M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. XIX, No. 2, Oktober 2004 No. ISSN: 0852-6095

Diterbitkan oleh : Departemen Teknik Mesin, FTI

Institut Teknologi Bandung

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

MESIN Vol. XIX No. 2 i

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. XIX, No. 2, Oktober 2004

Maria F. Soetanto, Aryadi Suwono, Prihadi S. Darmanto dan Ari D. Pasek

Laboratorium Termodinamika PPAU-IR ITB Jl. Tamansari 126, Bandung 40132 e.mail: maria@termo.pauir.itb.ac.id

Ringkasan

Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) jenis poros datar mempunyai efisiensi pemanfaatan yang lebih tinggi dibandingkan SKEA jenis lain pada kondisi yang sama. Sudu profil silinder berputar diambil sebagai alternatif pengganti sudu profil airfoil karena sudu profil silinder juga dapat menghasilkan gaya angkat (lift), selain itu dalam proses pembuatannya, profil silinder relative lebih sederhana. Gaya angkat yang dihasilkan oleh silinder yang berputar ini dikenal sebagai Efek Magnus [1,7,9]. Rotor Savonius dalam penelitian ini digunakan sebagai system starter aerodinamik pemutar silinde. Penelitian ini adalah melakukan uji eksperimen untuk mendapatkan koefisien daya optimum yang dapat dihasilkan suatu SKEA poros datar baru dengan sudu gabungan silinder berputar dan rotor savonius. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan 2 variasi model sudu, yaitu sudu dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (rasio L/D) 3 dan 4, dengan memberikan 3 variasi kecepatan angin 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sudu dengan rasio L/D = 4 memberikan daya yang lebih besar disbanding sudu dengan rasio L/D=3. Hasil eksperimen juga memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan angin yang diberikan, main besar pula daya yang dihasilkan..

1. PENDAHULUAN

Dewasa ini dengan diluncurkannya program CDM (Clean Development Mechanism) sebagai tindak lanjut dari protokol Kyoto, penggunaan energi angin sebagai energi alternatif pengganti minyak bumi semakin banyak mendapatkan perhatian.

Penggunaan angin sebagai energi alternatif sangat menarik karena tidak memerlukan berbagai bentuk pengadaan dan transportasi, serta dalam pemanfaatannya tidak menggangu lingkungan dalam tingkat yang mengkawatirkan. Selain itu angin merupakan sumber energi yang terbarukan.

Penelitian-penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya memperlihatkan bahwa system konvensi energi angin (SKEA) jenis poros datar mempunyai prestasi koefisien daya yang lebih tinggi dibanding SKEA jenis

lainnya pada kondisi yang sama, seperti terlihat pada gambar (1) di bawah ini.

Gambar (1): Karakteristik berbagai SKEA [3].

Penelitian ini mencoba mendapatkan optimasi koefisien daya yang dapat dihasilkan oleh suatu SKEA baru jenis poros datar dengan sudu berbentuk gabungan silinder berputar dan rotor savonius. Penggunaan sudu berbentuk silinder berputar ini diambil dengan pertimbangan bahwa dalam proses pembuatannya profil silinder relative sederhana dan tidak membutuhkan teknologi tinggi seperti pembuatan sudu airfoil. Selain itu seperti yang kita ketahui, banyak daerah-daerah di Indonesia yang masih belum terjangkau oleh listrik konvensional, sehingga jenis SKEA pada penelitian ini akan sangat sesuai untuk diterapkan.

Jika airfoil dapat menghasilkan gaya angkat karena bentuk profilnya, maka silinder juga dapat menghasilkan gaya angkat dengan syarat silinder tersebut harus dalam keadaan berputar selama proses bekerjanya. Fenomena ini yang dikenal sebagai Efek Magnus. Agar silinder dapat berputar, pada bagian ujung silinder dipasangkan rotor savonius. Jadi fungsi rotor savonius pada penelitian ini adalah sebagai pemutar silinder. Dasar pemikiran dipilihnya rotor savonius adalah karena dalam penelitian mengenai rotor savonius yang telah dilakukan sebelumnya diperoleh hasil bahwa rotor savonius mempunyai momen torsi yang baik sebagai penggerak SKEA lain [5,6].

Konsep gaya angkat yang dapat dihasilkan oleh profil airfoil dan sudu silinder dapat dilihat dari gambar (2) di bawah.

Gambar (2): Gaya-gaya serupa yang dapat dibangkitkan oleh profil sudu airfoil dan silinder jika dilewati aliran angin [2]

2. METODOLOGI

2.1. Model Uji SKEA Poros Datar Penelitian ini Model uji SKEA poros datar dengan sudu berupa

gabungan silinder berputar dan rotor savonius dapat dilihat pada gambar (3)a, (3)b, dan (3)c di bawah ini.

Gambar (3).a: Model Uji SKEA.

Gambar (3).b: Sudu silinder dan rotor savonius.

Gambar (3).c: Sudu gabungan silinder dan rotor Savonius.

