Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023
pp 119-130
STUDI PERFORMASI SUDU TURBIN ANGIN TIPE
VERTICAL AXIS BERBAHAN KOMPOSIT
Ozkar F.
Homzah1*.
Ella Sundari1.
Rachmat Dwi Sampurno1.
Ogi Meita Utami1.
Lili Rahmawati2 Jurusan Teknik Mesin.
Politeknik Negeri Sriwijaya Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Produksi dan Perawatan.
Jurusan Teknik Mesin.
Politeknik Negeri Sriwijaya Email : ozkarhomzah@polsri.
ABSTRACT
Along with the increasing human population, the use of fossil energy such as oil also increases.
While fossil energy is one of the largest contributors to carbon emissions that can cause climate One thing that can be done to control climate change is to switch to the use of renewable In the research conducted, turbine blades with a vertical axis were made using carbon fiber composites with different number of blades, namely with 4, 6 and 8 blades.
The testing process is carried out with the wind speed of 4.
and 5 m/s for each turbine with different number of blades.
As a wind direction, the researchers used a wind tunnel made of acrylic and pipes as the leg frame.
The results of this study are the highest output power achieved by the turbine blades with 4 blades at a wind speed of 5 meters per second with 5,216 watts.
While the lowest output power is in the turbine blades with 8 blades at a wind speed of 4 meters per second with a power value of 0.
288 W.
The turbine with the number of blades 8 has a fairly low output energy than turbines with 4 and 6 blades.
The highest efficiency of wind turbine use is achieved by a turbine with a number of 4 blades with a maximum efficiency value of 95,07% and the lowest efficiency is found in a wind turbine with a number of blades.
8 with a maximum percentage of 6,07%.
Keywords : Performance.
Savonius VAWT.
Blade.
Turbine Power.
Efficiency ABSTRAK Seiring dengan meningkatnya populasi manusia menyebabkan penggunaan energi fossil seperti minyak bumi juga ikut meningkat.
Sedangkan energi fossil merupakan salah satu penyumbang terbesar emisi karbon yang dapat menyebabkan perubahan iklim.
Hal yang dapat dilakukan untuk mengendalikan perubahan iklim tersebut adalah dengan beralih kepada penggunaan energi terbarukan.
Dalam penelitian yang dilakukan sudu turbin dengan sumbu vertikal dibuat menggunakan komposit serat karbon dengan jumlah sudu yang berbeda beda yaitu dengan banyak sudu 4 buah, 6 buah dan 8 buah.
Proses pengujian dilakukan dengan kecepatan anginnya 4,5.
dan 5 m/s pada masing-masing turbin yang telah dibuat.
Sebagai pengarah angin, peneliti menggunakan wind tunnel yang terbuat dari akrilik dan pipa sebagai rangka kaki.
Adapun hasil dari penelitian ini yaitu daya output tertinggi dicapai sudu turbin dengan jumlah blade 4 pada nilai kecepatan laju angin 5 m/s dengan 5,216 watt.
Sedangkan daya output terendah berada pada sudu turbin dengan jumlah blade 8 pada kecepatan laju angin 4 m/s dengan besaran daya senilai 0,288 W.
Turbin dengan 8 blades memiliki energi output yang cukup rendah daripada turbin dengan jumlah sudu 4 dan 6.
Adapun efisiensi penggunaan turbin angin yang tertinggi tercapai oleh turbin angin 4 blades dengan efisiensi maksimal sebesar 95,07% dan Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 efisiensi terendah terdapat pada turbin angin 8 blades dengan persentase maksimal sebesar 6,07%.
Kata kunci : Performa.
Savonius Vertical Axis Wind Turbine.
Sudu.
Turbine Power.
Efisiensi
PENDAHULUAN
Pertumbuhan jumlah penduduk yang cukup tinggi, khususnya di Indonesia mempengaruhi tingkat konsumsi energi.
Tingginya jumlah populasi memiliki korelasi dengan jumlah konsumsi energi yang juga menjadi tinggi.
Namun, kebutuhan terhadap energi yang cukup tinggi ini belum seimbang dengan produksi energinya, sehingga dikarenakan tingginya kebutuhan energi ini dibutuhkan inovasi dan pengembangan terhadap energi alternatif untuk menggantikan penggunaan energi fossil seperti minyak bumi yang kian menipis jumlahnya.
Pemanfaatan tenaga angin yang cukup mudah ditemukan sebagai sumber energi terbarukan atau energi alternatif bisa menjadi salah satu jalan untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat.
