F02-1GENERATOR LISTRIK TENAGA ANGIN(A NOVEL DESIGN OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR POWER GENERATION)Tjukup MarnotoJurusa...
F02-2I. PendahuluanPengembangan energi alternatif baru danterbarukan sedang digalakkan melalui kebijakan-kebijakan pemerin...
F02-3(a) (b).Gambar 2. Contoh type-type turbin kategoriSavonius (a) Type tiga-stack Savonius VAWT(b) Helix S322 VAWTGambar...
F02-4Gambar 7. A Darrieus VAWT on the MagdalenIslandsGambar 8. Windspire VAWTsGambar 9. Venco Twister ; Vertikon-H50 & hel...
F02-5II. MetodologiRancangan kincir angin VAWT model baru,sirip-sirip bilah dibuat dari bahan polycarbonat,dengan kerangka...
F02-6luas kolektor angin yang sama bentuk kincir inirelatif lebih kecil. Kincir ini lebih mudah berputaratau kecepatan ang...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

44

339

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
339
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
11
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Transcript of "44"

  1. 1. F02-1GENERATOR LISTRIK TENAGA ANGIN(A NOVEL DESIGN OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR POWER GENERATION)Tjukup MarnotoJurusan Teknik Kimia, Fak. Teknologi IndustriUniversitas Pembangunan Nasional “Veteran”JogjakartaJln. SWK 104 lingkar urata, condongcatur, Jogjakarta 55283.tjukup@gmail.comAbstractWind is an alternative source of energy which is environmental friendly. Wind energy conversion intoelectricity involves two stages. First, wind turbine converts wind energy into kinetic energy in form ofrotational energy. Rotational movement of the turbine is then utilized to spin a power generator whichconverts kinetic energy into electrical energy. There are two categories of wind turbine which arehorizontal axis wind turbine (HAWT) and vertical axis wind turbine (VAWT). VAWT has severaladvantages compared to HAWT besides its main drawback of low efficiency. This novel design of verticalaxis wind turbine is focused on the efficiency improvement by lowering the ratio of the resisting to thethrusting wind collector area and decreasing the minimum wind speed required to rotate the turbine. Thenovel turbine consists of three finned blades that in upwind position the fins will open thus decreasing thedrag and in downwind position it will close and exposing largest area to capture wind energy. Equationsfor rotor speed and rotor spinning energy were obtained with mathematical modeling by usingundimensioned array method. Variables in the equations can be obtained by comparing calculated toexperimental data. This novel design improves efficiency and decreases wind start-up speed, therefore it issuitable to be implemented at various locations with fluctuating wind speed and direction.AbstrakAngin adalah merupakan sumber energi alternatif yang bersih dan ramah lingkungan. Konversi energiangin kepdada energi listrik melalui dua tahapan yaitu kincir angin untuk mengkonversi energi anginmenjadi energi kinetik (rotasi), rotasi yang dihasilkan dipakai untuk memutar generator listrik untukmengkonversi energi kinetik menjadi energi listrik. Kincir angin dikenal ada dua kategori yaitu turbinangin aksis horisontal (HAWT) dan turbin angin aksis vertikal (VAWT). Banyak kelebihan-kelebihanVAWT dibanding HAWT namun ada juga kekurangan atau kendala yaitu effisiensi lebih rendah.Prarancangan Turbin Angin Aksis Vertikal Model Baru ini difokuskan pada peningkatan efisiensi, denganmodel