Alpen Steel | Renewable Energy

Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan Tol

T.A. Fauzi Soelaiman, Nathanael P. Tandian, dan Nanang Rosidin
Laboratorium Termodinamika, Pusat Rekayasa Industri Program Studi Teknik Mesin,
Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung

Jl. Ganesa 10, Bandung, 40132, INDONESIA
Telepon/Fax: +62 22 2502342
E-mail: Alamat e-mail ini diproteksi dari spabot, silahkan aktifkan Javascript untuk melihatnya  

Abstrak

Tingginya  kebutuhan  migas  yang  tidak  diimbangi  oleh  kapasitas  produksinya  menyebabkan kelangkaan bahan bakar migas sehingga  terjadi kenaikan harga. Pemerintah maupun swasta di hampir semua  negara  kemudian  berpacu  untuk  membangkitkan  energi  dari  sumber-sumber  energi  baru  dan terbarukan  untuk  menjaga  ketahanan  energi  negaranya.  Salah  satu  sumber  energi  terbarukan  yang dipilih adalah energi angin.

Berdasarkan  data  LAPAN,  angin  di  Indonesia  memiliki  kecepatan  yang  bervariatif,  umumnya terkategorikan  sebagai  angin  berkecepatan  rendah.  Penelitian  sistem  konversi  energi  angin  (SKEA) kecepatan rendah belum banyak dilakukan di Indonesia, padahal ada beberapa  lokasi yang mempunyai angin berkecepatan  rendah  secara kontinu  untuk digunakan  sebagai penerangan misalnya di  jalan  tol.
Angin di  jalan  tol merupakan gabungan dari angin alami dan angin yang ditimbulkan oleh kendaraan yang  melintas.  Selain  itu,  sistem  konversi  energi  angin  yang  dibuat  dapat  menggantikan  fungsi  pelat penghalang sinar lampu di median jalan tol ini.

Dalam makalah  ini dibahas proses perancangan empat buah prototipe  rotor  turbin angin vertikal beserta  filosofi  perancangannya  serta  pengujian  keempat  prototipe  rotor  tersebut.  Jenis  rotor  yang dirancang  dan  diuji  adalah  jenis  rotor  Savonius U,  Savonius  L, Windside Kecil  dan Windside  Besar.
Dengan  menggunakan  alat  ukur  anemometer  dan  tachometer,  kecepatan  angin  dan  kecepatan  rotor turbin diukur, lalu hasilnya dibandingkan. Berdasarkan hasil pengujian terhadap keempat prototipe rotor yang dikembangkan, rotor Savonius L dengan diameter penutup 82 cm dan tinggi 1 meter dipilih sebagai prototipe rotor SKEA yang paling baik untuk dilakukan pengujian selanjutnya. 

Pendahuluan

Tingginya  kebutuhan migas  yang  tidak  diimbangi  oleh  kapasitas  produksinya menyebabkan kelangkaan bahan bakar migas sehingga terjadi kenaikan harga. Pemerintah maupun swasta di hampir semua  negara  kemudian  berpacu  untuk membangkitkan  energi  dari  sumber-sumber  energi  baru  dan terbarukan  untuk  menjaga  ketahanan  energi  negaranya.  Salah  satu  sumber  energi  terbarukan  yang dipilih adalah energi angin.
Berdasarkan  data  LAPAN  (Daryanto,  et  al.,  2005),  angin  di  Indonesia memiliki  kecepatan yang  bervariatif,  umumnya  terkategorikan  sebagai  angin  berkecepatan  rendah.  Penelitian  sistem konversi  energi  angin  (SKEA) kecepatan  rendah belum banyak dilakukan di  Indonesia, padahal  ada beberapa  lokasi  yang  mempunyai  kecepatan  angin  rendah  secara  kontinu  yang  dapat  digunakan sebagai penerangan, misalnya di jalan tol. Angin di jalan tol merupakan gabungan dari angin alami dan angin yang ditimbulkan oleh kendaraan yang melintas. Selain  itu, sistem konversi energi angin yang dibuat dapat menggantikan fungsi pelat penghalang sinar lampu di median jalan tol ini.