Sumber daya angin dapat kita temukan dengan mudah sehingga pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi alternatif sangatlah efektif.
Seperti yang kita ketahui penggunaan energi listrik sangatlah tinggi baik di sektor industri maupun penggunaan energi listrik di rumah-rumah.
Salah satu solusi dari sumber energi alternatif adalah dengan memanfaatkan output berupa energi panas yang dihembuskan dari outdoor AC Split yang digunakan di rumah-rumah masyarakat.
Pemanfaatan energi panas dari AC Split ini dapat dikonversikan menjadi energi listrik dan dapat disalurkan dan dimanfaatkan kembali dalam berbagai kebutuhan akan energi tersebut.
Turbin angin adalah sarana yang dapat dikembangkan untuk digunakan dalam pemanfaatan laju angin yang kemudian dikonversikan ke energi listrik.
Tipe turbin yang efektif digunakan untuk memanfaatkan output energi yang dihasilkan outdoor AC Split ini adalah turbin dengan sumbu arah vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).
Pembuatan turbin angin vertikal ini dapat memanfaatkan berbagai jenis material, dan pada penelitian yang dilakukan pembuatan sudu menggunakan komposit dari serat karbon.
Serat karbon merupakan material yang ringan dan juga sangat kuat sehingga sangat sesuai digunakan sebagai bahan pembuat sudu-sudu pada turbin angin vertikal.
Dimana sudu-sudu turbin harus kokoh terhadap gaya dorong yang berasal dari angin namun sudu-sudu turbin harus dibuat seringan mungkin sehingga memperkecil potensi kehilangan energi akibat dari faktor berat sudu.
Turbin angin savonius ini dapat beroperasi meski di daerah dengan kecepatan angin yang rendah, kinerjanya pun tidak berpengaruh pada arah angin.
Selain itu biaya yang diperlukan untuk pembuatannya pun terbilang cukup rendah .
Penelitian vertical axis wind turbine cukup banyak yang telah melakukannya, beberapa diantaranya melakukan penelitian turbin angin dengan 2 variasi jumlah sudu dimana daya keluaran tertinggi yang dihasilkan adalah 38,88 W .
Penelitian lainnya menggunakan turbin angin yang terbuat dari material filamen 3D printing dimana pada penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa daya yang dihasilkan turbin sudut ganda akan naik dengan perlahan dari 13% ke 36% .
Penelitian lainnya menggunakan 3 variasi jumlah sudu dan dapat disimpulkan bahwa banyaknya sudu dan kecepatan laju angin memiliki pengaruh terhadap daya dan torsi outputnya.
Berdasarkan latar belakang tersebutlah, penelitian ini dilakukan dengan orientasi untuk menganalisa performa dari savonius turbin angin yang pembuatannya dengan Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 material komposit serat karbon.
Dari pengujian yang akan dilakukan nantinya dihasilkan perubahan daya atau nilai energi listrik pada masing-masing variabel.
Penelitian ini akan membandingkan output energi yang dihasilkan prototype turbin angin terhadap variasi jumlah sudunya.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan langkah-langkah yang digambarkan pada diagram alir berikut Gambar 1.
Diagram Alir Penelitian Penelitian dilakukan mulai dari tahap persiapan alat dan bahan pengujian kemudian dilanjutkan dengan pengujian terhadap turbin angin tersebut.
Adapun metode pengujian yang dilaksanakan meliputi :
Mempersiapkan alat dan bahan Membuat prototype vertical axis wind turbine Memprogram alat bantu ukur rpm Mempersiapkan alat bantu ukur tegangan dan arus listrik Melakukan pengujian dan pengambilan data hasil Analisa hasil pengujian Alat dan Bahan Adapun alat dan bahan yang diperlukan dalam pengujian adalah sebagai berikut:
Tabel 1 Alat dan Bahan Alat Blower Generator Bahan Serat karbon Resin Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 Cetakan Amplas Alat ukur Gerinda Kuas Poros penghubung Arduino uno Project board Kabel-kabel LCD Sensor IR Anemometer Multimeter Wattmeter Load Lem tembak Katalis Cobalt blue Antibubble Anti lengket Gelcoat resin Pipa aluminium Lem epoxy Clear spray Akrilik Pipa paralon 2 Proses Pembuatan Turbin Angin Komposit Serat Karbon Dalam penelitian yang dilakukan pada gambar 2, 3 dan 4, peneliti menggunakan turbin angin yang sudu sudunya terbuat dari komposit serat karbon.
