STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI TURBIN VERTIKAL AKSIS ARUS SUNGAI DENGAN VARIASI SERI AIRFOIL DAN PANJANG CHORD
(Akhmad S. Setiaji, Ir. Sarwono, MM, Dr. Ridho Hantoro, ST., MT.) Rekayasa Energi dan Pengkondisian Lingkungan Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo-Surabaya 60111 ABSTRAK Dengan perkembangan zaman yang semakin maju dan kian meningkat, kebutuhan akan energi semakin meningkat pula sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Sumber energi fosil suatu saat akan habis seiring penggunaannya yang tiada henti. Energi kinetik yang diperoleh dari air yang mengalir dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanik maupun energi listrik. Turbin arus sungai dapat menjadi solusi untuk memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia. Aliran arus sungai dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk menggerakan turbin sehingga dapat menghasilkan arus listrik Pembangkit listrik tersebut akan memanfaatkan prinsip dari turbin berjenis darrieus sumbu vertikal. Jenis airfoil yang akan digunakan pada penelitian ini adalah NACA 0015 simetris dan NACA 4415 asimetris dengan panjang chord 5 cm dan 7 cm. Dari hasil eksperimen diketahui bahwa nilai kecepatan aliran sebanding dengan besarnya nilai rpm. Panjang chord sangat mempengaruhi performansi dari turbin vertikal arus sungai. Dimana NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm memiliki nilai rpm = 117 rev/min pada kecepatan aliran 2 m/s sedangkan NACA 0015 dengan panjang chord 5 cm memiliki rpm = 90 rev/min. Kata kunci : chord, NACA, turbin vertikal aksis, airfoil. 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dengan perkembangan zaman yang semakin maju, kebutuhan akan energi semakin meningkat sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Sebagian besar negara di dunia termasuk Indonesia masih mengandalkan pembangkit listrik berbahan bakar fossil yakni minyak bumi, gas alam dan batu bara yang merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui. Sumber energi tersebut suatu saat akan habis seiring penggunaannya yang tiada henti. Oleh karenanya pemanfaatan energi pada masa sekarang ini sudah banyak dikembangkan energi terbarukan. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, energi panas bumi, dan nuklir. Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis memiliki curah hujan yang tinggi. Insonesia memiliki topografi yang terdiri dari dataran tinggi dan dataran rendah sehingga memiliki banyak daerah aliran sungai (DAS). Aliran sungai ini berpotensi untuk dikembangkan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Potensi ini sebagian besar tersebar di daerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk mengembangkan pembangkit tenaga listrik. Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di negara Indonesia adalah pemanfaatan energi air dan apabila pemanfaatan energi tersebut dilakukan secara meluas di seluruh wilayah Indonesia maka peluang untuk keluar dari krisis listrik akan semakin besar mengingat bahwa terdapat banyak tempat – tempat yang
berpotensi untuk dimanfaatkan dan semuanya menyebar di seluruh pulau – pulau besar yang ada di negara Indonesia. Energi kinetik yang diperoleh dari air yang mengalir dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya aliran air ataupun aliran arus laut. Sejak awal abad 18 kincir air telah banyak digunakan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergaji kayu dan mesin tekstil. Sampai sekarang penggunaan kincir masih banyak digunakan khususnya untuk pembangkit listrik. Indonesia sudah mulai memanfaatkan energi dengan sumber utamanya adalah air. Air terjun dan gelombang arus laut merupakan salah satu contoh pemanfaatannya. Namun masih ada sumber energi yang masih belum dimanfaatkan secara optimal, yakni sumber energi arus sungai. Dimana Indonesia memiliki banyak aliran sungai yang khususnya terletak di pelosok desa yang faktanya masih banyak desa di Indonesia yang masih belum memiliki sumber listrik. Kondisi inilah yang dapat menyebabkan suatu desa menjadi terbelakang dibandingkan dengan desa yang lainnya. Untuk menyelesaikan persoalan tersebut dapat dimanfaatkan aliran arus sungai sebagai sumber energi sebagai penghasil energi listrik. Turbin arus sungai dapat menjadi solusi untuk memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia. Aliran arus sungai dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk menggerakan turbin sehingga dapat menghasilkan arus listrik. Telah dilakukan beberapa pengembangan untuk memanfaatkan arus sungai sebagai sumber energi. Water Turbine Wheel adalah
salah satu contoh jenis turbin penghasil energi listrik dengan sumber energinya adalah air. Namun dari jenis tersebut masih memiliki beberapa kekurangan, diantaranya adalah rpm yang rendah. Dalam hal ini dibutuhkan suatu turbin arus sungai dengan banyak manfaat dan sedikit kelemahan. Oleh karenanya diperlukan pengembangan dari penelitian sebelumnya. Untuk itu perlu dilakukan perancangan jenis turbin yang sesuai dengan karakteristik sungai maupun aliran sungai. Dalam penelitian pada tugas akhir ini akan dikembangkan sebuah pembangkit listrik tenaga arus sungai. Pembangkit listrik tersebut akan memanfaatkan prinsip dari turbin berjenis darrieus sumbu vertikal. Jenis sudu yang akan digunakan pada penelitian ini adalah NACA 0015 simetris dan NACA 4415 asimetris dengan panjang chord 5 cm dan 7 cm. Turbin arus sungai sumbu vertikal ini diharapkan dapat memberikan nilai rpm yang cukup besar. Besarnya nilai rpm dapat dipengaruhi oleh kerapatan dari jenis fluida. Oleh karenanya turbin darrieus sumbu vertikal ini perlu dikembangkan lebih lanjut dengan sumber energinya adalah aliran arus sungai yang nilai kerapatannya lebih tinggi daripada nilai kerapatan udara. Turbin tersebut memiliki beberapa keuntungan yakni diantaranya adalah dapat mengayunkan sudu dari arah yang berlainan. Selain itu perawatan turbin jenis inipun relatif mudah. Oleh karenanya diperlukan penelitian lebih lanjut pada darrieus turbin sumbu vertikal sebagai pembangkit listrik tenaga arus sungai. Penelitian tersebut dapat dilakukan diantaranya dengan identifikasi jenis sudu dan juga identifikasi fluktuasi gaya yang dihasilkan dari jenis sudu itu sendiri.
