Simulasi Kincir Angin Savonius dengan Variasi Pengarah Budi Sugiharto1,2, Sudjito Soeparman2, Denny Widhiyanuriyawan2, Slamet Wahyudi2 1)
Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta e-mail:
[email protected] 2) Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya Malang Abstrak
Kincir Savonius merupakan salah satu jenis kincir yang mempunyai keunggulan desain dan konstruksi sederhana, torsi yang dihasilkan besar, dapat menerima angin dari segala arah dan dapat bekerja pada kecepatan angin rendah. Penambahan pengarah di sekeliling kincir bertujuan untuk meningkatkan koefisien daya dengan mengurangi torsi negatif pada sudu balik dan mengarahkan angin pada sudu dorong, disamping tetap dapat menerima angin dari segala arah. Pada tulisan ini akan disampaikan simulasi dengan menggunakan software ANSYS. Pengarah yang akan dianalisis dengan jumlah 4, 8 dan 16. Hasil yang diperoleh berupa distribusi tekanan pada kincir dan grafik torsi statik. Distribusi tekanan tertinggi terjadi pada saat posisi kincir membentuk sudut 900 terhadap arah angin pada masing-masing keadaan kecuali pada kincir dengan pengarah datar yang berjumlah 8 dan 16 terjadi pada posisi kincir membentuk sudut 1350. Torsi statik maksimum yang terjadi pada saat posisi kincir membentuk sudut 45 0. Semakin banyak jumlah pengarah semakin besar torsi statik yang terjadi. Besar torsi statik pada kincir dengan pengarah berjumlah 16 sebesar lebih dari dua kali dari kincir tanpa pengarah. Bentuk pengarah tidak terlalu menunjukkan perubahan hasil torsi statik. Kata Kunci: distribusi tekanan, pengarah, Savonius, torsi statik
1. Pendahuluan
menerima angin dari segala arah dengan kecepatan
Saat ini masalah energi menjadi topik yang sangat
yang rendah. Kekurangan kincir angin Savonius
membutuhkan perhatian yang serius bagi seluruh
memiliki koefisien daya (Cp) yang rendah sebesar
masyarakat.
15%.
Kebutuhan
listrik
belum
dapat
dinikmati oleh seluruh masyarakat Indonesia
Beberapa peneliti telah berusaha untuk menaikkan
terutama bagi mereka yang tinggal di daerah-daerah
dengan berbagai upaya yang dilakukan. Fujisawa
terpencil. Kebutuhan listrik di daerah terpencil
(1992) menyampaikan koefisien daya terbaik pada
dapat
rasio overlap (e/d) sebesar 0,15. Rasio overlap
diatasi
dengan
memanfaatkan
energi
terbarukan yang cukup sebagai sumber penggerak.
adalah
Daerah yang memiliki potensi energi air yang
diameter
perbandingan sudu
(d).
jarak Torsi
overlap
dengan
statik maksimum
0
cukup besar dapat dibangun pembangkit listrik
diperoleh pada posisi 45 . Hasil visualisasi aliran
mikro hidro, daerah dengan potensi panas matahari
di dan sekitar kincir, memperlihatkan aliran
yang besar dapat memanfaatkan solar sel dan
melalui overlap bermanfaat untuk mendorong sudu
daerah dengan potensi angin yang cukup dapat
balik dari kincir dan mengurangi torsi negatif pada
dibangun kincir angin.
sudu balik. Gambar 1 memperlihatkan dimensi
Kincir angin Savonius merupakan salah satu
kincir angin Sonius dengan D : diameter kincir, Do
alternatif bagi daerah yang mempunyai potensi
: diameter end plate dan e : jarak overlap.