yang dapat menurunkan energi darg penghambat dan memperluas kolektor energi drag (pendorong)sehingga akan meningkatkan efisiensi dan menurunkan kecepatan angin minimum yang dapat memutarturbin. Turbin angin yang dirancang ini memiliki 3 buah sudu bersirip, sudu ini bila berlawanan denganarah angin dan putaran rotor maka sirip-sirip akan terbuka sehingga akan menurunkan energi drag(penghambat) sebaliknya bila posisi searah dengan arah angin dan putaran rotor sirip-sirip akan menutupkarena dorongan angin itu sendiri sehingga meningkatkan daya dorong. Model matematik dengan metodakelompok bilangan tak berdimensi didapat persamaan kecepatan rotor, dan energi putaran rotor. Konstantapada persamaan tersebut akan diperoleh dengan pembandingan data hitungan dan data eksperimen.Dengan rancangan baru ini dapat meningkatkan efisiensi konversi energi dan menurunkan kecepatanangin minimum untuk memutar turbin, sehingga turbin ini adapat diterapkan di semua lokasi yangmemiliki kecepatan dan arah angin yang ubah-ubah.Keywoords: VAWT, kincir angin, renewable energy, wind turbine.Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” ISSN 1693 – 4393Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam IndonesiaYogyakarta, 26 Januari 2010PRARANCANGAN KINCIR ANGIN AXIS VERTIKAL TYPE BARU UNTUK
  2. 2. F02-2I. PendahuluanPengembangan energi alternatif baru danterbarukan sedang digalakkan melalui kebijakan-kebijakan pemerintah untuk mendorong danmenfasilitasi pemanfaatan sumber-sumber energiterbarukan (hydro, matahari, panas bumi, biomassadan juga angin). Energi angin merupakan energiterbarukan yang sangat fleksibel. Lain halnya energiair, pemanfaatan energi angin dapat dilakukandimana-mana, baik di daerah landai maupun datarantinggi, bahkan dapat di terapkan di laut. Pemanfaatansumber energi angin di Indonesia masih langka, haltersebut dimungkinkan teknologi atau pengetahuanyang belum populer, arah angin di daerah Indonesiamudah berubah-ubah dan kecepatannya berfluktuasi,kurang ekonomis, bahkan menurut Daryanto (2007)selama ini angin dipandang sebagai proses alamiyang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatanproduktif masyarakat. Namun daerah-daerah yangmemiliki potensi energi angin yang tinggi perludiidentifikasi agar pemanfaatan energi angin ini lebihkompetitif dibandingkan dengan energi alternatiflainnya.1.1 Kategori dan type kincir anginKincir angin dikenal ada dua kategori yaituturbin angin dengan aksis horisontal (HAWT) danturbin angin aksis vertikal (VAWT). Kendalapenggunaan turbin angin adalah kondisi geografispada suatu wilayah dimana kecepatan angin dan arahangin yang berubah-ubah sepanjang waktu. Olehkarena itu, turbin angin yang sesuai adalah turbinyang dapat menerima angin dari segala arah selain itujuga mampu megimbangi angin dalam kecepatanyang rendahyaitu turbin angin aksis vertikal(VAWT). Turbin ini memiliki efisiensi yang lebihkecil dibandingkan dengan turbin angin sumbuhorizontal. Tetapi ada beberapa kelebihan yangdimiliki oleh turbin sumbu vertikal, antara lain :aman, mudah membangunnya, bisa dipasang tidakjauh dari tanah, dan lebih baik dalam menanganiturbulensi angin, sehingga generator dan gearbox bisaditempatkan tidak jauh dari permukaan tanah, danjuga akan meringankan beban tower danmemudahkan dalam perawatan. Disamping itukeuntungan utama dari jenis kincir ini adalah satubagian rotor bergerak dimana tidak ada mekanismeyaw yang diperlukan, yaitu sistem