1.
2.
Untuk mengetahui pola fluktuasi dan torsi yang terjadi pada turbin arus sungai sumbu vertikal sudu simetris NACA 0015 dan NACA 4415 asimetris. Untuk mengetahui efek perubahan panjang chord terhadap fluktuasi gaya dan torsi.
1.5 Manfaat Aliran arus sungai dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk menggerakan turbin sehingga dapat menghasilkan arus listrik. Selain itu perawatan turbin jenis inipun relatif mudah. 2. DASAR TEORI 2.1 Turbin Turbin merupakan teknologi yang umum digunakan dalam menghasilkan sebuah produk listrik. Hanya saja yang membedakannya adalah sumber energi yang akan dimanfaatkannya. Seperti Steam Turbine, Gas Turbine, Wind Turbine dan juga Water Turbine. Pembangkit listrik tenaga angin merupakan salah satu aplikasi dari penggunaan teknologi turbin dengan memanfaatkan energy angin utnuk memutar trubin dan mengkonversikan menjadi arus listrik. Dalam pengembangannya turbin yang biasa memanfaatkan angin sudah banyak menggunakan fluida air sebagai sumber energinya. Saat ini juga dilakukan pengembangan mengenai penggunaan turbin dengan memanfaatkan tenaga arus laut untuk menghasilkan listrik. Keanekaragaman penggunaan turbin tersebut pada dasarnya menggunakan teknologi yang sama yakni Horizontal Axis Turbine (HAT) dan Vertical Axis Turbine (VAT). 2.1.2 Turbin Savonius Turbin jenis savonius, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1, diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia S.J. Savonius pada tahun 1929. Turbin ini didasarkan pada kekuatan geser turbin fluida yang didorong dengan dua cangkir atau setengah drum ke poros sentral dalam arah yang berlawanan. Setiap cangkir atau drum menangkap fluida dan kemudian memutarkan porosnya karena dorongan fluida tersebut. Cangkir ini kemudian mengulangi proses tersebut sehingga menyebabkan poros untuk memutar satu putaran penuh untuk berotasi. Proses ini terus berlanjut selama ada gaya dorong dari fluida.
1.2 Perumusan masalah 1. Bagaimana pola fluktuasi dan torsi yang terjadi pada turbin arus sungai sumbu vertikal sudu simetris NACA 0015 dan NACA 4415 asimetris ? 2. Bagaimana efek perubahan panjang chord terhadap fluktuasi gaya dan torsi ? 1.3 Batasan Masalah 1. Bahan yang akan digunakan pada sudu turbin arus sungai sumbu vertikal ini adalah kayu bengkirai. 2. Pengujian turbin arus sungai sumbu vertikal ini dilakukan di beberapa sungai dengan variasi kecepan 0,5 m/s, 0,6 m/s, 1,4 m/s, dan 2 m/s. 3. Foil yang digunakan pada penelitian ini adalah NACA 0015 simetris dan NACA 4415 dengan masing–masing chord 5 cm dan 7cm. 4. Simulasi steady – state 3D dengan menggunakan software CFD.
Gambar 2.1. Turbin Savonius[2]
1.4 Tujuan Penelitian
2
leading edge dalam puluhan persentase dari chord. Dua digit terakhir menggambarkan persentase ketebalan maksimum dari chord. Sebagai contoh, airfoil NACA 4415 asimetris memiliki maksimum camber 4% terletak 40% (0,4 chords) dari leading edge dengan ketebalan maksimum sebesar 15% dari chord. NACA 0015 simetris dengan 00 menunjukan bahwa airfoil ini tidak memiliki camber. Angka 15 menunjukan besarnya persentase ketebalan dari panjang chord.
2.1.3 Turbin Darrieus Turbin jenis Darrieus ini diciptakan oleh seorang insinyur Perancis George Jeans Maria Darrieus. Turbin jenis Darrieus ini dipatenkan pada tahun 1931 di Amerika Serikat, baik jenis “Eggbeater (or Curved Bladed)” dan juga “Straight-bladed” VAWTs. Sketsa kedua variasi konsep Darrieus ditunjukkan dalam Gambar 2.2 dan 2.3. Tipe Darrieus VAWTs pada dasarnya gaya angkat yang digerakkan turbin angin. Turbin ini terdiri dari dua atau lebih sudu berbentuk airfoil yang terpasang pada poros vertikal. Angin bertiup atas kontur sudu airfoil yang menciptakan gaya angkat aerodinamis yang kemudian menggerakan sudu secara bersamaan.
2.4 Konsep Lift ( gaya angkat ) dan Drag ( gaya seret) Ketika suatu benda padat ditempatkan dalam suatu aliran fluida akan menghasilkan gaya angkat dan gaya seret. Gaya angkat tersebut dihasilkan oleh perubahan aliran disekitar foil. Gaya angkat terjadi ketika tekanan udara dibawah sayap lebih tinggi daripada tekanan udara diatas sayap. Fase ini menyebabkan perbedaan tekanan udara yang kemudian mengalir dari permukaan bawah sayap, sekitar ujung sayap menuju permukaan atas sayap. Gaya aerodinamis total pada umumnya terdiri dari dua komponen, yakni gaya angkat dan gaya seret. Didefinisikan bahwa komponen yang sejajar terhadap aliran adalah gaya tarik, sedangkan komponen yang tegak lurus terhadap aliran adalah gaya angkat.