Adapun langkah langkah yang dilakukan dalam pembuatan turbin angin tersebut sebagai berikut:
Mempersiapkan alat serta bahan yang hendak digunakan.
Memotong serat karbon dengan ukuran 200 x 100 mm untuk blade dan lingkaran dengan diameter 180 mm untuk bagian atas dan bawah turbin.
Melapisi cetakan dengan anti lengket agar komposit dapat dilepas dengan mudah dari cetakan.
Adapun sudu yang dibuat memiliki panjang tali busur sebesar 85 mm dengan R lengkungan 50 mm.
Pemilihan R lengkungan sudu tersebut akan mempengaruhi luas penampang sudu yang akan menangkap daya angin.
Memasukkan gelcoat resin, cobalt blue dan katalis ke dalam wadah plastik dengan perbandingan 100:3:3, lalu diaduk sampai tercampur rata.
Oleskan pada cetakan yang sebelumnya telah diberi anti lengket.
Ketika campuran gelcoat sudah setengah mengering, serat karbon yang telah dipotong diletakkan sambil diratakan agar tidak menggelembung.
Mencampurkan resin, katalis dan anti bubble pada wadah plastik dengan perbandingan 100:3:1.
Setelah teraduk rata, resin dituang di atas serat karbon lalu diratakan menggunakan kuas.
Diamkan selama A1 jam atau hingga kering sentuh.
Gambar 2.
Melapisi Resin Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 Membersihkan segera kuas yang telah digunakan agar resin tidak mengeras pada kuas dan kuas tersebut dapat digunakan kembali.
Mengulangi langkah ke-6 sebanyak 5 kali atau hingga mencapai ketebalan yang telah ditentukan.
Pada lapisan terakhir, komposit serat karbon didiamkan selama 6 Ae 8 jam agar mencapai kekerasan yang maksimal.
Melepaskan komposit serat karbon dari cetakan.
Merapikan sisi-sisinya menggunakan gerinda atau dapat juga menggunakan gergaji Kemudian dilanjutkan dengan merapikan bagian-bagian yang tidak rata menggunakan amplas.
Menggabungkan bagian-bagian blade yang telah dibuat dengan pipa aluminium sebagai porosnya menggunakan lem perekat stainless steel.
Agar mencapai daya rekat yang maksimal, lem perekat harus didiamkan selama A16 Menyemprotkan clear spray pada turbin sehingga goresan-goresan bekas mengamplas tersamarkan.
Gambar 3.
Melepaskan Komposit dari Cetakan Gambar 4.
Proses Assembly Tahapan Pengujian Sudu Turbin Proses pengujian dilakukan pada gambar 5 dan 6 secara langsung dengan memanfaatkan hembusan udara dari blower yang kecepatan anginnya disesuaikan dengan keluaran AC Split Outdoor dan variabel jumlah sudu dan kecepatan angin yang Penelitian ini ditujukan terhadap 3 buah turbin angin yang memiliki jumlah sudu yang berbeda.
Berikut adalah langkah-langkah pengujian yang telah dilakukan:
Mempersiapkan alat dan bahan, yaitu Savonius turbin angin.
Wind Tunnel, generator, laptop, alat bantu ukur kecepatan putaran dan alat bantu ukur daya Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 Memposisikan wind tunnel di depan sumber angin.
Memposisikan letak generator dan turbin di wind tunnel.
Mengaplikasikan alat bantu ukur pada generator.
Sensor IR diletakkan berhadapan dengan poros generator dengan kertas putih sebagai media pembaca sensor.
Sedangkan, multimeter dan wattmeter dihubungkan dengan kabel pada generator.
Menghidupkan blower dan mengatur kecepatan angin sesuai dengan angka yang telah ditentukan.
Menyimpan data realtime kecepatan putaran yang tercatat secara otomatis pada Mencatat data tegangan dan arus listrik yang ditampilkan pada alat bantu ukur berbasis arduino Mematikan blower Merapikan kembali alat-alat yang telah digunakan Membersihkan dan merapikan tempat pengujian Gambar 5.
Mempersiapkan Alat dan Bahan Pengujian Gambar 6.
Letak Sensor IR 4 Perhitungan Nilai Daya Angin Untuk menentukan efisiensi, dibutuhkan besaran daya angin sehingga kita dapat mengetahui nilai efisiensi sudu turbin tipe vertikal yang telah diuji sebelumnya.
Pada gambar 7 diketahui luas penampang dari blade mempengaruhi banyak daya angin yang mampu ditampung.
Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 Gambar 7.
Bentuk Lengkung Sudu Mencari besar sudut:
yaAyceycycayc ycycyccycyc .
