JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Analisa Pengaruh Perubahan Pitch Dan Chord Terhadap Efisiensi Gorlov Turbine Dengan Menggunakan CFD Remigius Yudhi DC, Ir. Agoes Santoso, M. Sc., M. Phil, dan Irfan Syarif Arief, ST, MT Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: agoes@ its.ac.id,
[email protected]
Abstrak— Tidal Energi merupakan salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan. Banyak tidal energy konverter telah ditemukan dan dikembangkan dimana Gorlov turbine merupakan salah satunya. Gorlov turbine yang merupakan evolusi dari turbin Darrieus yang ditemukan oleh Alexander Gorlov, banyak eksperimen telah dilakukan mengenai turbin ini oleh banyak pihak untuk mengetahui kinerjanya. Pada penulisan tugas akhir ini akan membahas tentang analisa terhadap efisiensi Gorlov Turbine terhadap perubahan chord dari 7 inch berdasarkan eksperimen Gorlov dan dirubah menjadi 10 inch berdasarkan kecepatan aliran yang semula 1.5 m/s dirubah menjadi 2m/s, dengan variasi pitch 88.38 0, 87.580, dan 86.770 pada kedalaman sekitar 8m di bawah permukaan laut. Analisa menggunakan metode Computational Fluids Dynamics (CFD).
Kata Kunci— Efisiensi, Pitch, Diameter, Gorlov Turbine, CFD.
I. PENDAHULUAN emakin berkembangnya zaman kebutuhan energy akan semakin menigkat. Saat ini energi fosil (bensin, solar, minyak tanah dsb) merupakan bentuk energy yang paling banyak konsumsi terbesar dari sumber – sumber energy lain yang ada. Tetapi fosil energy termasuk sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui dimana pembentukannya dibutuhkan waktu puluhan bahkan ratusan tahun untuk pembetukannya. Sekarang ini banyak sumber energi alternatif ditemukan, diteliti dan dikembangkan guna mengurangi konsumsi energi fosil yang sudah menipis diantaranya adalah sebagai berikut : biofuel, panas bumi (geothermal energy), energi ombak (wave energy) dan energi tidal (tidal energy). Indonesia merupakan negara kepulauan yang sebagian besar wilayahnya adalah air, dimana memiliki potensi dalam mengembangkan tidal energy dan wave energy .Pengkonversian kedua energi ini dapat dilakukan dengan beberapa alat seperti ; bandul, turbin, piston dll. Pada penulisan ini akan membahas tidal energi dimana dalam konversi energinya menggunakan gorlov turbine. Pemilihan gorlov turbine sebagai bahan penulisan dikarenakan gorlov
S
turbine memiiki efisiensi yang tinggi sebesar 35% menurut Gorlov 1998 dalam eksperimennya.
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian umum tentang energi tidal Energi tidal merupakan energy yang dihasilkan dari pasang surutnya air laut (tides) dan dikonvensi menjadi energy listrik. Arus laut terjadi karena pengaruh gravitasi dari bulan dan matahari, sehingga menimbulkan pasang surut air laut sesuai dengan pergerakan bulan berevolusi terhadap bumi. Energi tidal memiliki kelebihan dan kekurangan tidal energy, antara lain adalah sebagai berikut[10] : Kelebihan : 1. Energy density dari tidal stream 4 kali lebih besar daripada udara, sehingga rotor dapat dibuat lebih kecil dan murah . 2. No emission, tidak meghasilkan gas buang seperti pada mesin yang menggunakan fossil fuel energy, sehingga tidak menimbulkan polusi (green energy). 3. Predictable, tide yang merupakan sumber utama dari tidal energy, sangatlah mungkin diprediksi. Didukung fakta bahwa pelaut/nelayan sering memprediksikan pasang surut air laut sebelum berlayar. 4. Renewable energy, dimana arus laut selalu ada yang merupakan akibat dari pengaruh gaya gravitasi dari matahari dan bulan. Kekurangan : 1. High capital cost, biaya pembuatan yang tidal power plant yang tinggi. 2. Tidak dapat disesuaikan dengan pemintaan energy, walaupun tide dapat diprediksikan. 3. Memerlukan energy bank untuk menyimpan tidal energy yang dihasilkan karena bersifat fluktuatif. 4. Dampak ekosistem
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
2.2 Gorlov Turbine Merupakan turbin yang diperkenalkan oleh Professor Alexander M. Gorlov dari Northeastern University, yang dipatenkan pada September 1995 sebagai bentuk dari perkembangan Turbin Darrieus, dengan mengubah helical pitch dari blade.