yang mengaturposisi baling-baling agar tetap menghadap anginsecara frontal sehingga kincir dapat menangkapenergi angin dari berbagai arah dengan demikiandalam pembuatannya akan lebih sederhana.Ada berbagai type VAWT yang seringdigunakan diantaranya adalah 1). Tipe Savonius2).Tipe Darrieus 3). Tipe H-Rotor.a. Tipe Savonius VAWT seperti yang ditunjukkanpada gambar 1 dan gambar 2, diciptakan olehseorang insinyur Finlandia SJ Savonius padatahun 1929. Kincir VAWT ini merupakan jenisyang paling sederhana dan menjadi versi besardari anemometer. Kincir Savonius dapat berputarkarena adanya gaya dorong dari angin, sehinggaputaran rotorpun tidak akan melebihi kecepatanangin. Meskipun daya koefisien untuk jenisturbin angin bervariasi antara 30% sampai 45%,menurut banyak peneliti untuk jenis Savoniusbiasanya tidak lebih dari 25%. Jenis turbin inicocok untuk aplikasi daya yang rendah danbiasanya digunakan pada kecepatan angin yangberbeda. (Savonius SJ. The S-Rotor and itsapplications : 1931Gambar 1. Prinsip kerja type Savonius – VAWTb. Type Darrieus VAWT ditemukan oleh seoranginsinyur Perancis George Jeans Maria Darrieusyang dipatenkan pada tahun 1931. Ia memiliki 2bentuk turbin yang digunakan diantaranya adalah‘‘Eggbeater/ Curved Bladed’’ dan ‘‘Straight-bladed’’ VAWT. Sketsa dari kedua variasikonsep Darrieus ditunjukkan dalam gambar 3, 4dan 5. Kincir angin Darrieus VAWT mempunyaibilah sudu yang disusun dalam posisi simetridengan sudu bilah yang diatur relatif terhadapporos. Pengaturan ini cukup efektif untukmenangkap berbagai arah angin. Berbeda denganSavonius, kincir angin Darrieus bergerak denganmemanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketikaangin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieusbergerak berputar mengelilingi sumbu. (DarrieusGJM. Turbine Having Its Rotating ShaftTransverse To The Flow Of The Current : 1931)
  3. 3. F02-3(a) (b).Gambar 2. Contoh type-type turbin kategoriSavonius (a) Type tiga-stack Savonius VAWT(b) Helix S322 VAWTGambar 3. Eggbeater/Curved Bladed DarrieusVAWT.Gambar 4. Straight-Bladed Darrieus VAWTGambar 5. Prinsip kerja type Darrieus VAWTGambar 6. H-Rotor - VAWTc. Type H-rotor ditunjukkan pada gambar 6,dikembangkan di Inggris melalui penelitian yangdilakukan selama 1970-1980an, diuraikan bahwamekanisme yang digunakan pada pisau berbilahlurus (Straight-bladed) Darrieus VAWT tidakdiperlukan, ternyata ditemukan bahwa efekhambatan yang diciptakan oleh sebuah pisauakan membatasi kecepatan aliran angin. Olehkarena itu, H-rotor akan mengatur semuakecepatan angin untuk mencapai kecepatanputaran optimalnya.Dibawah ini adalah beberapa contoh turbin typeDarrieus VAWT yang telah digunakan:
  4. 4. F02-4Gambar 7. A Darrieus VAWT on the MagdalenIslandsGambar 8. Windspire VAWTsGambar 9. Venco Twister ; Vertikon-H50 & helicaltwisted VAWT ‘s1.2. Teori dan model matematikTenaga mekanik ialah tenaga yang terkaitdengan gerak sesuatu benda, yaitu tenaga yangdimiliki oleh suatu jasad/benda yang disebabkan olehpergerakannya disebut tenaga kinetik. Tenaga inisesuai dengan kerja yang diperlukan untukmenghentikan jasad yang sedang bergerak. Jasadbermassa m yang bergerak dengan kecepatan vmempunyai tenaga :2.21vmEk ... (1)Angin adalah fluida yang bergerak sehinggamempunyai energi kinetik sebagai energi potensial.Energi potensial angin yang bergerak dengankecepatan V, dan dinyatakan sebagai desitas energiadalah (Allaire, et al, 1982) sebagai berikut:321VAPU … (2)Dimana P = energi angin; A = luas normalkecepatan angin; ρ = densitas udara (sekitar 0.07654lbm/ft3atau 1.23 kg/m3), V = kecepatal angin.Model matematika berdasarkan analisakelompok bilangan tak berdimensi untuk mencarirotasi rotor (rpm), pada type kincir angin reka bentukadalah mengikuti persamaan dibawah ini:dscbaAArAVrggVrmBV¸¹·¨©§¸¹·¨©§¸¹·¨©§¸¸¹·¨¨©§¸¹·¨©§......... 