## ANALISIS KETAHANAN BEBAN DINAMIS MATERIAL TURBIN ANGIN TERHADAP KECEPATAN PUTAR ROTOR (RPM) MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

## Lasinta Ari Nendra Wibawa
Balai Uji Teknologi dan Pengamatan Antariksa dan Atmosfer Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Email: lasinta.ari@lapan.go.id

## Dwi Aries Himawanto
Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Email: dwiarieshimawanto@gmail.com

## ABSTRAK
Penelitian ini mengkaji tentang ketahanan beban dinamis material CFRP dan Aluminium 6061 untuk material  turbin  angin  terhadap  kecepatan  putar  rotor  (rpm).  Desain  3  (tiga)  bilah  turbin  angin menggunakan  airfoil  NACA  2415  dengan  panjang  500  mm.  Analisis  dilakukan  secara  numerik  dengan menggunakan  software  Autodesk  Inventor  Professional  2017.  Variasi  kecepatan  rotor  yang  digunakan yaitu 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, dan 400 rpm. Hasil penelitian menunjukkan material CFRP memiliki faktor keamanan yang lebih baik daripada material Aluminium 6061 saat pengujian dengan menggunakan kecepatan rotor 400 rpm.
Kata  kunci: turbin  angin,  naca  2415;  metode  elemen  hingga; carbon  fiber  reinforced  polymer  (cfrp); aluminium 6061 ; rpm .

## ABSTRACT
This study examined the dynamic load resistance of CFRP and Aluminum 6061 materials for wind turbine material to rotor speed (rpm). Design 3 (three) wind turbine blades using NACA 2415 airfoil with length of 500 mm. The analysis is done numerically using Autodesk Inventor Professional 2017 software. Variations in rotor speed used are 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, and 400 rpm. The results showed that the CFRP material had a better safety factor than the Aluminum 6061 material when testing using 400 rpm rotor speed.
Keywords: wind  turbine;  naca  2415;  finite  element  method;  carbon  fiber  reinforced  polymer  (cfrp); aluminum 6061; rpm.

## 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan  energi  dari  tahun  ke  tahun  terus  meningkat.  Hal  ini  mendorong  berbagai  pihak  untuk meneliti energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang tengah diteliti dan dikembangkan saat ini yaitu energi  angin.  Energi  angin  memiliki  beberapa  kelebihan  dibandingkan  energi  alternatif  yang  lain. Beberapa  kelebihan  energi  angin  adalah  teknologinya  cukup  sederhana,  tidak  menimbulkan  emisi,  dan dapat dilakukan di berbagai tempat dengan ketersediaan angin yang melimpah.
Kapasitas  terpasang  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Angin/Bayu  (PLTB)  pada  tahun  2016  hanya mencapai  sekitar  1,12  MW  (1).  Kondisi  ini  terlihat  sangat  ironis  mengingat  potensi  energi  angin  di Indonesia yang dapat dikembangkan mencapai 1,6 GW. Jika dibandingkan dengan kapasitas PLTU yang mencapai 29.880,23 MW, kapasitas PLTB hanya mencapai 0,0037 persen dari total kapasitas PLTU. Hal ini  seharusnya  menjadi  perhatian  serius  mengingat  PLTU  sangat  tergantung  pada  ketersediaan  bahan bakar fosil khususnya batubara untuk proses pembangkitnya.
Turbin angin merupakan media utama yang digunakan untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik.  Desain  turbin  angin  yang  baik  sangat  menentukan  kinerja  dari  pembangkit  listrik  tenaga  bayu (PLTB).  Struktur  turbin  angin  yang  baik  harus  mampu  menahan  beban  dinamis  yang  ditimbulkan  oleh perubahan lingkungan di sekitar lokasi penempatan turbin.
Beban  dinamis  adalah  beban  yang  dapat  terjadi  atau  bekerja  secara  tiba-tiba  pada  sebuah  struktur. Beban dinamis umumnya kecil tetapi berubah-ubah terhadap  waktu. Beban dinamis dapat berupa beban
angin, beban seismik, beban fatigue , dan frekuensi natural. Faktor kemanan untuk suatu struktur mampu menahan beban dinamis yaitu 2-3 (2).

