1
Abstrak — Turbin angin untuk kecepatan rendah memiliki
banyak parameter yang harus diperhatikan agar turbin dapat
berputar secara optimal dengan kecepatan angin yang rendah.
Salah satu parameter yang harus diperhatikan adalah pemilihan
sudut pitch pada bilah turbin. Bilah turbin dengan penampang
airfoil yang berbeda akan memiliki konfigurasi sudut pitch yang
berbeda pula. Penelitian ini memaparkan tentang pencarian
sudut pitch yang paling optimal untuk kecepatan angin yang
bervariasi. Bilah turbin angin yang digunakan bertipe non-
uniform blade untuk turbin angin berukuran kecil dan karakter
kecepatan angin yang rendah dengan profil penampang airfoil
�REL S83n. Sudut pitch untuk bilah diatur menggunakan motor
servo yang posisinya dikendalikan oleh mikrokontroler melalui
komputer. Kecepatan putaran rotor turbin angin dicatat oleh
rotary encoder yang terhubung dengan mikrokontroler dan
disimpan di database komputer. Dari penelitian ini akan
diketahui hubungan antara kecepatan angin dengan sudut pitch
tertentu yang menghasilkan putaran rotor yang paling optimal.
Index Terms— turbin angin, sudut pitch optimal.
I. PENDAHULUAN
enggunaan energi alternatif merupakan suatu topik yang
mulai banyak dibahas. Hal ini disebabkan karena
teknologi makin berkembang yang menyebabkan manusia
mulai mencari sumber-sumber energi baru dan terbarukan
untuk menggantikan sumber energi konvensional. Energi
angin merupakan salah satu energi yang mulai dimanfaatkan
untuk menghasilkan listrik ataupun mengkonversinya ke
energi mekanik untuk keperluan lain. Salah satu alat yang
digunakan untuk memanfaatkan energi angin adalah turbin
angin. Menurut data dari asosiasi energi angin dunia
(WWEA), Indonesia menempati urutan ke-70 dunia dalam hal
sistem konversi energi angin (SKEA) terpasang (WWEA,
2010). Dalam blueprint pemanfaatan energi Indonesia untuk
tahun 2010-2015, Indonesia sudah memasuki periode
pemanfaatan energi angin dengan turbin skala menengah
(DJLPE, 2005). Dalam memanfaatkan energi angin
menggunakan turbin angin, terdapat berbagai faktor yang
dapat mempengaruhi kinerja turbin angin tersebut. Salah satu
hal yang perlu dipertimbangkan adalah perancangan bilah
untuk turbin angin yang meliputi ukuran (jari-jari rotor),
penampang airfoil, panjang chord, dan sudut pitch bilah
(Piggot, 2001).
Indonesia merupakan salah satu negara yang belum banyak
memanfaatkan energi angin sebagai pembangkit listrik karena
karakteristik angin di Indonesia yang cenderung berkecepatan
rendah dengan rata-rata per tahun sekitar 5-7 m/s.
Karakteristik kecepatan angin yang rendah tersebut masih
dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin
kecepatan rendah berskala kecil dengan bilah berdiameter 1 m
– 3 m (Buhl, 2009). Konfigurasi turbin angin yang bisa
digunakan adalah tipe HAWT dengan bilah berjumlah 3 buah
dan tipe airfoil bilah NREL S83n (Buhl, 2009). Airfoil NREL
S83n adalah tipe yang sesuai digunakan untuk turbin angin
berskala kecil (diameter 1 m – 3 m) dengan karakteristik
airfoil berukuran tebal dan Cl (lift coefficient) maksimum
yang tinggi (Buhl, 2009). Dengan Cl yang tinggi maka bilah
memiliki gaya angkat yang tinggi pada kecepatan angin yang
rendah (Buhl, 2009). Parameter lain yang harus diperhatikan
dalam merancang bilah turbin angin adalah penentuan sudut
pitch bilah turbin. Parameter tersebut akan mempengaruhi
performansi dari turbin angin, yaitu kecepatan sudut rotor,
kecepatan angin optimal, dan koefisien daya (The starting and
low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind
turbine, 2004). Penelitian ini akan terpusat pada pemilihan
sudut pitch optimal, yaitu sudut dimana turbin memiliki
koefisien daya yang maksimal pada jangkauan keceptan angin
yang lebar. untuk endapatkan sudut pitch optimal tersebut,
maka harus didapatkan hubungan antara kecepatan putar rotor
turbin dengan kecepatan angin. Dengan mendapatkan
hubungan tersebut maka akan dapat dirancang suatu bilah
turbin angin yang dapat berputar dengan kecepatan angin
seminimum mungkin dan torsi rotor semaksimal mungkin
pada kecepatan angin tertentu. Selanjutnya data sudut pitch
optimal ini dapat digunakan sebagai penetapan sudut pada
turbin fixed pitch atau penetapan jangkauan pengendalian
sudut pada turbin variable pitch.
II. DASAR TEORI
Prinsip dasar bahwa sebuah turbin angin dapat berputar
pada porosnya adalah karena adanya vektor dari gaya lift dan
gaya drag yang dihasilkan akibat bentuk aerodinamis dari
penampang bilah turbin angin tersebut. Pada gambar 1
dijelaskan ketika sebuah penampang airfoil terkena angin dari
arah depan, maka akan menghasilkan vektor gaya lift (L) dan
drag (D) (Burton, et al., 2001). Gaya lift dan gaya drag ini
perubahannya dipengaruhi langsung oleh bentuk geometri
bilah, kecepatan dan arah angin terhadap garis utama bilah
(sudut pitch). Akibat dari perubahan gaya lift dan drag, maka
kecepatan sudut dan torsi poros akan berubah pula. Perubahan
sudut pitch bilah ini akan mempengaruhi kecepatan sudut
(RPM) dari rotor karena adanya perubahan jumlah daya tiup
Pemilihan Sudut Pitch Optimal Untuk Prototipe Turbin Angin Skala
Kecil Dengan Tipe Bilah �on-Uniform Airfoil �rel S83n
Farid Ridha Muttaqin1), Bambang L. Widjiantoro2)
, Ali Musyafa’3)
1) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology
ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]
2) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology
ITS Surabaya Indonesia 60111, email:
3) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology
ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]
P
2
angin yang diterima oleh bilah yang dikonversi menjadi
kecepatan putar rotor (Harika, 2008).