2222UZ … (3)dscbaAArAVrggVrmVB ¸¹·¨©§¸¹·¨©§¸¹·¨©§¸¸¹·¨¨©§.......... 2222UZ…(4)Persamaan diatas menunjukan rotasi rotor (ω) adalahtergantung dari massa bilah (m), jari-jari girasi (r),kecepatan angin (V), densitas angin (ρ), luas bilah (A)dan luas sirip (As). Apabila rotasi rotor diketahuimaka dapat dihitung energi tang terdapat pada rotoryang berotasi yaitu :222...21)..(..21rmnrmnER ZZ … (5)Energi rotor terdiri dari duaa faktor yang berbedayaitu (n.m.r2) merupkan sifat benda yang berotasi,tergantung dari massa benda (m) dan jumlah benda(bilah) yang tersebar pada sekitar sumbu rotor (n) danjari-jari girasi (r), yang disebut sebagai momentInersia (I) atau momen kedua. Sedangkan (1/2.ω2)dapat berubah-ubah sesuai dengan kecepatan rotasi.22..21.. ZIErmnI Ro … (6)
  5. 5. F02-5II. MetodologiRancangan kincir angin VAWT model baru,sirip-sirip bilah dibuat dari bahan polycarbonat,dengan kerangka besi atau aluminium. Bilahdibuat 3 karena lebih seimbang terhadap rotor.Sirip ini dibuat sedemikian rupa sehinggaapabila bilah berada di posisi berlawanan arahangin dengan putaran rotor, sirip sirip akanterbuka oleh dorongan angin itu sendirisehingga tidak menghambat putaran kincir,sebaliknya bila bilah berada pada posisi searahdengan angin dan putaran rotor, sirip-sirip akanmenutup dan menerima daya dorong anginuntuk memutar rotor. Sehingga luas bilah (sudu)tidak akan berpengaruh terhadap dayapenghambat, oleh itu luas bilah dapaat dibuatlebar agar kolektor angin lebih besar.Perancangan type ini akan meningkatanefisiensi dan kincir mudah berputar ataumenurunkan keceatan angin minimum untukmemutar rotor. Kincir angin ini mula-mula dibuatdengan skala laboratorium, untuk pengamatanlebih lanjut. Gambar 7 menunjukan kejelasanrancangan kincir angin ini.Metoda kajian yang akan dilakukan yaitu:Kincir dibuat dengan skala laboratorium. Kincirdimasukan ke dalam kolom angin buatan denganukuran yang disesuaikan, untuk mempermudahvariasi kecepatan angin. Data-data yang diambiladalah rotasi rotor (rmp) dan kecepatan angin.Variabel-variabel yang mungkin dilakukan adalahluas bilah, perbandingan luas sirip dan luas bilah(jumlah sirip/bilah), jari-jari girasi dan kecepatanangin. Gambar 8 menunjukan skema rangkaian alatpenelitian. Data-data yang diperoleh dibandingandengan data hasil perhitungan persamaan modelmatematik untuk mendapatkan konstanta-konstantayang sesuai.Gambar 10. Kincir Angin Bilah BersiripGambar 11: skema alat penelitianIII. PembahasanEnegri angin yang diterima tergantung dari luaskolektor angin atau bilah dari kincir, pada model-model VAWT sebelumnya dikatakan efisiensi rendahkarena perbandingan daya dorong dan penghambatrelatif kecil, type pada rancangan ini membuatperbandingan daya dorong jauh besar dari dayahambat sehingga efisiensi menjadi naik, dan padaTurbine’s towerArah rotasi rotorArah angin Tower turbinPosisi blade berlawananPosisis blade searahLorong anginKipasAnginRotorBilah