Gambar 2.2. Turbin Darrieus jenis Eggbeater (or Curved Bladed.)[2]
Gambar 2.4. Arah gaya dalam airfoil
Perhitungan untuk gaya angkat dan gaya tarik dapat dilihat pada persamaan :
[2]
Gambar 2.3. Turbin Darrieus jenis “Straight-bladed” VAWTs .
(2.2)
2.3 NACA airfoil Airfoil dalam bahasa inggris adalah suatu bentuk sayap atau pisau (dari baling–baling, rotor atau turbin). Sebuah benda berbentuk airfoil bergerak melalui fluida menghasilkan gaya aerodinamis. Komponen gaya tegak lurus terhada arah gerakan disebut gaya angkat. Komponen yang sejajar arah gerak disebut gaya tarik. Foil dari fungsi serupa yang dirancang untuk digunakan pada air sebagai fluida kerjanya disebut hydrofoil. NACA airfoil adalah bentuk sayap pesawat terbang yang dikembangkan oleh Komite Penasihat Nasional untuk Aeronautika (NACA). Bentuk airfoil dijelaskan menggunakan serangkaian digit mengikuti kata NACA. Parameter dalam kode numerik dapat dimasukkan kedalam persamaan untuk mendapatkan penampang airfoil dan menghitung sifat–sifat dari airfoil itu sendiri. NACA 4 – digit mendefinisikan profil sebagai berikut, satu digit awal merepresentasikan maksimum camber sebagai persentase dari panjang chord. Digit kedua menggambarkan jarak maksimum camber dari airfoil
(2.3) (2.4) (2.5)
Dimana : FL dan FD = gayaangkat dan gaya tarik CL dan CD = koefisien angkat dan koefisien tarik ρ = kerapatan fluida A = luas permukaan airfoil u = kecepatan aliran
3
Untuk melakukan proses validasi dalam menentukan kecepatan aliran pada Reynold number tertentu maka digunakan persamaan :
2. 3.
Metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi). Tools perangkat lunak (solvers, tools pre- dan postprocessing).
Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru. 2. Pengembangan produk secara detail. 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting. 4. Desain ulang. 2.7 Performansi dan efisiensi Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan model streamtube analysis yaitu dengan cara membandingkan daya keluaran pada turbin dengan kinetic energy flux-nya. Persamaannya adalah sebagai berikut sebagai berikut :
(2.6) 2.5 Aspect Ratio Dalam aerodinamika, aspect ratio dari sayap dalah perbandingan antara panjang sayap dengan luas sayap. Sebuah aspect ratio yang tinggi menunjukan sayap yang panjang dan memiliki luas sayap yang sempit, sedangkan aspect ratio yang rendah menunjukan sayap yang pendek dengan luasan sayap yang besar. Untuk foil straight-blade pada umumnya aspect ratio (AR) didefinisikan sebagai perbaningan antara kuadrat dari lebar sayap (b) dengan daerah planform sayap (S).
(2.8) Dengan: P = daya keluaran KEF = Kinetic energy flux
Gambar 2.5. foil tampak samping (3D)
Sedangkan untuk daya keluaran sendiri adalah
(2.7)
P
Dimana :
Dengan: P = daya keluaran ρ = massa jenis fluida r = jari-jari turbin v1= kecepatan fluida sebelum turbin v2= kecepatan fluida pada turbin v3= kecepatan fluida setelah turbin
AR = Aspect ratio b = lebar sayap (chord) l = panjang sayap (span) S = luas planform sayap 2.6 CFD Ditinjau dari istilah diatas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk memprlajari dinamika dari benda – benda atau zat – zat yang mengalir. Secara definisi CFD adalah ilmu yang memepelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan – persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan differensial parsial (PDE = partial differential equation) yang memepresentasikan hukum – hukum konversi massa, momentum, dan energi. Software CFD memungkinkan penggunanya untuk membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan memerapkan kondisi nyata di lapangan. Software CFD akan memberikan data – data, gambar – gambar, atau kurva – kurva, yang menunjukan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. Hasil analisis CFD pada umumnya berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (bergantung pada data yang dimasukkan).
Persamaan KEF sendiri adalah : (2.10)
Dengan: ρ = massa jenis fluida r = jari-jari turbin v = kecepatan fluida sebelum turbin l = panjang blade (bilah) 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Langkah Awal Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai metodologi yang digunakan dalam penelitian ini. Berikut ini adalah flowchart dan langkah – langkah pengerjaan dalam pembuatan dan hingga pengujian turbin arus sungai vertical – axis : Gambar 3.1 Flowchart penelitian (lampiran)
CFD memprediksi aliran berdasarkan : 1.
(2.9)
Secara umum metode yang dilakukan untuk mencapai tujuan dari tugas akhir ini adalah :
Model matematika, khususnya memecahkan persamaan Navier – Stokes. 4
3.1.1 Studi literatur Studi literatur ini perlu dilakukan untuk menunjang proses pengerjaan tugas akhir. Dalam hal ini dipelajari beberapa materi penunjang yang berhubungan dengan tugas akhir. Materi yang diperdalam dalam studi literatur ini adalah perubahan bentuk foil baik simetris maupun asimetris. Materi tersebut diambil dari beberapa refrensi seperti konsep turbin darrieus, lift and drag, aspect ratio, NACA airfoil, dan CFD.