Gbr 1. Vektor Gaya Pada Airfoil dengan sudut serang berbeda
(Burton, et al., 2001)
Daya dari angin yang dapat ditangkap oleh sebuah
horizontal axis wind turbine (HAWT) dapat diturunkan dari
persamaan energi kinetik angin yang bergerak dengan
kecepatan tertentu kearah x. Adapun persamaan energi yang
melewati turbin angin adalah sebagai berikut (Johnson, 2006):
� = �� ���
� = �� (�� ��)��
� (1)
Diketahui bahwa daya adalah turunan dari energi terhadap
waktu, maka:
� = ���� = �
� �� ���� ��
�� = �� ����
� (2)
Kemudian untuk mengetahui besarnya daya yang dapat
diekstrak oleh wind turbin dapat dilakukan dengan
menghitung selisih daya angin sebelum dan sesudah melewati
turbin angin.
Gbr 2. Tube Angin yang melewati turbin angin (Johnson, 2006)
Bila ada tube angin yang bergerak dengan kecepatan v akan
melewati wind turbin, maka pastinya kecepatannya akan
semakin berkurang sejalan dengan semakin dekatnya jaraknya
terhadap turbin angin, karena tekanannya naik akibat ruang
geraknya yang semakin sempit (mampat). Ketika melewati
turbin angin, maka energi kinetik angin tersebut diubah oleh
turbin angin menjadi energi rotasional. Dan setelah jarak
tertentu, maka kecepatan angin akan kembali seperti semula
akibat ruang geraknya telah melebar dan mendapat energi dari
udara disekitarnya. Persamaan untuk muka tube angin yang
melewati turbin angin ideal adalah sebagai berikut :
�� = �� = � �� ��
�� = � �� ��
� = � = � �� �
� = � � (3)
Jadi daya angin yang diekstrak adalah :
� = �� − �� = �� ��� ���
� − ����� = �
� ��(�� ���
�)
(4)
Untuk mempermudah, maka persamaan kemudian dibawa
ke bentuk lain yang menggunakan A2 (sesuai luas area wind
turbin).
� = �� �� ��
� ��� �� ��
�� = �� ��(��
� ����) (5)
Dimana :
P = Daya turbin angin (watt)
ρair = Massa jenis udara (kg/m3)
V = Kecepatan angin (m/s)
Ar = Luas sapuan penampang bilah (m2)
Cp = Power coeficient
Pada persamaan tersebut terdapat angka 16/27 yang
merupakan bilangan Betz Limit. Yaitu daya maksimal yang
bisa diekstrak oleh turbin angin adalah sebesar 59% untuk
turbin angin ideal. Bilangan Betz Limit pada turbin angin real
digantikan dengan koefisien daya (Cp) yang pasti memiliki
nilai kurang dari 0.59.
Semakin besar nilai Cp maka akan semakin besar power
yang dapat ditangkap oleh turbin angin. Cp sendiri adalah
merupakan fungsi dari λ (tip speed ratio) dan θ (pitch angle)
(Burton, et al., 2001). Jadi persamaan 2.4 dapat ditulis kembali
menjadi:
� = �� ��"#($, &) ���
� (6)
Sedangkan λ sendiri dirumuskan sbagai berikut :
$ = '(� (7)
Dimana :
λ = tip speed ratio
ω = kecepatan sudut (rps)
v = kecepatan angin (m/s)
R = jari-jari rotor bilah (m)
Jika diasumsikan ω adalah konstan sesuai set point yang
diinginkan dan R bilah adalah konstan, maka Cp hanya akan
bergantung pada v (kecepatan angin) dan θ (pitch angle), dari
sinilah kemudian θ dijadikan variabel yang dimanipulasi
sebagai kompensasi perubahan kecepatan angin (v) untuk
mendapatkan power yang diinginkan. Sedangkan untuk
mendapatkan θ sesuai dengan yang dibutuhkan dilakukan
pengambilan data dengan menggunakan kecepatan angin (v)
yang ditentukan.
A. Bilah Turbin Angin
Pada turbin angin, desain bilah merupakan hal yang paling
penting karena bila merupakan komponen utama yang
menangkap angin untuk kemudian dikonversikan menjadi
gerakan mekanik. Perkembangan teknologi telah menciptakan
bilah turbin angin dengan berbagai variasi bahan, ukuran, jenis
airfoil, jumlah bilah, dan lain sebagainya. Pada turbin angin
horizontal axis, hal yang penting untuk diperhatikan adalah
jari-jari bilah, jumlah bilah, sudut pitch, panjang chord, jenis
airfoil, dan bahan bilah.
Dimensi rotor turbin berpengaruh terhadap kemampuan
turbin untuk menangkap angin yang melewati turbin. Semakin
besar diameter rotor, maka semakin besar pula area sapuan
angin yang dapat dimanfaatkan. Namun hal ini akan
berpengaruh terhadap kecepatan rotor turbin tersebut, semakin
besar rotor, maka koefisien daya akan makin besar dan
kecepatan putaran turbin akan makin rendah.
Jumlah bilah pada turbin angin tidak memiliki batasan
khusus. Pada umumnya turbin angin horizontal axis memiliki
tiga bilah atau banyak bilah. Pemilihan jumlah bilah pada
3
turbin berdasarkan pada rancangan kecepatan turbin, adanya
noise, dan estetika turbin angin (Rand, 2010).
Sudut pitch pada bilah mengacu pada sudut serang dari
bilah terhadap aliran fluida yang melewati. Pada pesawat
terbang atau kapal, sudut pitch propeler dapat diatur
sedemikian rupa untuk mengendalikan daya yang dihasilkan
sehingga kecepatan pesawat atau kapal dapat berubah tanpa
mengubah kecepatan putaran propelernya.
Gbr 3. Sudut Pitch Bilah Turbin (Piggot, 2001)
Pada turbin angin, pengaturan sudut pitch dilakukan untuk
menyesuaikan daya yang dihasilkan terhadap kecepatan angin
yang bervariasi. Pada kondisi emergency shutdown atau
kondisi badai, sudut pitch diatur paralel dengan arah angin
agar turbin tidak berputar melebihi batas.