Model uji SKEA terdiri dari:

• 3 sudu berbentuk gabungan silinder berputar dan rotor savonius , dengan 2 variasi panjang sudu, yaitu L/D=3, dan L/D=4.
• kepala pemutar SKEA
• tower/menara

Gambar (4): 3 sudu SKEA.

Gambar (4): Kepala pemutar SKEA.

2.2. Perangkat Pengujian

Pengujian dilakukan di Terowongan Angin "La Grande Soufflerie S1 a Banleve" di l'IMFT (l'Institute de Mecanique des Fluides de Toulouse) di Toulouse, Perancis.

Perangkat pengujian terdiri dari:

• 1. Terowongan angin, dengan diameter seksi uji = 2,40 m (lihat Gambar 6)
• 2. Model uji SKEA 3 sudu (lih. Gambar 4)
• 3. Couplemetre type HBM-T5: untuk mengukur torsi (lihat Gambar 7)
• 4. Brake dynamometer type FAS 50 _ref:338 200 00: untuk memberi beban
• 5. Kopling elastis: sebagai penerus torsi.

Gambar (6): Terowongan angin S1.

Gambar (7): Perangkat alat ukur yang digunakan.

2.3. Prosedur Pengujian

Kegiatan utama yang dilakukan dalam penelitian ini adalah memperoleh data torsi dari setiap variasi waktu yang ditentukan. Dari hasil perhitungan selisih waktu dan torsi yang diperoleh dapat ditentukan kecepatan putar dari SKEA pada saat itu. Besarnya daya dapat diperoleh dari hasil kali kecepatan putar dan torsi yang terukur.

Koefisien daya (C_p) didapatkan dari:

\[Cp = \frac{P}{1/2.\rho.S.U_{\infty}^{3}}\]

dimana: P = Daya (Watt)

S = luasan SKEA (m²)

\(U_{\infty}\) = kecepatan angin yang diberikan (m/s)

Tiga variasi kecepatan angin yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu: \(8,6~\text{m/s},\,9,7~\text{m/s},\,\text{dan }10,2~\text{m/s}.\)

Rasio kecepatan \(\alpha\), didefinisikan sebagai rasio kecepatan putar SKEA terhadap kecepatan angin.

\[\alpha = \frac{\Omega.R}{U_{\infty}}\]

dimana: \(\Omega\) = kecepatan putar SKEA

R = jari-jari

U∞= kecepatan angin yang diberikan

3. DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS

3.1. Hasil Pengukuran Torsi pada berbagai variasi kecepatan angin

Gambar (8): Hasil Pengukuran Torsi sebagai fingsi waktu dgn kec.angin = 8,5 m/s.

Gambar (9): Hasil Pengukuran Torsi sebagai fungsi waktu dgn kec.angin U_inf =9,7 m/s.

Gambar (10): Hasil Pengukuran Torsi sebagai fungsi waktu dgn kec. angin U_inf = 10,2 m/s.

3.2. Hasil Pengolahan Data dan Analisis

Karakteristik suatu SKEA dinyatakan oleh prestasi aerodinamiknya yang diwakili oleh koefisien daya, Cp, yang dihasilkan SKEA tersebut terhadap rasio kecepatan putarnya, α.

Dalam penelitian ini, daya yang dapat dibangkitkan oleh model SKEA diperoleh dari besarnya torsi yang didapat dikalikan dengan kecepatan putar yang dihasilkannya.

Dari hasil eksperimen pengukuran Torsi pada dua variasi panjang sudu silinder, yaitu sudu dengan rasio L/D=4 dengan 3 variasi kecepatan angin, yaitu kecepatan angin U_inf =8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s (lihat gambar 11 di bawah) diperoleh bahwa besar kecepatan angin yang diberikan, dan torsi yang didapat juga makin membesar.

Gambar (11): Perbandingan Torsi yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s untuk SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 4.

Hal yang sama juga diperoleh pada rasio sudu silinder L/D =3, (lihat Gmbar 12 di bawah).

Gambar (12): Perbandingan Torsi yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s untuk SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 3.

Dari hasil eksperimen didapat kecepatan putar dengan rasio sudu silinder L/D=4 akan mengecil dengan bertambahnya waktu, dan nilai kecepatan putar akan bertambah besar dengan bertambahnya kecepatan angin yang diberikan (lihat gambar 13).

Gambar (13): Perbandingan kecepatan putar SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 4 yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Analisa hasil yang sama juga diperoleh untuk rasio sudu silinder L/D=3 (lihat gambar 14 di bawah).

Gambar (14): Perbandingan kecepatan putar SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D)=3 yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Besarnya Daya yang diperoleh pada rasio sudu silinder L/D = 3 akan ditampilkan pada gambar 15.

Karena daya adalah besar torsi yang diperoleh dikalikan dengan kecepatan putarnya, maka akan terlihat bahwa makin besar kecepatan angin yang diberikan, maka daya yang diperoleh juga akan makin membesar.

Gambar (15): Perbandingan Daya SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 3 yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Analisa yang sama juga didapatkan pada rasio sudu silinder L/D = 4 (lihat gambar 16). Makin tinggi kecepatan angin yang diberikan, daya yang diperoleh juga akan makin besar.