energi angin yang cukup besar. Keuntungan kincir angin Savonius memiliki desain dan konstruksi yang sederhana, memiliki torsi yang tinggi dapat
821
Gambar 2. Pola aliran pada kincir Savonius Sumber: Nakajima, 2008
Altan et al. (2008), Altan dan Atilgan (2008, 2010, 2012) dalam penelitiannya tentang kincir angin Savonius dengan dua plat pengarah. Plat pengarah diletakkan
di depan kincir. Plat pengarah
bertujuan mengurangi/menghilangkan torsi negatif yang terjadi pada sudu balik serta mengarahkan aliran ke sudu dorong. Peningkatan koefisien daya yang terjadi sampai sebesar dua kali dari kincir
Gambar 1. Skema kincir angin Savonius
tanpa pengarah atau koefisien daya sebesar 38,5%. Nakajima et al. (2008)] menyampaikan ada enam
Sudut plat pengarah satu dengan yang kedua
jenis aliran yang mempengaruhi kinerja kincir
berbeda, hal ini dikarenakan untuk mendapatkan
angin
yang
arah angin ke kincir lebih efektif. Panjang
diperoleh dengan teknik smoke-wire dengan aliran
pengarah sangat mempengaruhi koefisien daya,
angin dari sisi kiri, yaitu I aliran mirip Coanda
semakin panjang pengarah semakin baik koefisien
yang bekerja di bagian cembung sudu dorong yang
daya yang dihasilkan. Kelemahan dengan plat
mengangkat sudu. II Aliran drag yang bekerja di
pengarah tersebut adalah bila terjadi perubahan
belakang sudu dorong dan menarik sudu. III aliran
arah angin diperlukan alat untuk mengubah posisi
overlap yang bekerja melalui celah antara sudu
plat pengarah.
dorong dan sudu balik yang berfungsi mendorong
Penelitian yang dilakukan bertujuan meningkatkan
sudu balik. IV aliran stagnasi yang bekerja
koefisien daya yang ditunjukkan dengan distribusi
menghambat gerak sudu. V aliran pusaran di
tekanan pada kincir dan peningkatan torsi statis
belakang sudu dorong dan VI aliran pusaran di
yang terjadi.
Savonius dari
belakang
sudu
balik.
hasil
visualisasi
Enam
aliran
yang
ditunjukkan pada Gambar 2 tidak selalu ada pada setiap posisi sudu, aliran I, II dan III memberikan efek pada kinerja yang positif sedang aliran IV, V dan VI justru mengganggu atau mengurangi kinerja kincir.
2. Metode Simulasi kincir angin Savonius menggunakan software ANSYS. Kincir angin Savonius yang dianalisis dengan ukuran sebagai berikut diameter sudu (d) 215 mm, tebal sudu 5 mm, rasio overlap (G = d/e ) = 0,15 diletakkan pada tengah-tengah terowongan angin ukuran 1200 mm x 2400 mm, ditunjukkan pada Gambar 3.
822
Gambar 4. Dimensi kincir dan pengarah datar Gambar 3. Dimensi kincir angin Savonius dan terowongan angin
Posisi angin masuk dari sisi kiri, keluar dari sisi kanan sedang sisi atas dan bawah sebagai dinding terowongan angin. Jumlah pengarah divariasikan 4, 8 dan 16 pengarah dengan bentuk pengarah plat datar dan lengkung. Pengarah dengan panjang 153,75 mm disusun dengan sudut 450 terhadap garis menuju sumbu kincir. Pengarah ditempatkan mengitari kincir dan berjarak dari sisi luar sudu sebesar 30,75 mm seperti pada Gambar 4 Sudu dianalisis pada posisi sudut 00, 450, 900 dan 1350
Penyelesaian
yang
dilakukan
dengan
dasar
pressure based, time steady pada space 2D. Model k-epsilon Standard
Wall
Functions,
sebagai
kontrol penyelesaian Pressure Velocity Coupling berupa Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation (SIMPLE) dengan diskritisasi Momentum Second Order Upwind dan Pressure Standard. Kondisi batas dalam simulasi sebagai berikut arah angin dari sisi kiri dengan kecepatan angin 5 m/detik, keluar pada sisi kanan dengan tekanan sama dengan tekanan atmosfir yaitu sebesar 101.325 Pa. Selama analisis kincir dalam kondisi
terhadap datangnya arah angin.
diam. Material yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.225 kg/m3 dan viskositas dinamis 1.7894 x 10-5 serta kondisi operasional pada tekanan atmosfir.