2
Merupakan gaya hambat yang dikarenakan gesekan disepanjang permukaan obyek yang dikenai fluida dimana arahnya berlawanan dengan arah gerak obyek. Dimana drag umumnya dibagi menjadi 3[9] yaitu : 1. Parasitic drag 2. Lift induced drag 3. Wave drag Parasitic drag merupakan drag yang terdiri dari form drag, skindrag dan interference drag, dimana berperan dominant dibandingkan dengan lift.
Gambar2.3. Iustrasi Lift dan drag[8] (sumber : http://code7700.com/angle_of_attack.html ) Gambar 2.1. Gorlov Turbine[3] (sumber : Development of Helical Reaction Hydraulic Turbine.pdf )
Keuntungan Gorlov turbine [3]. 1. Efisiensi tinggi 2. Tidak timbul kavitasi pada rpm yang tinggi 3. Self-starting pada aliran air/angin yang pelan. 4. Rotasi yang searah pada reversible fluid current
2.3 NACA Airfoil NACA airfoil merupakan foil yang diciptakan untuk pesawat terbang oleh National Advisory Committee for Aeronautics(NACA). Tipe dari NACA airfoil ditentukan oleh urutan angka yang berada di belakang kata "NACA". Setiap tipe memiliki kode dan persamaan yang berbeda, yang dapat digunakan untuk menentukan titik-titik kordinat dari foil.
Lift induced drag merupakan drag dimana lift berperan dominant daripada drag dan relevan terhadap sayap pesawat. Wave drag merupakan drag yang terjadi saat benda bergerak mendekati kecepatan suara
2.5 Efisiensi turbin Secara umum efisiensi dari Gorlov turbine merupakan perbandingan dari power turbin dengan power fluida yang melewatinya, dimana dirumuskan sebagai berikut [3]:
Dimana : = efisiensi turbin Pt = Power turbin Pw = Daya air yang mengalir terhadap cross sectional area
2.6 Computational Fluids Dynamics (CFD)
Gambar 2.2. NACA Airfoil Geometrical Construction[5] (sumber : NACA Airfoil Series.pdf )
Beberapa tipe NACA Airfoil[6] 1. NACA four digit series 2. NACA five digit series 3. NACA modified four digit series
Computational Fluids Dynamics (CFD) merupakan modelling yang secara umum digunakan untuk menyelesaikan permasalahan yang berhubungan dengan aliran fluida. CFD digunakan untuk perhitungan yang dibutuhkan untuk mensimulasikan interaksi fluida dengan permukaan benda (boundary condition). Pada proses simulasi, terdapat tiga tahap yang harus dilakukan yaitu : pre-processing, solving dan post-processing.
3 METODOLOGI 2.4 Drag Force
Metodologi penelitian merupakan tahap – tahap pengerjaan dari suatu penelitian ataupun analisa, dimana
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3
disajikan dalam bentuk bagan untuk mempermudah proses pemahaman dari pembaca. Secara lengkap metodologi tugas akhir ini dapat dilihat dari bagan di bawah ini :
Gambar 4.2 Grafikefisiensi vs angle of attack chprd 10 inch V=2 m/s
Gambar 4.3 Grafik efisiensi vs pitch chord 10 inch V=1.5 m/s
4 HASIL ANALISA Setelah melakukan proses simulasi dengan CFD , didapatkan data – data yang kemudian dipakai untuk perhitungan efisiensi turbin. Dari perhitungan efisiensi turbin dihubungkan pengaruh antara chord, pitch dan disajikan dalam bentuk grafik seperti gambar di bawah ini.
Gambar 4.1 Grafik efisiensi vs pitch chord 10 inch V=2 m/s
Gambar 4.4 Grafik efisiensi vs angle of attack chprd 10 inch V=1.5 m/s
Gambar 4.5 Grafik efisiensi vs pitch chord 7 inch V=2 m/s
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3.
4.
Gambar 4.6 Grafik efisiensi vs angle of attack chprd 7 inch V=2 m/s
5.
6.
7.
Gambar 4.7 Grafik efisiensi vs pitch chord 7 inch V=1.5 m/s
8.
