PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE TERHADAP KINERJA DIFFUSER AUGMENTEDWIND TURBINE (DAWT

Klistafani, Yiyin

English

Portal E-Journal System PNUP (Politeknik Negeri Ujung Pandang)

Prosiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 78PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE TERHADAP KINERJA DIFFUSER AUGMENTEDWIND TURBINE (DAWT)Yiyin Klistafani1)1) Dosen Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Ujung Pandang, MakassarABSTRACTResearch development related to Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) is very important, in order tooptimize renewable energy sourced from wind energy. The purpose of the research conducted to determine the effect ofadding flange to increase the performance of DAWT and to find out the optimal angle of the flange. The other aims ofthe research are discovering the fluid flow phenomenon that occurs in the curved diffuser augmented wind turbine whichis equipped with flange. The method used in numerical simulations was Computational Fluid Dynamics (CFD) method.There were three procedures in this numerical research, namely pre-processing stage, solving stage and continued withthe post-processing stage. The studies demonstrate that the addition of flange to the curved diffuser has positive impacton improving DAWT performance, because it can produce very significant wind speed increment compared to the curveddiffuser without flange. Curved diffuser flange 0° has the best performance. It can increase wind velocity up to 103.76%in the midline axis of diffuser area with maximum wind velocity is 10.19 m/s. Based on visualization results, there is avery large vortex in the downstream area of curved diffuser flange 0° so it can enhanced the suction effect to generate thewind speed quality inside diffuser.Keywords: CFD, diffuser, flange, wind turbine1. PENDAHULUANPotensi energi terbarukan di Indonesia cukup besar dan sangat berpotensi untuk dikembangkan. Salahsatu potensi energi terbarukan yang dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap kebutuhan energi diIndonesia adalah energi angin [1]. Saat ini, pemanfaatan energi angin hanya 1% dari total energi yangdigunakan di seluruh dunia. Banyak penelitian menunjukkan bahwa sesungguhnya potensi energi angin sangatbesar hingga mencapai 20% [2].Kecepatan angin di Indonesia berkisar antara 2 - 6 m/s dan dapat menghasikan energi listrik 10 s.d. 100KW untuk kapasitas kecil. Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 m/s. Hasilpemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional pada 120 lokasi menunjukkan beberapa wilayahmemiliki kecepatan angin di atas 5 m/s [3]. Salah satu kendala terbesar dalam pemanfaatan energi anginsebagai sumber energi alternatif adalah rendahnya kecepatan angin. Seperti yang diketahui bahwa turbin anginbiasanya beroperasi pada saat rata-rata kecepatan angin berkisar 8 – 11 m/s [4]. Oleh karena itupengembangan turbin angin sangat penting untuk dilakukan guna mengatasi permasalahan tersebut.Salah satu pengembangan dalam inovasi turbin angin adalah konsep DAWT (Diffuser Augmented WindTurbine) yang dilengkapi dengan selubung diffuser pada rotornya. Penggunaan diffuser tersebut dimaksudkanuntuk menaikkan kecepatan efektif angin sehingga daya yang dihasilkan oleh turbin angin ikut meningkat.Telah banyak penelitian yang fokus terhadap inovasi turbin angin dalam meningkatkan kecepatan angin yangmelaluinya [5-8]. Yadav dan Kumar [9] juga telah melakukan review terkait turbin angin berselubung dengankecepatan angin yang rendah. Sebelumnya, Ohya et al [10] telah melakukan inovasi terhadap DAWT denganmenambahkan flange pada bagian outlet diffuser. Hasil yang didapatkan yaitu diffuser augmented windturbine yang dilengkapi flange mampu meningkatkan kecepatan angin lebih besar dibandingkan DAWT tanpaflange. Selain itu output power coefficient juga mampu meningkat lima kali lebih besar dibandingkan denganturbin angin konvensional.Pengembangan penelitian terkait DAWT juga telah dilakukan oleh Klistafani et al [11] denganmemodifikasi geometri diffuser menjadi 4 macam, yaitu flat diffuser, curved diffuser, flat diffuser with inletshroud, curved diffuser with inlet shroud. Hasil yang didapatkan yaitu curved diffuser merupakan