0
45
90
135
Standar
4
8
823
16
Gambar 5. Perbandingan distribusi tekanan pada kincir, tanpa dan dengan pengarah datar.
191.448 Pascal dan warna merah memperlihatkan
3. Hasil dan Pembahasan distribusi
nilai tekanan tertinggi sebesar 101.256 Pascal. Dari
tekanan pada posisi 00, 450, 900 da 1350. Distribusi
hasil distribusi tekanan yang melalui kincir angin
tekanan memperbandingkan antara kincir angin
Savonius, tanpa atau dengan pengarah, torsi
Savonius tanpa dan dengan pengarah. Hasil
maksimum terjadi pada posisi sudut 450. Tekanan
distribusi tekanan ditunjukkan pada Gambar 5
maksimum terjadi pada posisi sudu 900 untuk kincir
untuk perbandingan kincir angin Savonius tanpa
tanpa pengarah dan dengan 4 pengarah sedang pada
dan dengan pengarah datar, sedang penggunaan
kincir dengan 8 dan 16 pengarah bertambah besar
pengarah lengkung ditunjukkan pada Gambar 6.
pada posisi sudu 1350. Perbesaran tekanan pada
Skala gambar dan skala besaran tekanan yang
kincir dengan 8 dan 16 pengarah disebabkan
digunakan pada masing-masing distribusi tekanan
pengarah pada sudut 3150 membentuk sudut 900
adalah sama.
terhadap arah angin serta posisi sudu balik tepat
Hasil
simulasi
ditunjukkan
dengan
dengan
berada di belakang pengarah tersebut. Sehingga
perbedaan tekanan yang terjadi pada sisi depan
aliran angin seolah-olah terhenti dan menyebabkan
sudu dorong dengan sudu balik. Semakin besar
tekanan membesar dan didistribusikan ke kincir.
perbedaan yang terjadi semakin besar torsi yang
Penongkatan tekanan di kincir hampir merata baik
dihasilkan. Distribusi tekanan diperlihatkan dengan
di sudu dorong maupun sudu balik sehingga kincir
gradasi warna dari biru hingga merah, warna biru
pada posisi 1350 tidak menghasilkan torsi yang
memperlihatkan nilai tekanan terendah sebesar
lebih besar.
Torsi
kincir
Savonius
0
ditunjukkan
45
90
135
Standar
4
8
824
16
Gambar 6. Perbandingan distribusi tekanan pada kincir tanpa dan dengan pengarah lengkung.
Dari Gambar 5 dan 6, kontur distribusi tekanan
pengarah 16 sebesar lebih dua kali torsi statik kincir
pada kincir angin Savonius dengan pengarah datar
tanpa pengarah. Torsi statik pada kincir dengan
maupun lengkung tidak menunjukkan perbedaan
pengarah berjumlah 4 dan 8 mengalami penurunan
yang jelas. Tekanan maksimum pada kincir terjadi
di banding kincir tanpa pengarah saat kincir
0
saat posisi kincir membentuk sudut 90 terhadap aliran
angin
untuk
masing-masing
membentuk sudut 00.
kondisi. 2,0
Perbedaan pada pengarah dengan bentuk lengkung
1,8 1,6
terjadi peningkatan tekanan pada pengarah di depan
1,4 1,2
Standar
1,0
4.r
0,8
8.r
rendah dibanding dengan pengarah datar. Pengarah
0,6
16.r
lengkung menghalangi aliran pada sisi sudu balik
0,2
kincir sehingga tekanan yang diterima kincir lebih
0,4
0,0 0
dan mengarahkan ke sudu dorong namun sedikit menghambat aliran sehingga tekanan naik pada
50
100
150
200
Gambar 8. Torsi statik terhadap posisi sudut kincir pengarah lengkung
pengarah dan terjadi penurunan tekanan yang Gambar 8 menunjukkan perbandingan torsi statik
diterima kincir.