  6. 6. F02-6luas kolektor angin yang sama bentuk kincir inirelatif lebih kecil. Kincir ini lebih mudah berputaratau kecepatan angin minimum untuk memutar turbinmudah dapat diturunkan dibanding type yang sudahada, sehingga turbin ini dapat diterapkan di semualokasi yang memiliki kecepatan dan arah angin yangberberubah-ubah.Merujuk dari model matematika yang kamisusun, power atau rotasi rotor dipengaruhi oleh beratbilah kincir, luas bilah, perbandingan luas sirip danluas bilah (jumlah sirip/bilah) serta jari-jari girasi(jarak bilah ke sumbu rotor) serta kecepatan angin.Pengaruh yang dominan pada type rancangan iniakan dilihat pada perbandingan pangkat daripadakelompok bilangan-bilangan takberdimensi padamodel ini, yang peroleh dari perbandingan dataeksperimen dan data terhitung. Kelengkapankonstanta-konstanta pada persamaan matamatiktersebuat akan mempermudah perancangan atau scaleup dari turbin untuk kapasitas yang lebih besar.Turbin angin rancangan ini dapat diaplikasikan dilokasi manapun yang mempunyai kecepatan dan arahangin yang berfluktuasi, sehingga dapat membantuprogram pemerintah untuk pemerataan listrik danmambantu meningkatkan kesejahteraan masyarakat.Teknologi ini adalah teknologi bersih, yangmemanfaatkan sumber tenaga alami dan berwawasanlingkungan.IV. Summary1. Turbin angin aksis vertikal rancangan ini lebihefisien dan lebih mudah berputar dibandingdengan type-type yang sudah ada sehingga dapatditerapkan di semua lokasi yang memilikikecepatan dan arah angin yang berubah-ubah.Rancangan ini mudah dibuat dengan bahan-bahan yang mudah didapatkan dan relatif murahsehingga dapat terjangkau oleh masyarakatmenengah kebawah yang unmumnya belummenikmati jaringan listrik.2. Rencana yang akan dilakukan adalah membuatmodel kingcir dan mengkajinya pada lorongangin. Perbandingan data hasil perhitunganpersamaan model matematik dan data-dataeksperimen untuk mendapatkan konstanta-konstanta yang sesuai, akan mempermudah scaleup untuk membuat turbin dengan kapasitas yanglebih besar.3. Teknologi ini adalah teknologi bersih yangberwawasan lingkungan dan memanfaatkansumber tenaga alami yang gratis.4. Manfaat dari rancangan ini adalah untukpengembangan teknologi dan ilmu pengetahuan,membantu program pemerintah untukpemerataan listrik dan dapat meningkatkankesejahteraan masyarakat.V. PustakaAckermann, T. 2005, Wind Power in Power Systems.West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd.Allaire, W.F, Kennedy, W.J. Jr., Spielvogel, L.G,Witte, L.C., 1982, Energy ManagemenHand Book,ed. Wayne C. Tunner, JohnWiley & Sons, Canada.Eriksson, S., Bernhoff, H. & Leijon, M. 2008,Evaluation of different turbine concepts forwind power. Renewable and SustainableEnergy Reviews 12: 1419-1434Gasch, R. & Twele, J. 2002, Wind Power Plants:Fundamentals, Design, Construction andOperation. James and James, London andSolarpraxis, Berlin.Ibrahim Al-Bahadly, 2009, Building a wind turbinefor rural home, Energy for SustainableDevelopment, 13: 159–165Islam, M., Ting, D. S. K. & Fartaj, A. 2008,Aerodynamic models for Darrieus-typestraight-bladed vertical axis wind turbines.Renewable and Sustainable Energy Reviews12: 1087-1109.Joselin Herbert, G.M., Iniyan, S., Sreevalsan E.,Rajapandian, S., 2007 , A review of windenergy technologies, Renewable andSustainable Energy Reviews,11: 1117–1145Wikipedia contributor. 2009a, 2009b. Savonius windturbine. Wikipedia, The Free Encyclopediahttp://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine;http://en.wikipedia.org/wiki/Savonius_wind_turbine ; www.helixwind.com ;www.mariahpower.com;www.vencopower.com [02ndDecember2009]

×