geometridiffuser terbaik dalam meningkatkan kecepatan angin hingga 76,99% dengan kecepatan rata-rata anginmaksimum 8,85 m/s (kecepatan freestream adalah 5 m/s).Berdasarkan latar belakang tersebut maka sangat menarik untuk dicermati bahwa desain diffusermenjadi salah satu faktor yang menentukan efektifitas penggunaan Diffuser Augmented Wind Turbine1 Korespondensi penulis: Yiyin Klistafani, Telp 085648965909, yiyin_klistafani@poliupg.ac.id / klistafani@gmail.comProsiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 79(DAWT). Pada penelitian kali ini dilakukan pengujian terhadap geometri diffuser interior lengkung (curveddiffuser) yang ditambahkan dengan flange pada bagian outletnya. Hal ini dilakukan dengan harapan agarvortisitas yang terbentuk pada bagian downstream diffuser meningkat dan mampu menaikkan efek hisap padasisi masukan diffuser, sehingga berdampak positif terhadap peningkatan kecepatan angin yang dihasilkan.Tujuan dari penelitian yang dilakukan yaitu untuk mengetahui pengaruh penambahan flange terhadappeningkatan performa curved diffuser augmented wind turbine, mengetahui besar sudut optimal flange yangmampu menghasilkan performa terbaik dalam meningkatkan kecepatan angin dan juga untuk mengetahuifenomena aliran fluida yang terjadi di dalam curved diffuser augmented wind turbine yang dilengkapi denganflange secara 2D melalui hasil visualisasi software Ansys Fluent 2019 R1.2. METODE PENELITIANAnalisis pengaruh penambahan flange terhadap peningkatan kinerja Diffuser Augmented WindTurbine (DAWT) merupakan Studi Numerik yang dilakukan dengan menggunakan metode ComputationalFluid Dynamics (CFD) dengan software Ansys Fluent 2019 R1. Prosedur yang dilakukan pada penelitiannumerik adalah tahap pre-processing, tahap solving dan dilanjutkan dengan tahap post-processing.Tahap awal yang dilakukan adalah menetapkan dan mendesain geometri diffuser berupa curveddiffuser yang kemudian ditambahkan flange pada bagian outlet diffuser. Desain geometri dikerjakan denganmenggunakan software Ansys Workbench 2019 R1. Dimensi curved diffuser yang digunakan (tabel 1)mengacu pada penelitian sebelumnya [11], dimana curved diffuser merupakan bentuk geometri yang mampumemberikan peningkatan performa terbaik bagi DAWT dibandingkan dengan flat diffuser. Selanjutnya Sudutflange didesain dan divariasikan sebagai berikut: 0°, 30°, 60° dan 90°. Panjang flange (h) yang digunakanyaitu 0.2 m merujuk pada penelitian terdahulu [5, 8]. Contoh desain curved diffuser yang dilengkapi denganflange dengan beberapa sudut tertentu dapat dilihat pada gambar 1.Tabel 1. Dimensi Geometri Diffuser 2DSpesifikasi DimesiDiameter inlet (D) 0,40 mPanjang diffuser (L) 3,08 mTebal diffuser (t) 0,0125 mSudut bukaan diffuser (α) 4°Jari-jari kelengkungan (r) 10 mDiameter terkecil diffuser (d) 0,339 mPanjang flange (h) 0,2 mSudut flange (β) 0°, 30°, 60°, 90°Gambar 1. Desain Curved Diffuser yang dilengkapi dengan flange 30°Kondisi batas komputasi dapat dilihat pada Gambar 2. Kecepatan aliran angin yang di set-up sebesar5 m/s pada lokasi inlet dengan boundary condition adalah velocity inlet. Sedangkn boundary condition untukProsiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 80outlet adalah outflow. Aliran fluida diasumsikan steady dan incompressible. Turbulance model yangdigunakan adalah SST k-ω merujuk Menter [12]. Model turbulensi tersebut sangat bagus dalam memprediksialiran pada daerah dengan adverse pressure gradient yang besar seperti yang didemonstrasikan oleh Hu andWang [13] dan Jost et al. [14]. Pressure velocity coupling menggunakan metode SIMPLE dan semua variabeldiselesaikan menggunakan second order discretization. Komputasi dilakukan hingga 1000 iterasi, dimanakonvergensi tercapai ketika residual momentum mencapai 10-6.Gambar 2. Kondisi batas (Boundary Condition) simulasicurved diffuser yang dilengkapi dengan flange 0°3. HASIL DAN PEMBAHASANDistribusi streamwise velocity, u/U∞, disepanjang midline axis untuk seluruh geometri diffuser dapatdilihat pada Gambar 3. Terlihat pada Gambar 3 bahwa curved diffuser dengan penambahan flange mampumemberikan peningkatan kecepatan angin secara signifikan pada diffuser zone dibandingkan curved diffusertanpa flange, khususnya pada flange dengan sudut 0°, 30°, dan 