Panjang chord pada turbin angin tidak memiliki pengaruh
terlalu besar pada performa turbin angin. Rotor dengan bilah
yang memiliki panjang chord seragam di sepanjang span-nya,
masih bisa berputar dengan rugi efisiensi yang kecil. Namun
terdapat sebab lain yang membuat penentuan panjang chord
pada bilah harus dipertimbangkan. Bagian pangkal bilah
merupakan daerah dengan tangkapan angin yang kecil,
sedangkan bagian ujung bilah merupakan daerah penghasil
torsi yang paling besar. Dengan membuat bagian pangkal
lebih lebar daripada bagian ujung, maka turbin akan lebih
mudah untuk mulai berputar pada kecepatan angin yang
rendah (Piggot, 2001).
Bagian ujung merupakan daerah penghasil torsi paling
besar, sehingga dimensi chord harus diperhitungkan dengan
cermat. Untuk mendekati batasan Betz, maka persamaan
berikut dapat digunakan sebagai pendekatan [3].
" = ��).(((/�)�.$�., (8)
Dimana :
C = Panjang chord (m)
R = Radius total rotor (m)
r = radius pada segmen chord yang dihitung (m)
λ = tip speed ratio
B = Jumlah bilah pada rotor
B. Pemilihan Jenis Airfoil
Turbin angin sederhana dengan skala kecil tidak terlalu
memperhatikan jenis airfoil yang dipakai. Untuk turbin angin
horizontal axis biasanya menggunakan bentuk bentuk foil
yang sederhana mulai dari pelat datar atau airfoil tipis
berstandar NACA (&ational Advisory Committee for
Aeronautics) seri 4 atau 5 digit. Airfoil sederhana tersebut bisa
saja digunakan dengan rugi performa yang sedikit (Piggot,
2001).
Badan laboratorium nasional NREL (&ational Renewable
Energy Laboratory) telah melakukan penelitian dan merilis
beberapa airfoil yang cocok untuk diterapkan pada turbin
angin horizontal axis dengan skala kecil hingga besar. Airfoil-
airfoil tersebut diprediksi memiliki peningkatan energi sebesar
23% - 33% untuk regulated turbine, 8% - 20% untuk variable
pitch turbine, dan 8% - 10% untuk variable RPM turbine
(Buhl, 2009). Untuk turbin angin dengan diameter rotor 1 – 3
meter, NREL mengeluarkan seri S822 dan S823 yang
kemudian digantikan oleh seri S83n (S833, S834, S835).
Airfoil seri S83n merupakan airfoil tebal yang cocok
digunakan untuk turbin angin dengan variabel speed dan
variabel pitch dengan tipikal foil rendah noise dan koefisien
lift yang tinggi (Buhl, 2009). Berdasarkan desain spesifikasi
tersebut, maka ketiga airfoil tersebut dapat digunakan pada
turbin angin dengan diameter 2 m yang dilengkapi dengan
variabel pitch control. Untuk bagian pangkal digunakan tipe
S835, bagian tengah tipe S833, dan bagian ujung bilah tipe
S834.
Gbr 4. Penampang Airfoil NREL S835 untuk pangkal bilah (Buhl,
2009)
Gbr 5. Penampang Airfoil NREL S835 untuk tengah bilah (Buhl,
2009)
Gbr 6. Penampang Airfoil NREL S835 untuk ujung bilah (Buhl,
2009)
C. Mikrokontroler AVR
Untuk mengatur sudut pitch dari bilah turbin angin maka
diperlukan suatu mekanisme elektronik untuk memudahkan
pengaturan sudut sekaligus untuk mencatat kecepatan putar
turbin angin dan kecepatan angin pada kecepatan angin
tertentu.
Mikrokontroler adalah komputer berskala kecil yang terdiri
atas mikroprosesor, memori, dan beberapa fitur terintegrasi
dalam satu integrated circuit (IC). Seiring dengan
perkembangan teknologi, kebutuhan akan suatu pengendali
berukuran kecil semakin banyak. Sehingga muncullah varian-
varian mikrokontroler dengan berbagai merek, fitur, dan
keandalan hardware, mulai dari skala amatir sampai
spesifikasi militer. Salah satu keunggulan dari mikrokontroler
jika dibandingkan dengan kontroler elektronik lainnya adalah
mudah untuk diprogram. Mikrokontroler yang akan dipakai
adalah jenis ATMega16 yang memiliki fasilitas ADC,
4
komunikasi UART, dan Timer pembangkit PWM.
Gbr 7. Konfigurasi mikrokontroler ATMega16
Agar dapat berfungsi dengan baik, mikrokontroler
membutuhkan rangkaian minimal yang disebut minimum
system. Minimum system setidaknya harus memiliki catu daya
(VCC-GND), rangkaian reset, dan osilator kristal eksternal.
Namun pada penggunaan lebih kompleks, minimum sistem
dapat ditambahkan dengan port untuk programming,
rangkaian USART, dan lain-lain.
Gbr 8. Rangkaian Minimum System
D. Interface Serial RS-232
Interfacing adalah menghubungkan perangkat
mikrokontroler dengan perangkat komputer atau
mikrokontroler lain dengan tujuan saling mengkomunikasikan
dua perangkat tersebut. Mikrokontroler ATMega16 dilengkapi
dengan fasilitas USART (Universal Synchronous
Asynchronous Receiver Transmitter) yaitu komunikasi
menggunakan TTL yang dapat dikonversi menjadi RS232
untuk kemudian dihubungkan dengan komputer.
RS232 merupakan salah satu standar interface dalam proses
transfer data antar komputer terutama dalam bentuk serial
transfer. RS232 merupakan kependekan dari Recommended
Standard number 232. Standar ini dibuat oleh Electronic
Industry Association (EIA), untuk interface antara peralatan
terminal data dan peralatan komunikasi data, dengan
menggunakan data biner sebagai data yang ditransmisi. RS232
adalah suatu Serial Data Interface Standard yang dikeluarkan
oleh EIA. Standarisasi meliputi konektor, fungsi serta posisi
tiap per timing (pewaktu) dan level tegangan/arus. Standar ini
juga berisikan karakteristik sinyal listrik, karakteristik
mekanik dan cara operasional rangkaian fungsional.