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan perangkat lunak ( software ) Autodesk Inventor Professional 2017 untuk membuat  gambar  3  Dimensi  (3D)  dan  melakukan  pengujian  analisis  tegangan  ( stress  analysis )  dari baling-baling Turbin Angin.
Autodesk  Inventor  merupakan  perangkat  pemodelan  parametrik  3D.  Parametrik  mengacu  pada penggunaan parameter desain untuk membangun dan mengendalikan model 3D yang dibuat. Dengan kata lain, untuk memulai sebuah desain terlebih dahulu harus membuat sketsa dasar untuk menentukan profil dari part .  Dimensi  digunakan  sebagai  parameter  untuk  mengatur  panjang  dan  lebar.  Parameter  dimensi memungkinkan untuk menyusun sketsa dengan masukan yang tepat. Hal ini sangat memudahkan kita saat sedang mendesain suatu produk atau rancangan (3).
Analisis elemen hingga adalah teknik numerik matematis untuk menghitung kekuatan dan perilaku struktur  teknik.  Secara  prinsip,  analisis  elemen  hingga  adalah  analisis  dari  obyek  kompleks  yang dipecahkan dengan membagi obyek menjadi jala ( mesh ) elemen yang lebih kecil sehingga kalkulasi dapat diatur dan dijalankan. Analisis tegangan yang dilakukan oleh Autodesk Inventor menggunakan metode ini untuk memungkinkan kita menganalisis desain yang sesuai dengan keinginan kita (4).
Gambar 1. Profil Airfoil NACA 2415
Gambar 2. Desain 3D baling-baling Turbin Angin
Jenis baling-baling yang digunakan adalah horizontal axis wind turbin blade dengan Airfoil NACA 2415  sebanyak  3  bilah  ( blade )  dengan  panjang  tiap  bilah  yaitu  500  mm  (5).  Material  yang  digunakan untuk  simulasi  yaitu  Aluminium  6061  dan Carbon  Fiber  Reinforced  Polymer (CFRP).  Variasi  dari kecepatan  putar  rotor  yaitu,  100  rpm,  200  rpm,  300  rpm,  dan  400  rpm.  Parameter  Analisis  Tegangan dengan  menggunakan  Autodesk  Inventor  Professional  2017  secara  lengkap  dapat  dilihat  dari  Tabel  1 berikut ini.
Tabel 1. Parameter analisis tegangan Parameter Keterangan Tipe Simulasi Single Point Tipe bilah Turbin Angin Airfoil NACA 2415 Jumlah bilah 3 bilah Panjang bilah turbin angin 500 mm Average element size 0,01 mm Minimum element size 0,01 mm Safety Factor Berdasarkan yield strength Jumlah node 8811 Jumlah elemen 4476

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Analisis Sifat Fisik Material
Tabel  2  menunjukkan  sifat  fisik  dari  material  Aluminium  Al  6061  dan  CFRP.  Data  menunjukkan bahwa densitas material CFRP sebesar 1,43 gram/cm³ atau lebih kecil daripada Aluminium yang sebesar 2,7  gram/cm³.  Hal  ini  berdampak  pada  massa  material  CFRP  sebesar  3,492  kg,  sedangkan  Aluminium sebasar 6,593 kg. Hal ini menunjukkan bahwa material CFRP lebih baik ketimbang material Aluminium 6061 karena memiliki massa yang lebih ringan.
Nilai yield  strength , ultimate  tensile  strength , young  modulus , poisson  ratio ,  dan  shear modulus menunjukkan  bahwa  material  CFRP  lebih  unggul  daripada  material  Alumnium  6061.  Tabel  2 menunjukkan sifat fisik material CFRP dibandingkan dengan material Aluminium 6061.
Tabel 2. Perbandingan sifat fisik material
Material CFRP Aluminum 6061 Density 1,43 g/cm³ 2,7 g/cm³ Mass 3,4917 kg 6,59273 kg Area 385077 mm² Volume 2441750 mm³ Center of Gravity x=51,9613 mm y=0,920456 mm z=595,469 mm Yield Strength 300 MPa 275 MPa Ultimate Tensile Strength 577 MPa 310 MPa Young's Modulus 133 GPa 68,9 GPa Poisson's Ratio 0,39 ul 0,33 ul Shear Modulus 47,8417 GPa 25,9023 GPa

## 3.2 Analisis Tegangan
Tabel  3,  Tabel  4,  Tabel  5,  dan  Tabel  6  menunjukkan  analisis  tegangan  material  CFRP  dan Aluminium  6061  terhadap  variasi  kecepatan  rotor  100,  200,  300,  dan  400  rpm.  Tabel  3,  Tabel,  4  dan Tabel  5  dapat  diamati  bahwa  material  CFRP  dan  Aluminium  6061  cukup  aman  untuk  menahan  beban dinamis karena nilai safety factor yang dipersyaratkan material untuk menahan beban dinamis yaitu 2-3. Tabel  6.  menunjukkan  bahwa  material  Aluminium  6061  tidak  cukup  aman  untuk  menahan  beban dinamis  saat  kecepatan  putaran  rotor  400  rpm.  Hal  ini  dapat  dilihat  dari  nilai safety  factor Aluminium 6061 yang hanya sebesar 1,94. Sedangkan material CFRP cukup aman karena memiliki faktor kemanan sebesar 4,12.