60°. Sedangkan penambahan flange dengansudut 90°, justru membuat peningkatan kecepatan angin lebih rendah dibandingkan performa diffuser tanpaflange. Penambahan flange dengan sudut 0° dapat memberikan performa terbaik yaitu dengan menghasilkanpeningkatan kecepatan angin paling tinggi dibandingkan sudut flange yang lain. Berdasarkan gambar 3diperoleh hasil bahwa semakin besar sudut flange pada diffuser maka tidak memberikan peningkatankecepatan angin yang lebih baik.Gambar 3. Distribusi streamwise velocity pada midline axisProsiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 81Pada entrance section (x/L = 0) dapat dilihat bahwa curved diffuser dengan sudut flange 0° memilikikecepatan angin 8,20 m/s. Namun kecepatan angin maksimum terjadi sesaat setelah melalui entrance sectionyaitu pada section x/L = 0,28, dengan kecepatan angin mencapai 10,19 m/s atau mengalami peningkatansebesar 103,76% dari kecepatan freestream (5 m/s). Hal menarik yang perlu dicermati adalah penambahanflange pada curved diffuser tidak selalu memberikan peningkatan performa DAWT. Seperti yang terlihat padatabel 2, bahwa penambahan flange dengan sudut 80° dan 90° justru menghasilkan peningkatan kecepatanangin lebih rendah dibandingkan curved diffuser tanpa flange. Oleh karena itu penambahan flange memangmampu memberikan dampak positif terhadap peningkatan performa DAWT namun dengan tetapmemperhitungkan besar sudut flange.Tabel 2. Kecepatan angin pada midline axis untuk curved diffuser dengan dan tanpa flangeKecepatan angin pada midline axis (Gambar 3 dan Tabel 2) tentunya tidak mampu mewakili kondisikecepatan rata-rata angin pada setiap section (x/L) di dalam diffuser. Hal ini dikarenakan setiap sectionmemiliki variasi nilai kecepatan angin, dimana kecepatan maksimum tidak selalu berada pada midline axisdiffuser. Oleh karena itu perlu dilakukan analisis peningkatan kecepatan rata-rata angin di setiap section,seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.Gambar 4. Distribusi kecepatan rata-rata angin di setiap sectionSenada dengan hasil analisis sebelumnya yaitu diffuser dengan flange 0° memang memiliki performaterbaik dibandingkan dengan diffuser dengan sudut flange lainnya maupun diffuser tanpa flange. Berdasarkangambar 3, kecepatan rata-rata angin tertinggi yang dihasilkan oleh diffuser dengan sudut flange 0° yaituNilaiCurved Diffuser with flange Curved Diffuserwithout Flange [11]0° 30° 60° 90°Kecepatan angin disisi entrance, x/L = 0(m/s)8.20 7.88 7.49 6.92 7.20Kecepatan maksimumangin (m/s) 10.19 9.90 9.42 8.70 9.21Peningkatan kecepatan(%) 103.76 97.94 88.41 74.03 84.18Prosiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 82sebesar 9,7 m/s dengan nilai peningkatan kecepatan angin sebesar 93,96%. Peningkatan kecepatan rata-rataangin tertinggi yang dihasilkan tersebut terjadi di dalam diffuser zone yaitu pada section x/L = 0,36.Kemampuan curved diffuser dalam meningkatkan performa DAWT telah dibahas oleh klistafani etal.[11] yaitu karena adanya efek hisap yang ditimbulkan akibat adanya vortex pada downstream zone mampumemberikan dampak positif terhadap kualitas kecepatan angin di dalam diffuser. Pada penelitian inipenambahan flange rupanya mampu lebih meningkatkan kualitas kecepatan angin yang masuk ke dalamdiffuser. Hal tersebut tidak lepas dari peran flange dalam memberbesar vortisiti aliran pada daerahdownstream, sehingga efek hisap angin yang masuk ke dalam diffuser lebih kuat dibandingkan diffuser tanpaflange. Hasil visualisasi kontur kecepatan untuk keempat curved diffuser dengan sudut flange yang berbedadapat dilihat pada Gambar 5. Curved diffuser dengan flange 0° memiliki vortisiti aliran yang sangat besar(ditandai dengan warna biru) pada daerah downstream dibandingkan curved diffuser dengan sudut flangelainnya. Efek hisap yang kuat inilah yang mengakibatkan nilai kecepatan angin yang masuk di dalam diffuser(pada entrance region) meningkat (warna jingga).Gambar 5. Kontur kecepatan pada curved diffuser dengan sudut flange:a. 0°; b. 30°; c. 60°; d. 90°4. KESIMPULANSimulasi numerik telah dilakukan pada curved diffuser dengan sudut flange 0°, 30°, 60° dan 90° untukdiaplikasikan pada Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT). Beberapa kesimpulan utama yang didapatkandari