TABEL 1. ALOKASI FUNGSI PIN PADA RS-232
Pin Keterangan
1 Carrier Detect (CD) (dari DCE) Menerima sinyal
datang dari modem
2 Received Data (RD) Data diterima dari DCE
3 Transmitted Data (TD) Data ditransmisikan ke
DCE
4 Data Terminal Ready (DTR) Sinyal handshaking
ditransmisikan
5 Ground (Common reference voltage)
6 Data Set Ready (DSR) Sinyal handshaking datang
7 Request To Send (RTS) Sinyal kontrol aliran untuk
DCE
8 Clear To Send (CTS) Sinyal kontrol aliran datang
dari DCE
9 Ring Indicator (RI) (dari DCE) Sinyal datang dari
modem
Untuk mengkomunikasikan mikrokontroler dengan
komputer diperlukan rangkaian konversi sinyal TTL menjadi
RS232, karena seperti diketahui bahwa kondisi low/high TTL
dengan RS232 berbeda. Untuk TTL low bernilai 0 V sampai
0,8 V dan high bernilai 2 V sampai 5 V. Sedangkan RS232
untuk low bernilai +3 V sampai +15 V, dan high bernilai -15
V sampai -3 V [12]. Untuk mengkonversi sinyal tersebut
dapat digunakan IC MAX232 atau menggunakan rangkaian
transistor.
III. METODOLOGI PENELITIAN
Pada bagian ini akan dibahas langkah-langkah perancangan
dan pembangunan dari prototipe turbin angin dan pengatur
sudut Pitch bilah. Sistem yang akan dirancang dilengkapi
dengan sub sistem pendukung berupa sensor dan monitoring.
Sebagian besar komponen penyusun prototipe turbin angin
ini memanfaatkan prototipe turbin berdiameter 1 m yang telah
dibuat oleh Adam Harika pada tahun 2008. Dari prototipe
yang sudah ada tersebut dilakukan beberapa modifikasi untuk
menyesuaikan dengan dimensi bilah yang lebih besar. Sistem
yang dirancang adalah turbin angin berskala kecil (diameter
rotor 2 m) untuk karakteristik kecepatan angin rendah dengan
bilah berjumlah tiga. Turbin angin ini dilengkapi dengan
sistem pengatur sudut pitch dan sistem monitoring kecepatan
putar turbin. Adapun penjelasan secara rinci tentang
komponen-komponen penyusunnya akan dijelaskan lebih
lanjut pada sub-subbab dibawah. Dari rancangan yang telah
dibuat, pengerjaan dilakukan di Laboratorium Non-Metal
Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya untuk pengerjaan
bilah, dan bengkel Bubut Bapak Misdi Jalan Jojoran untuk
pengerjaan modifikasi center plate, rotor shaft, dan penyangga
bilah.
5
Gbr 9. Prototipe Turbin Angin
A. Rancangan Bilah Turbin
Bilah turbin merupakan komponen terpenting pada turbin
angin. Bilah merupakan komponen pertama yang menangkap
angin untuk kemudian dikonversikan menjadi gerakan
mekanis. Pada prototipe turbin angin ini digunakan bilah
bertipe non-uniform dengan profil airfoil NREL S83n dengan
rincian S835 untuk bagian pangkal, S833 untuk bagian tengah,
dan S834 untuk bagian ujung. Bilah ini dibentuk tapered dan
untwisted dengan panjang chord yang semakin kecil dari
pangkal ke ujung. Persamaan untuk mencari panjang chord
dapat dilihat pada persamaan 2.8 dengan radius total R = 1 m,
jumlah bilah B = 3, dan tip speed ratio λ = 6.
Gbr 10. Rancangan bilah turbin angin
Bilah dibuat menggunakan bahan komposit fiberglass yang
dilapisi dengan resin putty (dempul) warna hijau muda.
Seluruh fabrikasi bilah dilakukan di Laboratorium Non-Metal
Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. Dalam proses
pembuatan terdapat sedikit ketidak-presisian dimensi chord.
Hal ini dikarenakan proses pembuatan moulding dari gips
yang cukup sulit mengingat bentuk airfoil yang non-uniform
dan tapered.
Gbr 11.Rancangan bilah turbin angin
Bilah yang dibuat dibentuk sedemikian rupa sehingga
memiliki massa yang sama yaitu 1297 gram dengan cara
menambahkan putty pada permukaan bilah. Namun pada
perancangan bilah tersebut terdapat kesulitan untuk mencari
dan menyamakan titik pusat massa untuk tiap bilah.
B. Center Plate
Center plate atau hub merupakan bagian turbin yang
menyangga bilah, menghubungkan bilah dengan poros rotor
turbin, dan tempat mekanisme pengaturan sudut pitch bilah.
Dalam pengerjaannya center plate juga mengalami rancang
ulang dalam hal pemilihan materialnya. Center plate memiliki
diameter 28 cm untuk mengakomodir lokasi penempatan
motor servo, gear box, dan penyangga bilah. Pada awalnya
center plate dibuat menggunakan bahan pelat besi dengan
ketebalan 4 mm. rancangan ini membuat bobot pada poros
turbin menjadi berat dan sulit untuk berputar. Akhirnya
dilakukan rancang ulang dengan mengganti bahan center plate
dengan poly vinyl chloride (PVC) dengan diameter 28 cm dan
tebal 15 mm. Bahan ini memiliki bobot yang lebih ringan
dibandingkan pelat baja. Selain itu bila dibandingkan dengan
rancangan awal prototipe turbin angin milik Adam Harika
yang menggunakan teflon, bahan PVC ini lebih kuat dan ulet.
Gbr 12. Rancangan final center plate menggunakan PVC
C. Sensor Putaran Rotor
Untuk mengetahui kondisi kecepatan putaran turbin
diperlukan sensor berupa rangkaian rotary encoder relatif dan
photointerrupter. Rangkaian ini akan menghasilkan sejumlah
pulsa saat rotor berputar, dimana jumlah pulsa tiap detiknya
akan dihitung oleh sistem monitor untuk menentukan PPS
(Pulsa per Sekon).