Penelitian ini akan mencakup perancangan, pemembuatan dan pengujian beberapa  jenis rotor prototipe  SKEA  untuk  penerangan  jalan  tol  dan  bertujuan  untuk mendapatkan  prototipe  SKEA  yang paling sesuai untuk kecepatan angin rendah.

Metodologi

Eksperimen  merupakan  metodologi  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini.  Empat  prototipe SKEA dirancang, dibuat dan diuji  secara  langsung. Kecepatan angin yang  terjadi di  jalan  tol diukur dengan  menggunakan  anemometer  vortex  buatan  Inspeed  yang  menggunakan  sistem  data  logging yang  terkoneksi  dengan  komputer.  Pengujian  rotor  dilakukan  dengan  menggunakan  alat  ukur anemometer  dan  tachometer. Kecepatan  angin  dan  kecepatan  rotor  turbin  diukur  secara  bersamaan, lalu  hasil  yang  didapat  untuk  keempat  prototipe  SKEA  dibandingkan,  sehingga  dapat  dilakukan penentuan SKEA yang paling sesuai untuk kecepatan angain rendah.

Hasil dan Pembahasan

Sampel pengukuran kecepatan angin dilakukan di Tol Cipularang pada ruas tol Pasteur, Jawa Barat. Sampel pengukuran diambil pada sebelas tempat berbeda dengan jarak antara 200 meter dari km 1 sampai km 3. Pengukuran dilakukan pada pagi sampai siang hari (jam 09.00 – 14.00 WIB) tanggal 5 September  2006. Pengukuran  pada  pagi  hari  dimaksudkan  untuk mengukur  angin  yang  ditimbulkan kendaraan  saja,  karena  pada  pagi  hari  angin  alami  belum  banyak  berhembus.  Pengambilan  sampel dilakukan  setiap menit  dalam  satuan m/s. Hasil  pengukuran  disajikan  dalam Tabel  I  dan Gambar  1 sebagai berikut:

Distribusi Frekuensi Pengukuran Kecepatan Angin

Kurva frekuensi kumulatif kecepatan angin

Dari  kurva  frekuensi  kumulatif  dapat  dilihat  50%  kecepatan  angin  yang  terjadi  di  jalan  tol kurang dari atau sama dengan 2,5 m/s. Begitupun dengan modus kecepatan angin yang sering  terjadi adalah  2,2  dan  2,5  m/s.  Pada  siang  hari  ketika  terjadi  angin  alami,  kecepatan  angin  yang  terukur menjadi lebih besar; dengan nilai kecepatan  mendekati hasil pengukuran Purba (2006) yang mencapai nilai maksimum 7 m/s.

Komponen SKEA dan Perancangan Rotor

Komponen utama prototipe SKEA dalam penelitian ini  terdiri dari rotor, transmisi, generator dan batere. Rotor berfungsi mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi putaran poros rotor. Transmisi  berfungsi  meneruskan  putaran  dari  poros  rotor  ke  poros  generator.  Generator  berfungsi mengkonversikan energi putaran poros menjadi energi  listrik yang  kemudian disimpan dalam batere melalui proses charging. Perancangan dan penentuan rotor yang sesuai untuk kecepatan angin rendah menjadi fokus utama penelitian ini.

Perancangan  rotor  dilakukan  dengan  terlebih  dahulu  menyusun  Design  Objective  and Requirement (Dieter, 2000). Kriteria harus untuk rotor ini adalah:

  1. Rotor dapat beroperasi pada kecepatan angin rendah (2 – 5 m/s).
  2. Rotor tetap dapat beroperasi tanpa tergantung arah kecepatan angin.
  3. Rotor terbuat dari material yang ringan, kuat, dan tahan korosi.
  4. Dimensi rotor maksimum disesuaikan dengan ruang yang tersedia di median jalan tol.  
  5. Rotor mampu menggantikan  fungsi pelat penghalang  sinar  lampu kendaraan di median  jalan tol.