= ycycnycu yu = ycycnycycn yccyceycyycaycu ycycnycycn ycoycnycycnycuyci 0,0425 yco 0,05 yco yu = 58,21A yaAyceycycayc ycycyccycyc .
= 2 y 58,21A = 116,42A Mencari lebar sudut dengan menggunakan rumus busur lingkaran sebagai 116,42A yayceycaycayc ycycyccyc = y 2 y 3,14 y 0,05 = 0,101 yco Setelah mengetahui lebar sudut, selanjutnya menentukan luas penampang.
Berikut adalah perhitungan luas penampang untuk 1 .
blade turbin angin:
yaycycayc ycyyceycuycaycoycyycaycuyci = ycoyceycaycayc ycycyccyc y yc = 0,101 yco y 0,2 yco = 0,0202 yco2 Data-data di atas dapat digunakan untuk mengetahui nilai daya angin dari pengujian yang telah dilakukan.
Daya angin dengan besaran kecepatan angin 4 m/s dapat diketahui dengan perhitungan di bawah ini:
ycEya = y yuU y ya y yc 3 ycoyci = 2 y 1,2 AEyco3 y .
,0202 yco2 ) y .
yco/y.
3 = 0,776 ycOycaycyc ycycnycu yu = Tabel 2 Data Hasil Perhitungan Daya Angin Objek Penelitian Kec.
Angin Prototype Turbin Angin 4 m/s A .
) Daya (Wat.
0,776 0,0202 4,5 m/s Massa .
g/m.
1,104 Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 5 m/s 1,515 Tabel 2 menunjukkan kemampuan angin untuk memutarkan sudu-sudu pada turbin.
Nilai daya angin dapat dijadikan pembanding daya generator sehingga kita mengetahui efisiensi dari turbin yang digunakan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data tersebut terlampir di bawah ini merupakan hasil pengujian terhadap Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).
Data Ae data diambil dengan menggunakan alat bantu ukur seperti multimeter, wattmeter, dan sensor IR yang didukung program arduino uno.
Tabel 2 Hasil Pengujian Vertical Axis Wind Turbin Sebelum Diberi Beban Objek Penelitian Prototype Turbin Angin Jumlah Sudu Kecepatan Angin 4 m/s 4,5 m/s 5 m/s Putaran .
Tegangan .
Pada tabel 2 hasil pengujian di atas dapat diketahui jumlah sudu dari turbin dan kecepatan angin memiliki pengaruh terhadap nilai kecepatan putaran dan tegangan yang Menentukan desain turbin angin yang baik menjadi sangat penting sebelum melakukan pembuatan turbin.
Sudu turbin angin harus memiliki penampang sehingga mampu menampung angin yang berhembus namun sudu turbin yang baik juga harus diberi celah sehingga angin yang sudah mendorong dapat lolos dan tidak menghambat putaran turbin.
Tabel 3 Hasil Pengujian Vertical Axis Wind Turbin Setelah Diberi Beban Objek Penelitian n Sudu Prototype Turbin Angin Kec.
Angin 4 m/s 4,5 m/s 5 m/s Putaran (Rp.
Tegangan .
Arus Listrik (Amper.
0,12 0,28 0,24 0,12 0,32 0,24 0,16 Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023 pp 119-130 Tabel 3 menunjukan hasil yang diambil ketika generator diberikan beban berupa bola lampu 24V/3W.
Pada kondisi ini, kecepatan putaran yang dihasilkan turbin mengalami penurunan.
Hal ini dikarenakan ketika generator terbebani lampu, generator harus menyuplai energi lebih banyak sehingga mempengaruhi kecepatan putaran juga mengalami pembebanan dan angka putarannya menurun.
Kec.
Putaran (Rp.
Sudu 4 Sudu 6 Sudu 8 Tegangan (Vol.
Gambar 8.
Hasil Pengujian sebelum diberi beban Kec.
Putaran (Rp.
Gambar 8 menunjukkan hubungan antara kecepatan putaran dan tegangan yang dihasilkan sebelum generator diberi beban berupa lampu 24V/3W.
Grafik tersebut menunjukan bahwa semakin tinggi kecepatan putaran maka tegangan juga akan Pada gambar 9 didapat bahwa apabila kecepatan putaran yang dihasilkan turbin semakin tinggi, maka tegangan yang menjadi nilai output pun menjadi semakin besar.
Sudu 4 Sudu 6 Sudu 8 Tegangan (Vol.
Gambar 9.