Rotary encoder yang digunakan memiliki 20 celah,
sehingga untuk menghitung putaran per sekon (RPS) dan
putaran per menit (RPM) digunakan persamaan berikut.
-./ = 012 (9)
-.3 = -./. 60 (10)
Dimana:
RPS = putaran per sekon
RPM = putaran per menit
n = jumlah pulsa per detik
Pada sensor putaran ini dilakukan pengujian untuk
mengetahui ketepatan sensor dalam membaca kecepatan
putaran rotor turbin (RPM). Pengujian dilakukan dengan
menggunakan laser tachometer Lutron VT-8204.
D. Pengaturan Sudut Pitch dan Monitoring Sistem
Untuk memudahkan pengambilan data hubungan antara
sudut pitch, kecepatan angin, dan kecepatan putaran rotor,
maka dirancang suatu sistem pengaturan sudut pitch dan
monitoring kecepatan putaran rotor. Sistem ini terdiri atas dua
mikrokontroler, yaitu servo driver dan monitoring. Kedua
mikrokontroler ini terhubung satu sama lain melalui pulsa
kendali PWM dari mikrokontroler monitor ke mikrokontroler
servo driver.
6
Gbr 13. Diagram blok sistem pengaturan sudut pitch dan monitoring
kecepatan rotor
Untuk memudahkan pengaturan sudut pitch dan memonitor
putaran rotor, maka sebuah software berbasis Visual Basic
dirancang untuk mengkomunikasikan mikrokontroler dengan
PC. Software ini dirancang dengan antarmuka sesederhana
mungkin untuk memudahkan penggunaannya.
Gbr 14. Antarmuka software pitch setting dan monitoring
Pada software tersebut terdapat beberapa tombol perintah
untuk pengaturan serial com port, slider pengatur sudut, dan
perintah untuk memulai monitoring dan perekaman data ke
database Microsoft Access. Tombol “Set” pada frame
“Pencatat Waktu” digunakan untuk mengatur lokasi com port
dan interval pencatatan kecepatan turbin. Slider dan tombol
“Set” pada frame “Pengatur Pitch” digunakan untuk mengatur
sudut pitch pada bilah. Saat tombol “Set” tersebut ditekan,
maka VB akan mengirimkan karakter “s” dan diikuti dengan 5
karakter angka yang merepresentasikan data OCR1A. Apabila
karakter berhasil terkirim, maka label “Sinyal Mikro” akan
memberikan angka yang sama dengan label “Sinyal Servo”.
Pada frame “Monitor Kecepatan” terdapat beberapa tombol
yang digunakan untuk memulai proses monitoring dan
perekaman data. Tombol “Cek” digunakan untuk memeriksa
komunikasi PC dengan mikrokontroler. Saat tombol ini
ditekan, maka VB akan mengirimkan karakter “a” satu kali
dan menerima respon dari mikro untuk ditampilkan pada label
PPS, RPS, dan RPM. Tombol “Mulai” digunakan untuk
memulai proses monitoring kecepatan putaran turbin. Saat
tombol Mulai ditekan, maka VB akan mengirimkan karakter
“a” berulang-ulang dengan interval sesuai dengan pengaturan
awal. Tombol “Rekam” digunakan untuk memonitor sekaligus
merekam data pada database Microsoft Access. Saat tombol
ini ditekan maka VB akan mengirimkan karakter “a” secara
berulang-ulang dan sekaligus merekam data Tanggal, Sinyal
servo, PPS, RPS, RPM. Bila proses perekaman data dimulai
maka label durasi akan mulai menghitung lama perekaman
dalam sekon.
E. Rancangan Alat Uji Wind Blower
Untuk melakukan pengujian dan pengambilan data kinerja
turbin angin, maka dirancang pula suatu instrumen uji berupa
wind blower. Wind blower ini digunakan untuk
mengkondisikan angin yang meniup turbin angin dengan
kecepatan tertentu.
Wind blower dibuat menggunakan lorong ducting yang
terbuat dari triplek dan besi siku, dan bagian pangkalnya di
lengkapi dengan dua kipas blower. Ducting dirancang dengan
lubang awal yang lebarnya 150 cm dengan tinggi 70 cm untuk
menggabungkan angin dari dua kipas. Kemudian pada bagian
akhit ducting dirancang menyempit dengan bentuk persegi
dengan sisi 50 cm. Kemudian dilanjutkan dengan lorong
berbentuk balok dengan sisi 50 cm dan panjang 200 cm.
Gbr 15. Desain dan dimensi ducting wind blower
Rancangan wind blower dilengkapi dengan dua buah kipas
blower CKE NEF-45b berukuran 18”. Satu buah kipas mampu
menghasilkan angin dengan kecepatan 7,5 m/s. Bila
dikombinasikan dengan ducting, maka diharapkan terdapat
penjumlahan vektor kecepatan angin sehingga dihasilkan
angin dengan kecepatan mencapai 9 – 10 m/s. Namun pada
kenyataannya angin yang dihasilkan pada ujung ducting
maksimal adalah 4.8 – 5.0 m/s yang didapat dengan menyetel
kipas pada mode high-high. Akhirnya diputuskan untuk
pengujian dan pengambilan data turbin angin, digunakan 4
mode kecepatan angin menggunakan ducting, dan 3 mode
kecepatan tanpa menggunakan ducting.
TABEL 2. TABEL MODE KECEPATAN ANGIN PENGUJIAN
Mode Kipas 1 Kipas 2 Ducting Kecepatan
Angin
1 High High No 7.5 m/s
2 Medium Medium No 7.0 m/s
3 Low Low No 6.5 m/s
4 High High Yes 4.8 m/s
5 Medium Medium Yes 4.1 m/s
6 High - Yes 3.1 m/s
7 Low - Yes 2.8 m/s
F. Pengambilan Data Sudut Pitch Optimal
Dalam mencari sudut pitch optimal diperlukan beberapa
data yang harus diambil, yaitu kecepatan angin sebelum
turbin, kecepatan angin setelah turbin, sudut pitch, dan PPS
(pulsa per sekon). Kecepatan angin sebelum dan sesudah
melewati turbin diambil untuk mendapatkan data pendekatan
koefisien daya turbin. Untuk mengambil data kecepatan angin
digunakan dua anemometer digital. Data PPS digunakan untuk
mencari RPS dan RPM rotor turbin, dan untuk selanjutnya
diolah untuk mendapatkan tip speed ratio. Pengambilan data
PPS sendiri dilakukan secara otomatis pada software
monitoring.