Gambar 3.3 fabrikasi foil
Untuk mendapatkan hasil yang maksimal dilakukan pengamplasan secara manual agar foil yang dibuat menjadi halus dan sesuai dengan spesifikasi NACA 0015 dan NACA 4415. Kemudian dibuat variasi panjang chord 5 cm dan 7 cm dari masing – masing jenis foil sesuai dengan kebutuhan penelitian. Guna melihat rotasi yang terjadi didalam air maka dilakukan pengecatan pada foil. Pengecatan juga dapat menambah tahanan afoil terhadap fluida air. Setelah dilakukan pengecatan kemudian foil tersebut diberikan mur dan baut guna mengaitkannya dengan plat galvanis (wheel) pada turbin.
3.1.2 Penentuan lokasi Penentuan lokasi ini bertujuan untuk mencari tempat yang cocok dengan karakteristik jenis turbin arus sungai vertical – axis yang akan diuji. Pemilihan lokasi untuk pengujian alat pun didasari oleh teori – teori yang sesuai dengan kebutuhan untuk pengujian alat. Gambar dibawah ini adalah gambar yang diambil dari lokasi aliran sungai buatan di desa Seloliman yang akan dijadikan tempat pengujian alat. Gambar 3.2 lokasi pengambilan data (lampiran) Lokasi penelitian yang dugunakan adalah sungai Beji – Pasuruan dan sungai Seloliman – Mojosari yang keduanya terletak di Propinsi Jawa Timur. Pemilihan sungai tersebut dikarenakan karakteristik dari masing – masing sungai berbeda sehingga didapatkan variasi kecepatan aliran sungai yang berbeda pula. Dari masing – masing lokasi didapatkan data seperti pada tabel dibawah ini :
Gambar 3.4 foil NACA 0015 dan NACA 4415
Untuk memastikan agar foil tidak memiliki derajat kebebasan (fixed picth) diberikan penjepit (stopper) seperti pada gambar 3.5. Selain itu untuk menahan getaran dari turbin itu sendiri diberikan besi siku untuk menopang turbin selama eksperimen.
Tabel 3.1 Karakteristik Sungai ( lokasi pengujian ) Lokasi Kecepatan Kedalaman Lebar (m/s) (cm) (cm) Beji 1 0.5 78 138 Beji 2 0.6 78 272 Seloliman 1 1.4 81 110 Seloliman 2 2 53 80 3.2 Fabrikasi Turbin Setelah penentuan lokasi sungai dan tipe airfoil yang akan digunakan, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan foil dan turbin. Sebelum pembuatan turbin, terlebih dahulu dilakukan pembuatan airfoil. Bahan yang digunakan dalam pembuatan airfoil tersebut adalah kayu bengkirai. Pemilihan bahan tersebut dikarenakan spesifikasi kayu tersebut yang memiliki tahanan terhadap fluida air yang lebih kuat dibandingkan jenis kayu lainnya. pembuatan airfoil. Sebelum pembuatan airfoil yang sesuai dungan NACA 0015 dan NACA 4415, terlebih dahulu dibuat cetakan jenis foil tersebut. Hal ini dilakukan agar dalam pembuatannya tidak memiliki nilai error geometri yang tinggi.
Gambar 3.5 Stopper dan besi siku
3.3 Eksperimen Eksperimen dilakukan dengan memasukkan turbin sesuai dengan prosedur pada lokasi sungai yang telah ditetapkan. Dalam eksperimen dilapangan diperlukan bambu untuk menyangga besi siku guna menahan getaran saat turbin berputar.
Gambar 3.6. Penggunaan penyangga pada turbin
5
kemudian dapat dilakukan pendefinisian dan dilakukan iterasi pada CFX – solver. Tahapan terakhir setelah dilakukan iterasi kemudian gaya – gaya yang bekerja pada turbin dapat dilihat pada CFX – Post (gambar 3.13).
Gambar 3.7 Prosedur memasukkan turbin ke dalam aliran sungai
Pada gambar 3.6 diatas merupakan cara memasukkan turbin yang sesuai dengan prosedur yakni dengan mengikuti arus sungai yang mengalir. Prosedur tersebut dilakukan guna mengurangi tekanan air yang mengarah pada turbin. Begitu juga pada tahap mengangkat turbin dari aliran sungai yaitu dengan mengikuti arus sungai sehingga bagian bawah turbin diangkat terlebih dahulu.
Gambar 3.10 geometri turbin
Gambar 3.8 Prosedur mengeluarkan turbin dari aliran sungai Gambar 3.11 meshing pada foil
Pengujian turbin arus sungai dilakukan untuk mendapatkan Rpm (Rotation per minute) yang dihasilkan oleh sebuah turbin. Pengujian dilakukan dalam kecepatan yang berbeda sehingga didapatkan data Rpm pada setiap kecepatan arus sungai. Pengambilan data Rpm dibantu dengan cara pemberian klep yang dipasang pada shaft turbin sehingga klep tersebut akan ikut berputar bersama turbin seperti pada gambar 3.9. Setiap putaran yang dihasilkan kemudian dihitung selama selang waktu satu menit.
Gambar 3.12 Inisialisasi pada CFX – Pre (lampiran) Gambar diatas merupakan proses pada CFX – pre untuk melakukan inisialisasi. Inisialisasi diberikan pada domain fluida yang akan dialiri, inisialisasi dinding pada turbin, kecepatan aliran, tekanan, solver, dan juga memasukkan nilai Rpm yang didapatkan.