Gambar (16): Perbandingan Daya SKEA dengan rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 4 yang diperoleh pada 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Perbandingan Daya maksimum yang dapat diperoleh dari 2 variasi rasio sudu silinder L/D=3 dan L/D=4 terhadap berbagai variasi kecepatan angin dapat diihat pada gambar (17) di bawah ini.

Dari hasil eksperimen, didapatkan bahwa daya maksimum yang dapat dicapai akan membesar jika kecepatan angin juga membesar.

Daya maksimum yang diperoleh juga akan bertambah dengan bertambahnya rasio sudu silinder.

Gambar (17): Perbandingan Daya maksimum SKEA yang diperoleh pada rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 4 dan L/D = 3 dengan 3 variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Seperti yang sudah disebutkan sebelumnya, karakteristik suatu SKEA ditentukan dengan hubungan antara parameter-parameter tak berdimensi yaitu koefisien daya, CP dan rasio kecepatan α..

Dari hasil eksperimen diperoleh pada rasio sudu silinder L/D = 3 dan rasio L/D = 4 sama-sama menunjukkan bahwa kecepatan angin makin besar , koefisien daya yang diperoleh juga akan makin bertambah (lihat gambar 18 dan 19).

Gambar (18) dan (19) juga menunjukkan bahwa koefisien daya akan bertambah dengan bertambahnya rasio sudu silinder.

Gambar (18): Perbandingan Koefisien Daya SKEA (Cp) yang diperoleh terhadap rasio kecepatan (alpha) pada rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 3 dengan variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Gambar (19): Perbandingan Koefisien Daya SKEA (Cp) yang diperoleh terhadap rasio kecepatan (alpha) pada rasio panjang silinder terhadap diameter silinder (L/D) = 4 dengan variasi kecepatan.angin: 8,5 m/s, 9,7 m/s, dan 10,2 m/s

Gambar (20): Model SKEA poros datar dengan sudu gabungan silinder dan rotor savonius pada saat berputar

4. KESIMPULAN

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari percobaan ini adalah:

• 1. Model SKEA poros datar dengan sudu-sudunya berbentuk kombinasi silinder dan rotor savonius ini dapat berputar saat diuji di dalam terowongan angina.
• 2. Torsi yang diperoleh model SKEA sangat bergantung pada kecepatan angin yang diberikan dan rasio sudu silinder, makin tinggi kecepatan angin, makin besar torsi yang diperoleh. Demikian juga makin besar rasio sudu silinder, torsi yang dihasilkan juga makin besar.
• 3. Kecepatan putar SKEA sangat dipengaruhi oleh kecepatan angin yang diberikan dan rasio sudu silinder. Kecepatan putar SKEA akan bertambah dengan bertambahnya kecepatan angin dan rasio sudu silinder yang diberikan.

• 4. Daya maksimum yang dapat dicapai akan bertambah besar dengan meningkatnya rasio sudu silinder dan kecepatan angin yang diberikan.
• 5. Koefisien daya (Cp) model SKEA poros datar dengan sudu berbentuk gabungan silinder dan rotor savonius ini akan meningkat dengan meningkatnya rasio kecepatan.
• 6. Model SKEA poros datar dengan sudu berupa gabungan silinder dan rotor savonius ini dapat diterapkan sebagai alternatif pengganti sudu airfoil di daerah-daerah karena sesuai dengan teknologi setempat.

5. DAFTAR PUSTAKA

• 1. H.R. Vaughn and G.E. Reis, " A Magnus Theory", AIAA Journal, vol.11, no. 10, pp. 1397- 1403, 1973.
• 2. Park, Jark, "Simplified Wind Power Systems for Experimenter", California Helion, Inc., 1976.
• 3. Eldridge, Frank. R, "Wind Machines", New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1980.
• 4. D. Le Gourieres, " Wind Power Plants: Theory and Design", 1982.

• 5. Queru, Gautier, "Integration de l'energie Eolienne dans le batiment: Etude de dispositifs concentrateurs de vent", Projet de fin d'etudes, 2002.
• 6. N. Fujizawa, F. Gotoh, " Experimental Study on the Aerodynamic Performance of a Rotor Savonius", 1994.
• 7. T. Tokumaru, P.E. Dimotakis, " The Lift of a Cylinder Executing Rotary Motions in a Uniform Flow", J. Fluid Mech., vol. 225, pp. 1-10, 1993.
• 8. Bono, Fraunie, Bequier, Favre, "Optimization d'une Eolienne a Cylindres Tournants", CRAS, t.301, seri II, no.6, pp. 363-366, 1985.
• 9. Sanjay Mittal B., Kumar Bhaskar, "Flow Past a Rotating Cylinder", J. Fluid Mech., vol. 476, pp. 303-334, 2003.
• 10. Jean Martin, "Energy Eolienne", L'Ecole Nationale Superieure des Arts et Metiere, Article B 8585, vol. BE, consultable jusqu'au 2004.
• 11. Sahin A.Z., Al-Garni A.Z., Al- Farayedhi A., "Analysis of a Small Horizontal Axis Wind Turbine Performance", Int. J. of Energy Res., vol.25, pp. 501-506, 2001.