Proses pengambilan data dilakukan dengan prosedur tetap.
Pertama kali turbin angin diletakkan pada posisi 1 meter dari
ujung blower. Kemudian blower uji dinyalakan dan dibiarkan
selama 5 – 10 menit untuk mendapatkan angin yang stabil.
Setelah itu kecepatan angin dari blower diukur menggunakan
anemometer. Kemudian software monitoring dinya
mengeset sudut pitch yang ditentukan. Setelah itu bilah turbin
A diarahkan ke azimuth 0o. Software mulai merekam data dan
rotor turbin dibiarkan berputar. Setiap data pada kecepatan
angin dan sudut pitch tertentu diambil selama 120 sekon
ketika kecepatan turbin mulai stabil. Data kecepatan rotor
tesebut kemudian diambil nilai rata-ratanya dan ditetapkan
sebagai kecepatan putaran rotor untuk kecepatan angin dan
sudut pitch tertentu. Disaat software merekam data PPS rotor,
kecepatan angin sebelum turbin dan sesudah melewati turbin
diambil. Titik pengambilan data kecepatan angin sebelum
turbin diambil pada ujung blower uji. Sedangkan titik
pengambilan data kecepatan angin setelah melewati turbin
diambil pada titik 1 meter dibelakang turbin.
IV. HASIL PENELITIAN
Kinerja dari turbin angin yang telah dibuat dianalisa dengan
beberapa data yang telah diambil. Beberapa variabel yang
dapat dijadikan acuan kinerja turbin angin adalah RPM
terhadap Sudut pitch pada kecepatan angin yang bervariasi,
Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin pada sudut
yang bervariasi, koefisien daya terhadap kecepatan angin pada
sudut pitch yang bervariasi, dan koefisien daya terhadap Tip
Speed ratio untuk masing-masing sudut pitch
A. RPM Maksimum
Dari data yang telah diambil dapat dibuat grafik hubungan
RPM terhadap sudut pitch dan kecepatan angin untuk
memudahkan pengamatan titik-titik sudut
Gbr 16. Grafik RPM fungsi Sudut Pitch dan Kecepatan Angin
B. Tip Speed Ratio
Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung
bilah dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung bilah dicari
dengan mengalikan kecepatan angular rotor (rad/s) dengan
koefisien daya turbin. Untuk mengambil data kecepatan angin
digunakan dua anemometer digital. Data PPS digunakan untuk
RPS dan RPM rotor turbin, dan untuk selanjutnya
diolah untuk mendapatkan tip speed ratio. Pengambilan data
PPS sendiri dilakukan secara otomatis pada software
Proses pengambilan data dilakukan dengan prosedur tetap.
iletakkan pada posisi 1 meter dari
ujung blower. Kemudian blower uji dinyalakan dan dibiarkan
10 menit untuk mendapatkan angin yang stabil.
Setelah itu kecepatan angin dari blower diukur menggunakan
anemometer. Kemudian software monitoring dinyalakan untuk
yang ditentukan. Setelah itu bilah turbin
. Software mulai merekam data dan
rotor turbin dibiarkan berputar. Setiap data pada kecepatan
tertentu diambil selama 120 sekon
kecepatan turbin mulai stabil. Data kecepatan rotor
ratanya dan ditetapkan
sebagai kecepatan putaran rotor untuk kecepatan angin dan
tertentu. Disaat software merekam data PPS rotor,
turbin dan sesudah melewati turbin
diambil. Titik pengambilan data kecepatan angin sebelum
turbin diambil pada ujung blower uji. Sedangkan titik
pengambilan data kecepatan angin setelah melewati turbin
diambil pada titik 1 meter dibelakang turbin.
ENELITIAN
Kinerja dari turbin angin yang telah dibuat dianalisa dengan
beberapa data yang telah diambil. Beberapa variabel yang
dapat dijadikan acuan kinerja turbin angin adalah RPM
pada kecepatan angin yang bervariasi,
terhadap kecepatan angin pada sudut pitch
yang bervariasi, koefisien daya terhadap kecepatan angin pada
yang bervariasi, dan koefisien daya terhadap Tip
pitch.
pat dibuat grafik hubungan
dan kecepatan angin untuk
titik sudut pitch optimal.
Grafik RPM fungsi Sudut Pitch dan Kecepatan Angin
perbandingan antara kecepatan ujung
bilah dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung bilah dicari
dengan mengalikan kecepatan angular rotor (rad/s) dengan
jari-jari rotor. Kemudian dibandingkan dengan kecepatan
angin pada daerah 1.
6/- = 1.7.8.89:;
Dimana R adalah jari-jari rotor, RPS adalah rotasi per
sekon, dan V adalah kecepatan angin.
Gbr 17. Grafik TSR terhadap kecepatan angin untuk tiap sudut pitch
Dari grafik tersebut dapat terlihat
speed ratio dipengaruhi langsung oleh kecepatan angin dan
sudut pitch. Titik-titik TSR maksimum dicapai pada kecepatan
angin sebesar 7.5 m/s untuk sudut
Sedangkan untuk sudut pitch
speed ratio benilai 0. Hal ini menunjukkan sudut
dapat menghasilkan putaran adalah 5 sampai 70 derajat.
C. Koefisien Daya
Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin
angin untuk mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh
angin. Daya angin merupakan daya yang dihasilkan angin
dengan kecepatan tertentu yang melewati luasan sapuan bilah
turbin.
� = ���� = �
� �� ����
Dimana ρair adalah massa jenis udara, dan v ada
kecepatan angin. Untuk mencari koefisien daya pada turbin
dilakukan pendekatan menggunakan kontur kecepatan tube
angin ideal.
