP. Vol. 7
6. AgusMukhtar,HisyamMa’mun. 2016. APLIKASI PERMANENT
MAGNETIC BEARING DALAM RANCANG BANGUN VERTICAL
WIND TURBIN. Jurnal Ilmiah Teknosains. Vol. 2 No. 1
7. Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul Saleh. 2015. Rancang Bangun
Kincir Angin Sumbu Vertikal Pembangkit Tenaga Listrik
Portabel. Jurnal Seminar Nasiona l Sains dan Teknologi Terapan III Institut Teknologi Adhi Tama
Surabaya.
8. Daniel Teguh Rudianto, Nurfi Ahmadi. 2016. RANCANG
BANGUN TURBIN ANGIN SAVONIUS 200 WATT. Jurna l
Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Kedirgantaraan (SENATIK). Vol. II
9. Agustinus Laka, Frans Mangng,
Rokhyadi. 2017. RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN
SAVONIUS UNTUK PENERANGAN DI DAERAH PEDESAAN. Jurna l
“FLYWHEEL”. Volume 8
10. Sidik, Abu Bakar. 2017. Perancangan Turbin Angin
Savonius Tipe U dengan menggunakan 2 Sudu. Jakarta. Universitas Gunadarma
Perpustakaan Universitas Gunadarma BARCODE
BUKTI UNGGAH DOKUMEN PENELITIANPERPUSTAKAAN UNIVERSITAS GUNADARMA
Nomor Pengunggahan
SURAT KETERANGANNomor: 34/PERPUS/UG/2020
Surat ini menerangkan bahwa: Nama Penulis : EKO SUSETYO YULIANTONomor Penulis : 010237Email Penulis : [email protected] Penulis : JL RANCHO INDAH TANJUNG BARAT JAGAKARSA
Telah menyerahkan hasil penelitian/ penulisan untuk disimpan dan dimanfaatkan di Perpustakaan Universitas Gunadarma,dengan rincian sebagai berikut : Nomor Induk : FTI/IC/PENELITIAN/34/2020Judul Penelitian : DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU
MENGGUNAKAN SOFTWARE SOLIDWORKS 2018Tanggal Penyerahan : 02 / 07 / 2020
Demikian surat ini dibuat untuk dipergunakan seperlunya dilingkungan Universitas Gunadarma dan Kopertis Wilayah III.
Dicetak pada: 14/08/2020 12:19:04 PM, IP:180.252.112.85 Halaman 1/1
Top Related