Gambar 3.9 Pemasangan klep untuk pengambilan data Rpm
3.4 Simulasi CFD Tahap simulasi CFD ini dilakukan setelah proses pengambilan data eksperimen yang dikarenakan perlunya data Rpm. Data Rpm digunakan pada saat proses simulasi CFD pada tahap pre-process ( inisialisasi ). Dengan memasukkan data Rpm tersebut, maka simulasi CFD sesuai dengan keadaan sebenarnya pada saat melakukan pengujian dilapangan baik itu kondisi lokasi sungai dan turbin. Dalam simulasi CFD, terdapat beberapa tahapan. Tahapan yang pertama adalah menggambar geometri (gambar 3.10), kemudian dilanjutkan dengan meshing (gambar 3.11). Setelah kedua tahapan tersebut selesai kemudian dilanjutkan dengan inialisasi pada CFX – Pre (gambar 3.12). Setelah tahapan inisialisasi selesai
Gambar 3.13 vektor kecepatan
Gambar diatas merupakan vector kecepatan yang diambil dari CFX – Post. Vektor – vector tersebut merepresentasikan arah dari kecepatan yang terjadi didalam sungai pada saat pengujian. Warna dari vector tersebut menunjukan besarnya nilai kecepatan. Selain itu dalam CFX – Post dapat diambil data Force dan Torque yang diperlukan untuk melakukan pengolahan data.
6
3.5 Validasi dan Verivikasi Dalam proses validasi dilakukan studi grid independent dan penentuan faktor koreksi. Dimana faktor koreksi merupakan jumlah penyimpangan dalam pengukuran yang diperhitungkan dalam proses kalibrasi. Studi grid independent merupakan langkah yang dilakukan untuk mendapatkan nilai eror koefisien drag dan lift yang kemudian dibandingkan dengan nilai standar yang menjadi acuan. Studi grid independent dilakukan dengan penentuan nilai–nilai parameter pada proses meshing dari geometri foil. Proses validasi dilakukan secara 2D pada NACA 0015 chord 7 cm dengan panjang span yaitu 2 cm. Foil yang telah dibentuk tersebut kemudian diberikan luasan meshing dengan tipe constant mulai dari 0.1 mm hingga 10 mm. Hasil meshing tersebut kemudian disimulasikan untuk mendapatkan nilai Fx dan Fy untuk kemudian dicari nilai koefisien drag (Cd) dan koefisien lift (Cl). Nilai Cl dan Cd dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.4) dan (2.5). Dengan D adalah gaya drag (fx) dan L adalah gaya lift (Fy), rho air sebesar 997 kg/m3 dan S adalah luas permukaan foil. Sementara kecepatan (v) didapatkan dari Reynold number (Re = 1.6 x 105) yang sesuai dalam proses validasi untuk dijadikan acuan dalam mencari nilai Cl dan Cd. Untuk mencari nilai kecepatan dapat menggunakan persamaan (2.6). Dengan u merupakan kecepatan, sedangkan l merupakan global length dan miu (µ) merupakan dynamic viscosity. Global length dan dynamic viscosity terdapat pada outfile setelah dilakukan simulasi/iterasi. Didapatkan nilai eror terkecil pada luasan meshing pada 0,5 mm yaitu sebesar 1,4% untuk NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm dan panjang span 2 cm. Untuk melakukan komputasi pada panjang span yang sebenarnya yakni 30 cm dengan luasan meshing 0,5 mm, akan diperlukan komputasi yang lama dan memerlukan PC dengan memory yang sangat besar. Oleh karenanya digunakan meshing 5 mm dan disimulasikan dengan Re = 1.6 x 105 untuk mendapatkan nilai Cd dan Cl. Nilai Cd dan Cl yang telah didapatkan dengan meshing 5 mm kemudian dibandingkan dengan Cd dan Cl dengan meshing 0,5 mm. Dari perbandingan tersebut didapatkan nilai faktor koreksi untuk verifikasi sebesar 51,9%.
4415 5
0015 7 0015 5 4415 7
0,5 m/s 0,6 m/s 30 50 0 0 0 0
81
90
rpm
4.3 Efek Perubahan Kecepatan Kecepatan merupakan varibel penting dalam pengujian turbin vertikal arus sungai. Dari lokasi pengujian didapatkan beberapa variasi kecepatan ( u = 0,5 m/s, u = 0,6 m/s, u = 1,4 m/s, u = 2 m/s). Dari hasil pengujian ditunjukan bahwa nilai kecepatan mempengaruhi nilai putaran (rpm) dari sebuah turbin, seperti ditunjukan pada grafik berikut : 140 120 100 80 60 40 20 0
0015 7 0015 5 4415 7 4415 5 0.5
0.6
1.4
2
u (m/s) Grafik 4.1. Efek perubahan kecepatan aliran terhadap rpm setiap foil
Grafik diatas menunjukan bahwa semakin tinggi kecepatan aliran maka jumlah putaran dari turbin akan semakin banyak. Dalam hal ini jenis foil NACA 4415 dapat berputar lebih cepat dibandingkan NACA 0015 pada kecepatan yang tinggi yakni 1,4 m/s dan 2 m/s. Namun lain halnya pada kecepatan rendah, NACA 0015 pada kecepatan 0,5 m/s dan 0,6 m/s memiliki performansi yang lebih baik dibandingkan dengan NACA 4415.
Tabel 4.1. Pengambilan data rpm saat eksperimental
RPM 1,4 m/s 108 88 117
0
4.2 Hasil Pengujian Dari hasil pengambilan data pada pengujian kemudian data rpm yang didapatkan dimasukan untuk dilakukan inisialisasi. Setelah inisilaisasi dilakukan kemudian dilakukan simulasi pada CFX – solver. Setelah simulasi selesai dilakukan kemudian akan didapatkan nilai Fx, Fy dan Torsi pada CFX - post. Nilai dari Fx, Fy, dan Torsi yang didapat dari hasil simulasi kemudian diplot kedalam bentuk grafik untuk mengetahui pola fluktuasi dan torsi pada turbin.