Adapun kriteria harap adalah:

  1. Material rotor memiliki mampu bentuk yang baik dan hanya membutuhkan proses permesinanyang sederhana.
  2. Rotor mudah untuk dipasang dan ditransportasikan, jika perlu dibuat sistem modul untuk setiap bagiannya.
  3. Biaya pembuatan rotor murah.
  4. Bentuknya  dekoratif  sehingga  bisa  berfungsi  sebagai  hiasan  yang  tidak  mengganggu pemandangan.  

Untuk  dapat  menggantikan  pelat  penghalang  sinar  lampu  kendaraan  di  median  jalan  tol, dipilihlah rotor Savonius karena memiliki penampang melintang yang mirip dengan pelat penghalang tersebut; yaitu  sama-sama  berbentuk persegi panjang. Selain mampu berperan menahan  sinar  lampu kendaraan  sebagaimana yang dilakukan pelat penghalang,  rotor Savonius  juga berfungsi menangkap energi kinetik angin yang dihasilkan oleh kendaraan yang melintas  tanpa bergantung arah anginnya.

Artinya rotor Savonius dapat memanfaatkan angin yang ditimbulkan oleh kendaraan di kedua sisinya maupun  angin  alami.  Selain  itu,  berdasarkan  kurva  Tip  Speed  Ratio,  rotor  Savonius  cocok  untuk kondisi angin berkecepatan rendah.

Rotor Savonius U

Pertama-tama rotor Savonius dirancang memiliki dimensi yang sama dengan pelat penghalang sinar  lampu. Rotor Savonius  ini  terdiri dari penutup rotor berdiameter 30 cm, dan dua sudu setengah lingkaran berdiameter 16 cm yang disusun berhadapan. Tinggi rotor 75 cm. Karena alasan kemudahan pembuatannya, bentuk  rancangan  rotor Savonius  ini dipilih berbentuk U seperti ditunjukkan Gambar 3.2a
Rotor Savonius (Eldridge, 1980)
Rotor Savonius L

Mengingat  ruang  yang  tersedia  di  jalan  tol masih memungkinkan  untuk merancang  dimensi sudu yang lebih besar, maka dirancanglah rotor Savonius dengan dimensi yang  lebih besar. Diameter penutup rotor dipilih 82 cm dengan tinggi rotor 100 cm. Rotor memiliki dua sudu dengan bentuk yang merupakan  kombinasi  profil  datar  dan  lengkungan  seperempat  lingkaran  seperti  diperlihatkan  padaGambar  2b.  Pada  rancangan  rotor  Savonius  L  ini,  angin  yang  menumbuk  salah  satu  bilah  rotor diharapkan  lebih  banyak  mengalir  ke  bilah  rotor  lainnya  melalui  celah  dekat  poros  sehingga menyediakan daya dorong tambahan pada bilah rotor ini.

Melalui  penambahan  diameter,  titik  pusat  gaya  dorong  angin  pada  rotor  akan  bergeser menjauhi poros rotor. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan torsi yang lebih besar. Rancangan rotor Savonius L  diinspirasi  oleh  paten  pengembangan  rotor  Savonius  oleh  Sadaaki  dengan  nomor  paten JP2003293928  seperti ditunjukkan oleh Gambar 3b. Dari gambar paten  ini  jelas  terlihat bahwa pada bentuk  rotor Savonius  setengah  lingkaran  (Savonius U), aliran udara di kedua  sisi bilah  sama besar, sementara  pada  rancangan  kedua  (Savonius  L)  aliran  udara  pada  sisi  bilah  yang  lurus  lebih  besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran.

 

Rotor Savonius L (Sadaaki, et al., 2003).
Rotor Windside 

Publikasi Windside  corp.  tentang  rotor Windside  yang  mampu  beroperasi  pada  kecepatan angin rendah, dengan bentuk yang dekoratif dan tidak bising (www.windside.com, 2006), mendorong penelitian ini mengeksplorasi lebih jauh rancangan jenis rotor Windside secara eksperimental. Karena harga  jual  turbin  jenis  ini masih mahal, yang pada  tahun 2006  saja  satu  set  turbin  jenis WS-0.30 C dijual dengan kisaran harga $7500, maka dalam penelitian  ini dibuat  replika  rotor Windside dengan mengacu pada spefikasi yang ada di situsnya. Gambar 4 menunjukkan rotor Windside  jenis WS-0.30C.