## Tabel 3. Analisis tegangan pada kecepatan putar 100 rpm
Nama CFRP Aluminium 6061 Minimum Maksimum Minimum Maksimum Von Mises Stress 0,000071065 MPa  4,55497 MPa 0,00011935 MPa 8,84435 MPa Displacement 0 mm 0,0540732 mm 0 mm 0,199982 mm Safety Factor 15 ul 15 ul 15 ul 15 ul
Gambar 3. Tegangan Von Misses Material CFRP (Kiri) dan Aluminium 6061 (Kanan) Pada
Putaran 100 rpm
Tabel 4. Analisis tegangan pada kecepatan putar 200 rpm
Nama CFRP Aluminium 6061 Minimum Maksimum Minimum Maksimum Von Mises Stress 0,000293813 MPa  18,2199 MPa 0,000500913 MPa 35,3772 MPa Displacement 0 mm 0,216294 mm 0 mm 0,799923 mm Safety Factor 15 ul 15 ul 7,77337 ul 15 ul
Gambar 4. Tegangan Von Misses Material CFRP (Kiri) dan Aluminium 6061 (Kanan) Pada Putaran 200 rpm

## Tabel 5. Analisis tegangan pada kecepatan putar 300 rpm
Nama CFRP Aluminium 6061 Minimum Maksimum Minimum Maksimum Von Mises Stress 0,000640083 MPa 40,9949 MPa 0,0010915 MPa 79,5973 MPa Displacement 0 mm 0,486661 mm 0 mm 1,7998 mm Safety Factor 7,31798 ul 15 ul 3,45489 ul 15 ul
Gambar 5. Tegangan Von Misses material CFRP (Kiri) dan Aluminium 6061 (Kanan) Pada
Putaran 300 rpm
Tabel 6. Analisis Tegangan pada kecepatan putar 400 rpm Nama CFRP Aluminium 6061 Minimum Maksimum Minimum Maksimum Von Mises Stress 0,00113423 MPa  72,8795 MPa 0,00197908 MPa 141,51 MPa Displacement 0 mm 0,86517 mm 0 mm 3,19967 mm Safety Factor 4,11638 ul 15 ul 1,94332 ul 15 ul
Gambar 6. Tegangan Von Misses Material CFRP (Kiri) dan Aluminium 6061 (Kanan) Pada Putaran 400 rpm

## 4. KESIMPULAN
a) Desain  turbin  angin  dengan  menggunakan  material  CFRP  memiliki  massa  yang  lebih  ringan dibandingkan Aluminium 6061. Massa material CFRP sebesar 3,492 kg, sedangkan Aluminium sebesar 6,593 kg.
b) Nilai yield strength , ultimate tensile strength , young modulus , poisson ratio , dan shear modulus material CFRP lebih besar daripada material Alumnium 6061.
c) Pada putaran rotor 400 rpm, material CFRP masih memiliki safety factor sebesar 4,12 sehingga cukup aman saat menahan beban dinamis.
d) Pada putaran rotor 400 rpm, material CFRP  memiliki nilai defleksi  yang lebih rendah daripada Aluminium  6061.  Defleksi  material  CFRP  sebesar  0,865  mm,  sedangkan  Aluminium  6061 sebesar 3,199 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   Statistik Ketenalistrikan 2016. Direktorat Jenderal Ketenagalistrikan Kemnterian ESDM; 2017.
[2]   Dobrovolsky V, Zablonsky K. Machine Elements. Peace Publisher; 1982.
[3]   Wibawa,  L.A.N.  Merancang  Komponen  Roket  3D  dengan  Autodesk  Inventor  Professional  2017. Surakarta: Buku Katta: 2018.
[4]   Wibawa,  L.A.N.  Simulasi  Kekuatan  Komponen  Sarana  Pengujian  Roket  Menggunakan  Autodesk Inventor Professional 2017. Surakarta: Buku Katta: 2018.
[5]   NACA 2415 (naca2415-il) [Internet]. [cited 2018 Oct 16]. Available from: http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca2415-il