yang terjadi pada kincir tanpa pengarah dan dengan pengarah lengkung. Pengarah lengkung berjumlah 8
2,0 1,8
mengubah torsi statik pada posisi sudut 00 menjadi
1,6 1,4 1,2
Standar
1,0
4
0,8
8
0,6
16
lebih
besar
dibanding
dengan
kincir
tanpa
pengarah. Secara umum karakteristik torsi statik pengarah lengkung tidak berbeda dengan pengarah
0,4 0,2 0,0 0
50
100
150
200
Gambar 7. Torsi statik terhadap posisi sudut kincir pengarah datar
datar. 2,0 1,8 1,6
Standar
1,4
Dari Gambar 7 torsi statik pada kincir dengan
4
1,2
4.r
1,0
pengarah menunjukkan peningkatan. Pada kincir tanpa pengarah torsi statik minimum terjadi pada posisi sudut 1350 sedang kincir dengan pengarah torsi statik minimum terjadi pada posisi sudut 00.
8
0,8
8.r
0,6
16
0,4
16.r
0,2 0,0 0
50
100
150
200
Torsi statik maksimum tidak mengalami perubahan
Gambar 9. Torsi statik terhadap posisi sudut kincir
posisi, yaitu terjadi pada posisi sudut 450. Torsi
Gambar 9 memperlihatkan torsi statik kincir dengan
statik maksimum dicapai pada kincir dengan jumlah
pengarah datar lebih baik dibanding dengan kincir
825
dengan pengarah lengkung, meskipun masih lebih baik dibanding dengan kincir tanpa pengarah.
4. Kesimpulan Dari pembahasan diatas dapat disimpulkan sebagai berikut: - Distribusi tekanan pada kincir maksimum pada posisi sudut 900, kecuali kincir dengan pengarah datar yang berjumlah 8 dan 16 terjadi pada posisi sudut 1350. -. Torsi statik maksimum terjadi pada posisi sudut 450. -. Torsi statik maksimum pada kincir dengan
Gupta, R., Das, R., Gautam, R., dan Deka, S.S., 2012, CFD Analysis of a Two-bucket Savonius Rotor for Various Overlap Conditions, ISESCO Journal of Science and Technology, 8 (13), pp. 67-74. Irabu, K., dan Roy, J.N., 2007, Characteristic of Wind Power on Savonius Rotor Using a Guide-box Tunnel, Experimental Thermal and Fluid Science, 32, pp. 580-586. Nakajima, M., Lio, S., dan Ikeda, T., 2008, Performance of Double-step Savonius Rotor for Environmentally Friendly Hydraulic Turbine, Journal of Fluid Science and Techology, 3 (3), pp. 410-419. Nakajima, M., Lio, S., dan Ikeda, T., 2008, Performance of Savonius Rotor for Environmentally Friendly Hydraulic Turbine, Journal of Fluid Science and Techology, 3 (3), pp. 420-429.
pengarah datar berjumlah 16, dengan nilai lebih dari dua kali torsi statik tanpa pengarah. -. Pengarah lengkung tidak menunjukkan hasil yang lebih baik dibanding dengan pengarah datar.
Ucapan Terima Kasih Kepala Studio Perancangan dan Design Teknik Mesin
Universitas
Brawijaya
yang
telah
memberikan fasilitas software ANSYS.
Daftar Pustaka Altan, B.D., Atilgan, M., dan Ozdamar, A., 2008, An Experimental Study on Improvement of a Savonius Rotor Performance, Experimental Thermal and Fluid Science, 32, pp. 1673-1678. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2008, An Experimental and Numerical Study on the Improvement of the Performance of Savonius Wind Rotor, Energy Conversion and Management, 49, pp. 3425-3432. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2010, The Use of a Curtain Design to Increase the Performance Level of a Savonius Wind Rotors, Renewable Energy, 35, pp. 821-829. Altan, B.D., dan Atilgan, M., 2012, A Study on Increasing the Performance of Savonius Wind Rotors, Journal of Mechanical Science and Technology, 26 (5), pp. 1493-1499. Fujisawa, N., 1992, On the Torque Mechanism of Savonius Rotors, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 40, pp. 277-292.
826