�� = �� = � �� ��
�� = � �� ��
� = � = � �� �
� = � �
Daya angin yang diekstrak adalah daya angin sebelum
melewati turbin (daerah 1) dikurangi dengan daya angin
seltelah melewati turbin (daerah 4).
�� = �� ��� ���
��
�� = �� ��� ���
��
Untuk mempermudah perhitung
luasan sapuan turbin (daerah 2).
�� = �� � ��� ��
�� = ��
�� = �� ������ = ��.
Sehingga koefisien turbin angi
kecepatan angin sebelum melewati turbin dan setelah
melewati turbin.
7
jari rotor. Kemudian dibandingkan dengan kecepatan
(11)
jari rotor, RPS adalah rotasi per
sekon, dan V adalah kecepatan angin.
Grafik TSR terhadap kecepatan angin untuk tiap sudut pitch
Dari grafik tersebut dapat terlihat dengan jelas bahwa tip
speed ratio dipengaruhi langsung oleh kecepatan angin dan
titik TSR maksimum dicapai pada kecepatan
angin sebesar 7.5 m/s untuk sudut pitch 5 sampai 70 derajat.
pitch 0 dan 75 sampai 90 derajat tip
speed ratio benilai 0. Hal ini menunjukkan sudut pitch yang
dapat menghasilkan putaran adalah 5 sampai 70 derajat.
Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin
angin untuk mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh
angin merupakan daya yang dihasilkan angin
dengan kecepatan tertentu yang melewati luasan sapuan bilah
������ = �
� ����� (12)
adalah massa jenis udara, dan v adalah
kecepatan angin. Untuk mencari koefisien daya pada turbin
dilakukan pendekatan menggunakan kontur kecepatan tube
(13)
yang diekstrak adalah daya angin sebelum
melewati turbin (daerah 1) dikurangi dengan daya angin
seltelah melewati turbin (daerah 4).
(14)
(15)
Untuk mempermudah perhitungan maka luas disubstitusi ke
luasan sapuan turbin (daerah 2).
��. ). (� ��� ��
�� (16)
. ). (������ (17)
Sehingga koefisien turbin angin dapat dicari dengan data
kecepatan angin sebelum melewati turbin dan setelah
"# = ��<���� = ��
����<��
�����)(������
�(��)(�)
Dengan menggunakan persamaan 18, koefisien daya pada
tiap titik kecepatan angin dan sudut pitch
diketahui.
Gbr 18. Grafik Koefisien daya terhadap kecepatan angin untuk
tiap sudut pitch
Dari data tersebut dapat dicari titik koefisien daya
maksimum terhadap kecepatan angin untuk setiap sudut
Tabel berikut menunjukkan koefisien daya maksimum untuk
mencari letak kecepatan angin dan sudut pitch
TABEL 3. KOEFISIEN DAYA MAKSIMUM PADA SETIAP SUDUT
Sudut Cp
maksimum
Kecepatan angin
5 0.523
10 0.545
15 0.545
20 0.510
25 0.398
30 0.473
35 0.435
40 0.394
45 0.435
50 0.435
55 0.352
60 0.262
65 0.308
70 0.214
Dapat dilihat bahwa turbin angin memiliki koefisien daya
yang cukup baik mengingat turbin angin horizontal axis pada
umumnya memiliki koefisien daya maksimum antara 0.35
sampai 0.40.
D. Sudut Pitch Optimal
Sudut pitch optimal untuk turbin angin adalah sudut pitch
dimana turbin angin menghasilkan daya maksimum pada
kecepatan angin tertentu. Untuk mendapatkan sudut pitch
optimal dilakukan dua pendekatan. Pendekatan pertama
melalui hubungan antara koefisien daya dengan kecepatan
angin dan sudut pitch. Sedangkan pendekatan kedua melalui
hubungan antara RPM dengan kecepatan angin dan sudut
pitch.
(18)
, koefisien daya pada
pitch tertentu dapat
Grafik Koefisien daya terhadap kecepatan angin untuk
Dari data tersebut dapat dicari titik koefisien daya
maksimum terhadap kecepatan angin untuk setiap sudut pitch.
Tabel berikut menunjukkan koefisien daya maksimum untuk
pitch optimal.
UM PADA SETIAP SUDUT PITCH
Kecepatan angin
4.8
7.5
7.5
7.5
4.1
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
angin memiliki koefisien daya
yang cukup baik mengingat turbin angin horizontal axis pada
umumnya memiliki koefisien daya maksimum antara 0.35
Sudut pitch optimal untuk turbin angin adalah sudut pitch
enghasilkan daya maksimum pada
kecepatan angin tertentu. Untuk mendapatkan sudut pitch
optimal dilakukan dua pendekatan. Pendekatan pertama
melalui hubungan antara koefisien daya dengan kecepatan
angin dan sudut pitch. Sedangkan pendekatan kedua melalui
bungan antara RPM dengan kecepatan angin dan sudut
Gbr 19. Grafik sudut pitch optimal terhadap koefisien daya
Melalui pendekatan pertama dapat diketahui bahwa sudut
pitch yang menghasilkan koefisien daya yang relatif tinggi
pada seluruh rentang kecepatan angin adalah sudut 10, 15, dan
20. Pada kecepatan angin 3 m/s, turbin angin yang memiliki
sudut pitch 10, 15, dan 20 memiliki koefisien daya diatas 0.3.
Pada pendekatan kedua melalui hubungan antara RPM rotor
dengan kecepatan angin dan sudut pitch, dilakukan
penyempitan deretan data mulai 5 sampai 30 derajat dan
kemudian didekati dengan regresi polinomial orde 3. Dari
pendekatan tersebut akan didapatkan nilai
optimal untuk rentang kecepatan 2.8 sampai 7.5 m/s.