4. ANALISA DATA DATA PEMBAHASAN 4.1 Pengujian Turbin Dari hasil eksperimen yang dilakukan didapatkan hasil yang beragam. Pada hasil pengujian terjadi beberapa fenomena, diantaranya adalah terdapat beberapa jenis hydrofoil yang tidak memutar turbin, pola fluktuasi gaya dan torsi. Fenomena-fenomena tersebut akan dijelaskan pada sub-bab berikut.
jenis blade
0
2 m/s 113 90 127
7
60
60
40
50
20 0.5 m/s
30
0.6 m/s
20
1.4 m/s
10
2 m/s
0015 7
0 -20
0 50 100 150 200 250 300 350
40
Fy(N)
Fx (N)
70
0015 5
-40 -60
Azymuth
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
0
Grafik 4.5. Efek perubahan panjang chord terhadap Fy pada foil NACA 0015
Azymuth
60
Grafik 4.2. Efek perubahan kecepatan terhadap Fx pada foil 0015 7
40 Fx(N)
30 4415 7
20
0.5 m/s
4415 5
10
0.6 m/s
0 0 50 100 150 200 250 300 350
1.4 m/s 2 m/s
Azymuth Azymuth
Grafik 4.6. Efek perubahan panjang chord terhadap Fx pada foil NACA 4415
Grafik 4.3. Efek perubahan kecepatan terhadap Fy pada foil 0015 7
80
Dari grafik tersebut diketahui bahwa semakin besar kecepatan maka akan semakin banyak pula putaran yang didapatkan.
60
-40
350
300
-20
250
4415 5 200
0 150
4415 7
100
4.4 Efek Perubahan Panjang Chord Hal serupa juga didapatkan dari efek perubahan panjang chord. Dengan panjang span yang sama yakni 30 cm dan melakukan perubahan pada panjang chord 5 cm dan 7 cm. Berikut adalah grafik hasil pengujian pada perubahan panjang chord.
20
0
Fy(N)
40
50
60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
Fy (N)
50
Azymuth
Grafik 4.7. Efek perubahan panjang chord terhadap Fy pada foil NACA 4415 70
20
60
15
40
T(N)
Fx(N)
50 0015 7
30
0015 5
20
10 4415 7
5
10
4415 5 350
300
250
200
150
50
0 60 120 180 240 300 360
0
0
100
0 Azymuth
Grafik 4.4. Efek perubahan panjang chord terhadap Fx pada foil NACA 0015
Grafik 4.8. Efek perubahan panjang chord terhadap Torsi pada foil NACA 4415
8
Dari grafik diatas terindikasi bahwa foil dengan panjang chord 7 cm dapat berotasi lebih cepat dibandingkan dengan foil dengan panjang chord 5 cm. Terjadi periodisasi pola fluktuasi torsi dengan interval azimuth 120 . T(N)
4.5 Efek perubahan jenis foil Pada eksperimen turbin vertikal arus sungai ini dilakukan pengujian dengan menggunakan foil NACA 0015 simetris dan NACA 4415 asimetris. Hal ini untuk mengetahui performansi berupa fluktuasi gaya dan torsi dari masing–masing jenis foil. Berikut ini adalah grafik efek dari perubahan jenis foil.
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa jenis foil untuk NACA 0015 dan 4415 relatif memiliki kesamaan pada fluktuasi gaya yang didapatkan, namun NACA 0015 dan NACA 4415 memiliki perbedaan pada sudut serangnya.
Fx(N)
50 4415 7 4415 5
20
0015 7
10
0015 5
Dari beberapa grafik diatas terlihat bahwa adanya fluktuasi gaya Fx dan Fy yang tidak harmonik ketika turbin sudah berputar melebihi 180 .. Fluktuasi yang tidak harmonik tersebut disebabkan oleh aliran yang diterima foil 3. Dimana foil tersebut menerima aliran yang sebelumnya telah mengenai foil 1 dan shaft. Seperti pada ilustrasi dibawah ini.
350
300
250
200
150
100
0
0 50
0015 7
Azymuth Grafik 4.11. Efek perubahan jenis foil terhadap Torsi
60
30
4415 7
0 30 60 90 120150180210240270300330
70
40
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Azymuth Grafik 4.9. Efek perubahan jenis foil terhadap Fx
Dari grafik diatas terlihat bahwa gaya Fx yang dihasilkan oleh NACA 0015 dengan chord 7 memiliki nilai yang lebih besar pada beberapa sudut azimuth. 80
Gambar 4.1. Penyebab terjadinya fluktuasi pada beberapa azimuth 300
60
4.6 Efek Perubahan Meshing Meshing merupakan bagian yang penting dalam pembuatan geometri. Meshing dilakukan dalam software ansys workbench. Dalam studi numerik ini dilakukan beberapa perubahan nilai–nilai parameter dalam pembentukan elemen. Elemen yang digunakan adalah tetrahedran-mixed. Geometri foil itu sendiri dibentuk dari jumlahan elemen yang telah dibuat pada proses meshing.