4
tetapi setelah melewati nilai 26.05 efisiensi turbin mulai turun. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 1.5 m/s, dimana nilai pitch blade berbanding terbalik dengan efisiensi turbin. Efisiensi turbin mulai turun mulai dari nilai pitch blade 86.77 sampai 88.38. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 1.5 m/s, dimana nilai sudut serang blade berbanding terbalik dengan efisiensi turbin. Efisiensi turbin mulai turun mulai dari nilai sudut serang blade 25.91 sampai 26.24. Pada turbin dengan chord 7 inch pada saat kecepatan aliran 2m/s, dimana saat nilai pitch blade naik mulai 86.77 dan mencapai 87.58 efisiensi turbin naik tetapi setelah melewati nilai 87.58 efisiensi turbin mulai turun. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 2m/s, dimana saat nilai sudut serang blade naik mulai 25.91 dan mencapai 26.05 efisiensi turbin naik tetapi setelah melewati nilai 26.05 efisiensi turbin mulai turun. Pada turbin dengan chord 7 inch pada saat kecepatan aliran 1.5 m/s, dimana nilai pitch blade berbanding terbalik dengan efisiensi turbin. Efisiensi turbin mulai turun mulai dari nilai pitch blade 86.77 sampai 88.38. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 1.5 m/s, dimana nilai sudut serang blade berbanding terbalik dengan efisiensi turbin. Efisiensi turbin mulai turun mulai dari sudut serang blade 25.91 sampai 26.24.
9. Efisiens tertinggi didapat pada turbin dengan chord 10 inch dan pitch 74.5 sebesar 28.56% pada ecepatan aliran 1.5 m/s pada flowtime 900s dan time step 90. 10. Efisiens terendah didapat pada turbin dengan chord 7 inch dan pitch 74.5 sebesar 20.03% pada ecepatan aliran 2 m/s pada flowtime 900s dan time step 90. Daftar Pustaka Gambar 4.8 Grafik efisiensi vs angle of attack chprd 7 inch V=1.5 m/s
5 KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisa data yang telah dilakukan, maka penulis dapat menarik beberapa kesimpulan yaitu : 1. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 2m/s, dimana saat nilai pitch blade naik mulai 86.77 dan mencapai 87.58 efisiensi turbin naik tetapi setelah melewati nilai 87.58 efisiensi turbin mulai turun. 2. Pada turbin dengan chord 10 inch pada saat kecepatan aliran 2m/s, dimana saat nilai sudut serang blade naik mulai 25.91 dan mencapai 26.05 efisiensi turbin naik
[1]. Anderson, J. 2010. Design and Manufacture of a CrossFlow Helical Tidal Turbine, Project report. [pdf]. (http://depts.washington.edu/nnmrec/docs/20110615_ME 495_report_Micropower.pdf, diakses tanggal 09 Juni 2014) [2]. Fluent Inc. 2003. FLUENT 6.1 User's Guide. [pdf], (cdlab2.fluid.tuwien.ac.at/LEHRE/TURB/Fluent.Inc/v140/ flu_ug.pdf, diakses tanggal 15 Juni 2014) [3]. Gorlov, Alexander. 1998. DEVELOPMENT OF THE HELICAL REACTION HYDRAULIC TURBINE. Final Technical Report. [pdf], (http://www.osti.gov/scitech/biblio/666280, diakses tanggal 15 Juni 2014) [4]. Gorlov, Alexander. 2010. Helical Turbine and Fish Safety.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) [pdf].(http://www.mainetidalpower.com/files/gorlovrevise d.pdf, diakses tanggal 10 Juni 2014) [5]. NACA Airfoil series. [pdf] (http://people.clarkson.edu/~pmarzocc/AE429/The%20N ACA%20airfoil%20series.pdf, diakses tanggal 15 Juni 2014) [6]. N, Eastman., Jacobs., Ward, K.E., Pinkerton, R.M. 2012, The Characteristics Of Related Airfoil Sections From Tests In The Variable Density Wind Tunnel, Report 468, [pdf], (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/199 30091108.pdf, diakses tanggal 2 Februari 2014) [7] N, Eastman., Jacobs., Ward, K.E., Pinkerton, R.M. 2012, NACA FOUR DIGIT AIRFOIL SECTION GENERATION USING CUBIC PARAMETRIC CURVE SEGMENTS AND THE GOLDEN SECTION, Thesis, [pdf], (https://ritdml.rit.edu/bitstream/handle/1850/11033/WSca rbroughThesis04-28-1992.pdf, diakses tanggal 2 Februari 2014) [8] http://code7700.com/angle_of_attack.html, diakses tanggal 16 Juni 2014 [9]. http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_%28physics%29, diakses tanggal 16 Juni 2014 [10].http://www.greenworldinvestor.com/2011/03/15/advantag es-and-disadvantages-of-tidal-energy/, diakses tanggal 12 Juni 2014
5