Gbr 20. Grafik sudut pitch optimal terhadap RPM turbin
TABEL 4. SUDUT PITCH OPTIMAL
Kecepatan Angin
(m/s)
Sudut Pitch
Optimal
2.8 10.35
3.8 10.37
4.1 13.10
4.8 10.15
6.5 13.16
7.0 16.19
7.5 10.87
V. KESIMPULAN
Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah
Turbin Angin dengan koefisien daya, Cp maksimum
pada sudut pitch 10o
dan kecepatan angin 7.5 m/s.
optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10
dengan rincian Cp maksimum 0.545
pada sudut 10o), 0.545 (kecepatan angin
15o), dan 0.510 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20
Sudut pitch yang menghasilkan RPM maksimum untuk
kecepatan angin 2.8 m/s sampai 7.5 m/s adalah
berikut, 10.35o pada kecepatan angin 2.8 m/s
8
. Grafik sudut pitch optimal terhadap koefisien daya
Melalui pendekatan pertama dapat diketahui bahwa sudut
pitch yang menghasilkan koefisien daya yang relatif tinggi
ada seluruh rentang kecepatan angin adalah sudut 10, 15, dan
20. Pada kecepatan angin 3 m/s, turbin angin yang memiliki
sudut pitch 10, 15, dan 20 memiliki koefisien daya diatas 0.3.
Pada pendekatan kedua melalui hubungan antara RPM rotor
angin dan sudut pitch, dilakukan
penyempitan deretan data mulai 5 sampai 30 derajat dan
kemudian didekati dengan regresi polinomial orde 3. Dari
pendekatan tersebut akan didapatkan nilai-nilai sudut pitch
optimal untuk rentang kecepatan 2.8 sampai 7.5 m/s.
. Grafik sudut pitch optimal terhadap RPM turbin
UDUT PITCH OPTIMAL
Sudut Pitch
Optimal
RPM Maksimum
10.35 39.58
10.37 54.28
13.10 64.38
10.15 68.96
13.16 112.83
16.19 99.02
10.87 168.09
ESIMPULAN
Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah Prototipe
dengan koefisien daya, Cp maksimum, 0.544
dan kecepatan angin 7.5 m/s. Sudut pitch
optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10o sampai 20
o,
dengan rincian Cp maksimum 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s
(kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut
(kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20o).
Sudut pitch yang menghasilkan RPM maksimum untuk
kecepatan angin 2.8 m/s sampai 7.5 m/s adalah sebagai
pada kecepatan angin 2.8 m/s dengan RPM
9
39.58; 10.37o pada kecepatan angin 3.8 m/s dengan RPM
54.28; 13.10o pada kecepatan angin 4.1 m/s dengan RPM
64.38; 10.15o pada kecepatan angin 4.8 m/s dengan RPM
68.96; 13.16o pada kecepatan angin 6.5 m/s dengan RPM
112.83; 16.19o pada kecepatan angin 7.0 m/s dengan RPM
99.02; dan 10.87o pada kecepatan angin 7.5 m/s dengan RPM
168.09.
Beberapa saran untuk kelanjutan penelitian ke depan adalah
Membandingkan bilah dengan jenis airfoil lain agar dapat
dijadikan perbandingan sudut optimal dan koefisien daya
terbesar. Memperhatikan syarat-syarat pengujian turbin angin
tanpa mengabaikan aspek mekanika fluida, terutama pada
aspek external flow. Melakukan pengujian lapangan untuk
prototipe turbin angin.
.
VI. DAFTAR PUSTAKA
BUHL, M. 2009. WIND TURBINE AIRFOILS. &ATIO&AL
RE&EWABLE E&ERGY LABORATORY. [ONLINE]
OCTOBER 15, 2009. [CITED: JANUARY 20, 2011.]
HTTP://WIND.NREL.GOV/AIRFOILS/.
Burton, Tony, et al. 2001. Wind Energy Handbook. New
York : John Wiley & Sons, LTD, 2001.
DJLPE. 2005. Blueprint Pengeloaan Energi &asional 2005 -
2010. Jakarta : Direktorat Energi dan SDM, 2005.
EG. 2010. Servo Motors Tutorial. Engineers Garage. [Online]
2010. [Cited: March 10, 2011.]
http://www.engineersgarage.com/articles/servo-
motor.
Electricly. 2010. Absolute Optical Encoders. Electricly.
[Online] 2010. [Cited: March 12, 2011.]
http://electricly.com/absolute-optical-encoders-
rotary-encoders/.
Harika, Adam. 2008. Rancang Bangun Blade Pitch Angle
Control System Berbasis Classicfuzzy pada Prototipe
Wind Turbine. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh
Nopember, 2008.
Jha, A.R. 2011. Wind Turbine Technology. New York : CRC
Press, 2011.
Johnson, Gary L. 2006. Wind Energy System. Manhattan :
KS, 2006.
Meterdigital. 2010. Lutron VT-8204 Vibration Meter. Meter
Digital. [Online] 2010. [Cited: May 22, 2011.]
http://meterdigital.com/content/lutron-vt-8204-
vibration-meter-tachometer.
Optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine.
Thumthae, C and Chitsomboon, T. 2009. 34, s.l. :
Elsevier, Renewable Energy, 2009.
Piggot, Hugh. 2001. Wind Power Workshop. s.l. : Centre for
Alternative Technology Publication, 2001.
Rand, Joseph. 2010. KidWind Project: Wind Turbine Blade
Design. s.l. : National Wind Technology Center,
2010.
The starting and low wind speed behaviour of a small
horizontal axis wind turbine. Wright, A K and
Wood, D H. 2004. 92, s.l. : Elsevier, Renewable
Energy, 2004, Elsevier, Renewable Energy, pp. 1265-
1279.
UEA. 2008. Learn How Slip Rings Work. UEA-Inc. [Online]
2008. [Cited: March 12, 2011.] http://info.uea-
inc.com/learn-how-slip-rings-work/.
WWEA. 2010. World Wind Energy Report 2010. Bonn :
World Wind Energy Association, 2010.
BIODATA PE�ULIS
� Nama : Farid Ridha Muttaqin
� TTL : Gresik, 10 Okt 1989
� Gender : Laki-laki
� Agama : Islam
� Alamat : Baja 12/10 PPI,
Kec. Manyar, Gresik
� Telp. : (031) 3950290
� HP : 085730315421
� Email : [email protected]
Riwayat pendidikan :
� SD : SD Muhammadiyah 1 Gresik (1995-2001)
� SMP : SLTPN 1 Gresik (2001-2004)
� SMU : SMAN 1 Gresik (2004-2007)
� PT : S1 Teknik Fisika FTI- ITS (2007 -
sekarang)