4415 7
20
4415 5
0 -20
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
0015 7 0015 5
-40 -60
Azymuth
0.02
Grafik 4.10. Efek perubahan jenis foil terhadap Fy
0.015 koefisien
Fy(N)
40
0.01 0.005
Cd
Cl
cd standard
cl standard
0 -0.005
11
9
7
5
3
1
0.8
0.6
0.4
0.2
nilai parameter elemen
Grafik 4.12. Efek perubahan meshing terhadap nilai cl dan cd
9
Dari hasil studi numerik ini diketahui bahwa semakin kecil bentuk elemen untuk memenuhi sebuah geometri maka akan didapatkan bentuk geometri yang sesuai, hanya saja semakin kecil elemen maka proses komputasinya akan semakin lama dan membutuhkan PC dengan memory yang besar. Namun ada kalanya dimana perubahan nilai parameter dalam pembentukan elemen tidak mempengaruhi bentuk geometri.
pada turbin. Dimana NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm memiliki luasan yang lebih besar dibandingkan NACA 0015 dengan panjang chord 5 cm. oleh karenanya putaran yang dihasilkan NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm lebih banyak yakni 117 putaran/menit pada kecepatan aliran 2 m/s sedangkan NACA 0015 dengan panjang chord 5 cm hanya menghasilkan 90 putaran /menit. Selain kedua efek perubahan diatas, dalam penelitian ini dilakukan peninjauan terhadap efek perubahan jenis foil yakni NACA 0015 simetris dan NACA 4415 asimetris. Namun perubahan jenis foil NACA 0015 dan NACA 4415 ini tidak memberikan perbedaan yang cukup signifikan. Hal ini dapat dilihat pada grafik 4.8 dan grafik 4.9 dimana gaya yang didapatkan pada foil NACA 0015 dan NACA 4415 relatif sama, hanya saja berbeda dalam sudut serang. Hal ini pun dibuktikan dari resultan gaya pada sudut 10 dimana NACA 4415 7 memiliki Fres = 97,58366 N sedangkan NACA 0015 7 memiliki Fres = 97,51745 N pada kecepatan yang sama yakni 2 m/s. Namun hal yang berbeda ditunjukan pada kecepatan yang rendah yakni 0,4 m/s dan 0,5 m/s, dimana foil NACA 4415 asimetris tidak dapat berputar pada kondisi tersebut. Hal ini dapat dikarenakan dari pengaruh dari karakteristik geometri airfoil itu sendiri, dimana foil asimetris dapat bekerja dengan baik pada kecepatan yang tinggi. Disamping efek dari pengujian yang dilakukan dilapangan salah satu efek yang dapat ditinjau dalam proses simulasi adalah efek dari perubahan meshing. Pada tahapan meshing, semakin besar dimensi yang digunakan maka akan memerlukan luasan elemen yang semakin banyak/rapat untuk dapat memenuhi hasil yang diharapkan. Memperkecil ukuran mesh secara umum akan menurunkan nilai Cd tetapi memberikan kesulitan untuk mendapatkan nilai Cl karena memberikan nilai yang fluktuatif. Oleh karenanya dapat dilakukan faktor koreksi nilai Cd dan Cl yang didaptkan dari hasil studi eksperimen dan numerik dengan data acuan dari penelitian/jurnal sebelumnya. Didapatkan faktor koreksi sebesar 51,9%, nilai tersebut merupakan perbandingan antara NACA 0015 dengan luasan elemen 0,5 mm dan NACA 0015 dengan luasan elemen 5 mm. Untuk melakukan pengembangan dalam studi eksperimen turbin vertikal arus sungai ini dilakukan prediksi daya yang akan didapatkan dari turbin vertikal arus sungai. Dari hasil eksperimen didapatkan nilai rotasi setiap menit yang kemudian dapat dicari nilai daya yang dihasilkan. Dari hasil eksperimen didapatkan nilai daya yang paling besar dihasilkan oleh jenis foil NACA 4415 dengan panjang chord 7 cm yakni P = 11076,84 watt. Hal ini dikarenakan besarnya nilai rpm yang dihasilkan oleh NACA 4415 dengan panjang chord 7 cm. Dari perhitungan efisiensi dengan menggunakan streamtube – analysis (2.16) didapatkan efisiensi turbin terbesar adalah 40,175 %.
4.7 Prediksi Daya Efisiensi Dengan menggunakan streamtube – analysis seperti pada persamaan 2.15 akan didapatkan nilai efisiensi turbin dari setiap jenis foil seperti table dibawah ini :
Jumlah Blade naca 0015 naca 4415
Tabel 4.2. Efisiensi turbin EFISIENSI (%) Seloliman Kecil Seloliman Besar chord (cm) chord (cm) 7 5 7 5 14,727 39,864 15,051 40,175 33,222
37,583
34,018
39,351
4.8 Pembahasan Dari hasil eksperimen didapatkan beberapa kesamaan antara foil jenis satu dan lainnya. Hal ini dapat dilihat dari pola fluktuasi gaya yang dihasilkan masing–masing jenis foil. Pola setiap hasil eksperimen cenderung membentuk sinusoidal, dengan fluktuasi terjadi pada beberapa azimuth. Pemakaian tipe fixed pitch menghasilkan pola fluktuasi Fx, Fy, dan torsi yang periodik. Dalam satu rotasi turbin terdapat tiga periode fluktuasi yang harmonik. Satu periode fluktuasi terjadi dalam posisi dengan interval 180 . Jumlah foil yang digunakan dalam penelitian ini adalah tiga foil dan memberikan jarak antar foil sebesar 120 . Dengan demikian dapat dikatakan bahwa periodisasi pola fluktuasi pada turbin vertikal aksis berkolerasi terhadap jarak antar foil yang digunakan dalam turbin vertikal aksis. Efek perubahan kecepatan ( variasi kecepatan ) dengan u = 0,5 m/s, u = 0,6 m/s, u = 1,4 m/s, dan u = 2 m/s memberikan dampak pada perolehan nilai Rpm ( rotation per minute ). Dimana hubungan antara nilai Rpm dan kecepatan memiliki nilai yang sebanding dengan perubahannya. Hal ini dibuktikan dari hasil eksperimen yang didapatkan bahwa semakin besar nilai kecepatan aliran fluida maka akan semakin besar pula rpm yang dihasilkan. Dari grafik terlihat bahwa pada kecepatan 2 m/s putaran dari masing – masing jenis foil relatif lebih banyak bila dibandingkan dengan kecepatan aliran yang lebih rendah. Efek perubahan panjang chord pada foil yakni 7 cm dan 5 cm sangat mempengaruhi performansi dari turbin itu sendiri. Hal ini dapat dilihat dalam grafik 4.3 dan 4.4 dimana gaya resultan yang dihasilkan oleh NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm lebih besar dibandingkan dengan gaya resultan yang dihasilkan oleh NACA 0015 dengan panjang chord 5 cm. Hal ini dapat dikarenakan oleh luasan masing–masing foil
10
5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil penelitian kesimpulan :
[5] ini
didapatkan
beberapa
[6] [7]
1.