penelitian ini yaitu sebagai berikut:1) Penambahan flange pada curved diffuser mampu memberikan dampak positif terhadap peningkatanperforma DAWT karena dapat menghasilkan peningkatan angin yang sangat signifikan dibandingkancurved diffuser tanpa flange, namun dengan tetap memperhitungkan besar sudut flange.2) Curved diffuser flange 0° memiliki performa paling bagus karena mampu meningkatkan kecepatan anginhingga mencapai 103,76% pada daerah midline axis diffuser dengan nilai kecepatan angin maksimal yaitu10,19 m/s.3) Curved diffuser flange 0° juga mampu meningkatkan kecepatan rata-rata angin sebesar 103,76% padasection x/L = 0,36 dengan nilai kecepatan rata-rata angin maksimal yaitu 9,7 m/s.4) Curved diffuser flange 0° memiliki vortex yang sangat besar pada daerah downstream dibandingkancurved diffuser dengan sudut flange lainnya. Sehingga efek hisap yang kuat akibat vortisiti aliran tersebutmampu meningkatkan kualitas kecepatan angin yang masuk di dalam diffuser.5. DAFTAR PUSTAKA[1] A. Irawan, “Analisis dan Simulasi Penggunaan Diffuser pada Turbin Angin Daerah Pemukiman denganBerbagai Variasi Geometri,” Skripsi, Teknik Mesin, Univesitas Indonesia, 2012.[2] A.Y. Qasim, R. Usubamatov, Z.M. Zain, G. A. Quadir, “The Parameters Affect Coefficient Vertical AxisWind Turbine,” IIUM Engineering Journal, 13 (1), pp. 59-66, 2012.[3] LIPI, “Pengembangan Energi Angin Memungkinkan,” dalam kompas 23 April, 2007.Prosiding Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2019 (pp.78-83) 978-602-60766-7-0Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan,… 83[4] G. Bangga, T. Lutz, E. Jost, E. Krämer, “CFD studies on rotational augmentation at the inboard sections ofa 10 MW wind turbine rotor,” Journal of Renewable and Sustainable Energy, vol. 9, no. 2, 023304, 2017.[5] T.S. Kannan, S. A. Mutasher, Y.H.K. Lau, “Design and Flow Velocity Simulation of Diffuser AugmentedWind Turbine Using CFD,” Journal of Engineering Science and Technology, vol. 8, no. 4, pp. 372-384,2013.[6] M. Lipian, M. Karczewski, K. Olasek, “Sensitivity Study of Diffuser Angle and Brim Height Parametersfor The Design of 3kW Diffuser Augmented Wind Turbine,” Open Engineering, vol. 5, pp. 280-286,2015.[7] M. Lipian, M. Karczewski, J. Molinski, K. Jozwik, “Numerical simulation methodologies for design anddevelopment of Diffuser-Augmented Wind Turbines – analysis and comparison,” Open Engineering, vol.6, pp. 235-240, 2016.[8] T. A. Khamlaj, M.P. Rumpfkeil, “Analysis and Optimization of Ducted Wind Turbines,” Energy, 2018.[9] A.K. Yadav, D. Kumar, “Review of a Shrouded Wind Turbine for Low Wind Speeds,” InternationalDigital Library of Technology & Research, vo. 1, issue 5, 2017.[10] Y. Ohya, T. Karasudani, A. Sakurai, K. Abe, M. Inoue, “Development of a Shrouded Wind Turbine withFlanged Diffuser,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96, pp. 524-539, 2008.[11] Y. Klistafani, M.I. Mukshen, G. Bangga, “Assessment of Various Diffuser Structures to Improve thePower Production of a Wind Turbine Rotor,” Technische Mechanik, vol. 38, issue 3, pp. 256-266,2018.[12] F.R. Menter, “Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications,” AIAAJournal, vol. 32, no. 8, pp. 1598-1605, 1994.[13] J. Hu, W. Wang, “Upgrading a shrouded wind turbine with a self adaptive flanged diffuser,” Energies,vol. 8, pp. 5319-5337, 2015.[14] E. Jost, A. Fischer, G. Bangga, T. Lutz, E. Krämer, “An investigation of unsteady 3-D effects on trailingedge flaps”, Wind Energy Science, vol. 2, no.1, pp. 241-256, 2017.6. UCAPAN TERIMA KASIHPenulis ucapkan terima kasih kepada unit Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat (P3M)Politeknik Negeri Ujung Pandang yang telah memberikan hibah dana PNBP/DIPA 2019 Politeknik NegeriUjung Pandang kepada penulis sehingga penelitian ini dapat dilaksanakan dan diselesaikan dengan baik.

PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE TERHADAP KINERJA DIFFUSER AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT)

http://jurnal.poliupg.ac.id/index.php/snp2m/article/download/1879/1722

PENGARUH PENAMBAHAN FLANGE TERHADAP KINERJA DIFFUSER AUGMENTED WIND TURBINE (DAWT)

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Portal E-Journal System PNUP (Politeknik Negeri Ujung Pandang)