 

Rotor WS-0.30 C (www.windside.com, 2006)

 

Kehawatiran  ada  permasalahan  torsi  yang  rendah  pada  rotor  Windside  kecil  mendorong modifikasi  dimensi  rotor Windside  ini. Diameter  penutup  rotor  dipilih  64  cm  dengan  tinggi  rotor 1 meter. Data lengkap keempat rotor turbin disajikan dalam Tabel II. Material  rotor  dipilih  dari  logam  yang  tahan  korosi. Logam  dipilih  karena mampu  bentuknya yang  baik  sehingga  memudahkan  pengerjaan  permesinan.  Rotor  akan  diletakkan  di  udara  tropik dengan kelembaban tinggi, karena itu dipilih material yang  tidak sensitif terhadap korosi. Satu syarat lagi, rotor diharapkan terbuat dari material yang ringan agar mudah berputar ketika ditiup angin. Untuk keperluan ini dipilihlah logam aluminium.

Rancangan Rotor Turbin Angin. Sebenarnya,  aluminium  termasuk  salah  satu  logam  yang  reaktif.  Di  udara  aluminium  segera bereaksi  dengan  oksigen  membentuk  senyawa  oksida,  namun  senyawa  oksida  aluminium  ini menempel  dan melapisi  permukaan  aluminium  dari  korosi  lebih  lanjut. Selain  itu  logam  aluminium juga  ringan. Massa  jenisnya  2700  kg m-3,  hanya  sepertiga  dari massa  jenis  baja  (7800  kg m-3)  dan tembaga (8900 kg m-3) (Encarta, 2006). Dengan bantuan anemometer dan tachometer, hasil pengujian keempat turbin yang dirancang ditunjukkan pada Gambar 5a, 5b, 5c dan 5d berikut.

 

Rotor Savonius U

 

Dari  Gambar  5  dapat  dilihat  kecenderungan  hasil  pengujian  yang  terkumpul  pada  rotor Savonius dan  tersebar pada  rotor Windside. Respons kecepatan putar  rotor Savonius  linear  terhadap kecepatan  angin,  namun  korelasi  serupa  tidak  begitu  tampak  pada  rotor Windside.  Nilai  R2  pada regresi  linear  rotor Windside  tidak mencapai 0,5, karena  itu diperlukan penelitian  lebih  lanjut untuk hal  ini. Dugaan  sementara, koefisien korelasi yang kecil  ini disebabkan oleh bentuk bilah sudu yang agak menguncup di sekitar tengah ketinggian rotor sehingga penampang sudu yang menghadap angin menjadi  lebih  sedikit  yang mengakibatkan  rotor Windside mempunyai  delay  response  yang  relatif besar. Penyebab  lain yang mungkin  ialah  fluktuasi kecepatan angin  yang  lebih besar  saat pengujian rotor  Windside  yang  tidak  dapat  diikuti  akibat  kelembaman  sudu  yang  relatif  berat.  Walaupun demikian, unjuk kinerja keempat prototipe rotor cukup baik. Rotor-rotor berukuran kecil (Savonius U dan Windside  Kecil)  menghasilkan  kecepatan  putar  yang  besar  pada  kecepatan  angin  yang  sama, namun  torsi  yang  dihasilkannya  cenderung  lebih  kecil  dibandingkan  rotor-rotor  ukuran  besar (Savonius L dan Windside Besar).