2.
3.
4.
Pemakaian tipe fixed – pitch menghasilkan pola fluktuasi Fx, Fy, dan torsi yang periodik. Satu periode putaran terjadi fluktuasi yang harmonik pada azimuth 0 –180 . Pada azimuth 230 , 280 , dan 300 terjadi fluktuasi yang disebabkan oleh aliran yang telah melewati benda yakni foil dan shaft. Pemakaian foil NACA 0015 dan NACA 4415 tidak memeberikan perbedaan pola fluktuasi. Kedua foil tersebut dapat memberikan pola fluktuasi yang sama. Seperti didapatkannya nilai Fres pada sudut 100 yang relatif sama Fres = 97,52 N Dari hasil pengujian dapat disampaikan bahwa pemilihan penggunaan jenis airfoil dapat ditentukan dari karakteristik aliran sungai. Pada kecepatan aliran 2 m/s foil jenis NACA 4415 chord 7 cm memiliki nilai rpm =127 rev/min sedangkan NACA 0015 hanya memiliki rpm = 113 rev/min. Berbeda pada kecepatan 0,5 m/s dimana NACA 0015 memberikan performansi yang lebih baik dibandingkan NACA 4415. Panjang chord sangat mempengaruhi performansi dari turbin vertikal arus sungai. Panjang chord 7 cm memberikan performansi yang lebih baik dibandingkan dengan panjang chord 5 cm. Dimana NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm memiliki nilai rpm = 117 rev/min pada kecepatan aliran 2 m/s sedangkan NACA 0015 dengan panjang chord 5 cm memiliki rpm = 90 rev/min.
[8]
[9]
[10]
[11] [12]
BIODATA Nama : Akhmad S. Setiaji TTL : Bekasi / 20 Mei 1989 Alamat : - Keputih gg 1D – 60A -
[email protected] Moto : Hidup adalah perjuangan
Pendidikan : SDN Taman Kopo Indah II (1995-2001) SMP Darul Hikam (2001-2004) SMAT Krida Nusantara (2004-2007) Teknik Fisika FTI-ITS (2007- sekarang)
5.2 Saran Setelah dilakukan penelitian mengenai turbin vertikal arus sungai ini, penulis dapat memberikan saran : 1.
2.
Perlu dilakukan studi elektrik untuk pengembangan turbin vertikal arus sungai guna dapat dimanfaatkan oleh masyarakat umum. Dalam pengembangan turbin vertikal arus sungai perlu dilakukan optiamlisasi performansi.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3] [4]
Munson, Okiishi, “Fundamentals of Fluid Mechanics (5th edition)”, 2006, Iowa, USA. Tuakia, F., “Dasar – dasar CFD menggunakan fluent”, Informatika, 2008, Bandung. Utama, IKAP, Hantoro, R., “Modul Computational Dynamic Fluid”, ITS, 2011, Surabaya. Paraschivoiu, I., “Wind Turbine Design with Emphasis on Darrieus Concept”, Polythecnic International Press, 2002, Montreal. Sihombing, E. S., “Pengujian sudu lengkung prototipe turbin air terapung pada aliran sungai” Universitas Sumatera Utara, 2009, Medan. Jacobs E. N., Ward K. E., Pinkerton R. M., “The characteristics of 78 related airfoil sections from tests in the variable-density wind tunne”, 1933, NACA Report No. 460. Tipler, “ Fisika untuk Sains dan Teknik”, Airlangga, 1998, Jakarta, Indonesia. Sheldahl, R. E. and Klimas, P. C., “Aerodynamic Characteristics of Seven Airfoil Sections Through 180 Degrees Angle of Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines”, SAND80-2114, 1981,Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico.
Manwell J.F., Mcgowan J.G., Rogers A.L., “ Wind energy explained (2nd Edition)”, Wiley, 2009, Great Britain. Islam, M., Ting D., Fartaj, A., “Aerodynamic models for Darrieus – type straight – bladed vertical axis wind turbines”, University of Windsor, 2006, Canada. Horvath, James, “ Modelling the NACA 4-digit series” Anderson, John, D. Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill, 2001, New York
11
LAMPIRAN Start
Studi literatur
Penentuan lokasi eksperimen turbin arus sungai sumbu vertikal
Menentukan Geometri Turbin arus sungai
Fabrikasi Turbin arus sungai vertikal aksis
Simulasi turbin arus sungai sumbu vertikal dengan menggunakan CFD
Pengujian alat dan pengambilan data
Pengambilan data berupa Fl, Fd, Cl, Cd
Tidak
Hasil Ya Analisa Data
Kesimpulan
Penyusunan Laporan
Selesai
Gambar 3.1
Gambar 3.2
12
Gambar 3.12
13