Hasil Pengujian setelah diberi beban Tabel 4 merupakan hasil perhitungan dari daya keluaran yang dihasilkan dari vertical axis wind turbine.
Tabel 4 Hasil Perhitungan Daya Turbin Objek Penelitian Prototype Turbin Angin Jumlah Sudu Kecepatan Angin 4 m/s 4,5 m/s Daya Output PG (Wat.
1,02 1,44 0,288 Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023
pp 119-130
2,184
5,216
2,928
0,736
5 m/s Daya output tersebut didapat dari proses perkalian antara tegangan dan arus listrik.
Poros yang berputar tersebutlah yang menimbulkan daya listrik.
Namun ketika diberi beban berupa lampu 24V/3W, kecepatan putaran yang menurun mempengaruhi tegangan yang dihasilkan.
Adapun arus listrikdan nilai tegangan yang telah dihasilkan generator yang kemudian menghasilkan daya output.
Nilai efisiensi penting untuk diketahui karena dapat digunakan sebagai pembanding dan landasan dalam memilih kombinasi yang tepat untuk penggunan dan pengaplikasian turbin angin khususnya vertical axis wind turbine ini.
Tabel 5 Data Hasil Perhitungan Efisiensi Objek Penelitia Jumlah Sudu Prototype Turbin Angin Kec.
Angin
Daya
Angin
(PA)
3,103
4,654
6,205
4,418
6,627
8,835
6,060
9,090
12,120
Daya
Generator (PG) 1,02 1,44 0,288 2,184 5,216 2,928 0,736 Efisiensi
(%)
32,87
30,94
4,64
95,07
32,96
5,43
86,07
32,21
6,07
Dari tabel 5 diketahui bahwa nilai efisiensi yang tertinggi terdapat pada savonius turbin angin sudu 4 dengan nilai kecepatan laju angin 4,5m/s, dimana pada sudu tersebut nilai efisiensi yang dicapai sebesar 95,07%.
Sedangkan, nilai efisiensi terendah terdapat pada turbin angin savonius sudu 8 dengan nilai kecepatan 4 m/s dimana nilai efisiensi yang dicapai hanya pada angka 4,64%.
Hasil pengujian yang dilakukan terhadap vertical axis wind turbine sebelum diberi beban menghasilkan kecepatan putaran pada interval 280 Ae 380 Rpm dan Tegangan pada kisaran nilai 2,8 Ae 21,8 Volt.
Ketika generator diberi beban, tegangan dihasilkan menurun pada kisaran 2,4 Ae 16,3 V dan besaran arus listrik yang dihasilkannya berkisar 0,12 Ae 0,32 Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa vertical axis wind turbine dengan desain yang telah ditentukan pada jumlah sudu 4 mampu menghasilkan daya output yang lebih tinggi daripada turbin dengan 6 blades dan 8 blades dengan tegangan maksimal 5,216 W di kecepatan angin 5 m/s, yang artinya sudu turbin 4 lebih maksimal dalam menerima daya angin.
Sedangkan, sudu turbin 8 kurang maksimal dalam menerima daya angin sehingga daya output maksimal yang dihasilkan hanya senilai 0,736 pada kecepatan laju angin 5 m/s.
Volume 1 Nomor 3 Tahun 2023
pp 119-130
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilaksanakan didapat bahwa tegangan dan kecepatan putaran yang dihasilkan vertical axis wind turbine akan menurun jika diberi beban.
Dan jumlah sudu turbin serta kecepatan angin yang berhembus memiliki pengaruh terhadap daya output yang dihasilkan.
Daya output paling tinggi adalah 5,216 Watt dihasilkan oleh turbin angin dengan jumlah sudu 4 serta kecepatan angin sebesar 5m/s, sedangkan daya output paling rendah sebesar 0,288 Watt dihasilkan dengan jumlah sudu 8 untuk kecepatan angin sebedar 4m/s.
Didapat juga, efisiensi daya yang tertinggi terdapat pada turbin savonius dengan jumlah sudu 4 dengan kecepatan angin pada 4,5m/s, dimana efisiensi daya yang dicapai sebesar 95,07%.
Didapat juga, efisiensi daya terendah yaitu pada jumlah sudu 8 dengan laju kecepatan 4 m/s dengan efisiensi sebesar 4,64%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Politeknik Negeri Sriwijaya yang telah mendanai penelitian melalui program penelitian Kerjasama Dosen dan Mahasiswa tahun anggaran 2022 dengan nomor kontrak 4887/PL6.
1/LT/2022.
DAFTAR PUSTAKA