Data  pengujian  prototipe  rotor  ini masih  perlu  diuji  dalam  SKEA  secara  keseluruhan  untuk mengetahui  optimasi  seperti  apa  yang  perlu  dilakukan  antara  putaran  dengan  torsinya.  Hal  ini dilakukan mengingat ada dua kebutuhan dalam SKEA yakni putaran dan torsi yang besar. Torsi yang dibutuhkan  cukup  besar  karena  akan  digunakannya  transmisi  increaser  untuk mendapatkan  putaran
poros generator yang  lebih  tinggi dari putaran poros  rotor. Hal  ini dilakukan karena generator  yang akan diambil dari alternator mobil perlu berputar pada putaran operasi pada kisaran 1.500 – 2.000 rpm. Mengingat  kebutuhan  torsi  yang  cukup  besar,  rotor Savonius L  dan Windside Besar  dipilih untuk pengujian lebih lanjut. Rotor Windside besar pada Gambar 5 menunjukkan putaran poros yang lebih besar dari rotor Savonius L namun sebaran datanya cukup besar. Selain itu rotor Windside juga menunjukkan  adanya  delay  response  terhadap  perubahan  kecepatan  angin.  Dengan  pertimbangan demikian,  rotor  Savonius  L  kemudian  dipilih  sebagai  rotor  prototipe  SKEA  untuk  pengujian  lebih lanjut dimana  sistem  transmisi  (roda gigi) dan sistem elektronika  (generator  listrik, pengisian batere, penyalaan lampu dan kontrol) akan diuji secara bersamaan.

Kesimpulan

Berdasarkan  hasil  pengujian  yang  telah  dilakukan  dapat  disimpulkan  beberapa  hal  sebagai berikut:

  1. Rotor  Savonius  L  dengan  diameter  penutup  82  cm  dan  tinggi  1  meter  dipilih  sebagai  rotor prototipe SKEA yang paling baik untuk diuji lebih lanjut.
  2. Penyebab  delay  response  dan  sebaran  data  pengujian  yang  lebih  besar  pada  rotor  Windside

diperkirakan  disebabkan  oleh  bentuk  bilah  sudu  yang  cenderung  menguncup  di  sekitar  tengah
ketinggian rotor atau akibat fluktuasi angin yang besar dan kelembaman sudu.

Ucapan Terima Kasih

Para peneliti mengucapkan banyak terima kasih kepada ITB karena penelitian ini didanai oleh Riset Unggulan ITB dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Riset No.: 0010/K01.03.2/PL2.1.5/I/2007.

Daftar Pustaka

  1. --, Microsoft ® Encarta ® 2008, Microsoft Corporation, 2006..
  2. --, Windside Corp., 2006, www.windside.com.
  3. Culp, A. W. Jr., 1984, Prinsip-prinsip Konversi Energi, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  4. Daryanto,  Y.,  F.  A.  Yohanes  dan  F.  Hasim,  2005,  Potensi,  Peluang  dan  Tantangan  Energi Angin di Indonesia, BPPT Tangerang.
  5. Dieter, G., 2000, Engineering Design, McGraw Hill, Singapore. 
  6. EBARA Corporation Japan, 2005, Wind Power Generation, Prosiding Seminar, Bandung. 
  7. Eldrigde, F. R., 1980, Wind Machine, Second edition,. Van Nostran Reinhold Company,. New York. 
  8. Hau, E., 2005, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, & Economics, Berlin. 
  9. Purba,  J.  K.,  2006,  Perancangan,  Pembuatan  dan  Pengujian  Rotor  Savonius  sebagai Pembangkit  Energi  Listrik  Untuk  Penerangan  Jalan  Tol,  Tugas  Sarjana  Teknik Mesin  ITB. Bandung. 
  10. Sadaaki, K., K. Isao, dan T. Jiro, 2003, Patent no.: JP2003293938.  
  11. Voshburgh,  P.  N.,  1983,  Commercial  Applications  of  Wind  Power.  Van  Nostran  Reinhold Company. New York.
  Anda belum mendaftar atau login.
Anda dapat turut serta menuliskan artikel disini, caranya klik disini
Ada pertanyaan? Ingin berdiskusi? silahkan tulis di Alpensteel Forum

Fast Contact

Show Room & Factory:
 
Jalan Laksanama
Nurtanio Nomor 51
Bandung 40183 - Indonesia
 
Phone Line1:
022- 603-8050 (08:00-17:00)
 
Handphone:
0852-111-111-77 
0852-111-111-100
 
 
 
PageRank  Hit Counters
free counters
Alpen Steel Facebook