BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka (Chen, J., et al., 2013) meneliti tentang Vertical Axis Water Turbine (VAWT) yang diaplikasikan untuk menggerakkan Power Generation untuk aliran air dalam pipa. Tujuannya adalah menyediakan pasokan listrik untuk dialirkan ke monitor sebagai sensor dalam upaya mengontrol kebocoran pipa air dan meningkatkan manajemen pasokan air sehingga dapat menyediakan air bersih untuk warga. Terdapat 3 generasi dalam melakukan eksperimen ini. Generasi pertama, membandingkan antara Drag-type Turbine dan Lift-type Turbine yang diaplikasikan pada sebuah VAWT baik dengan simulasi menggunakan CFD software maupun dengan eksperimen. Hasilnya menunjukkan Drag-type Turbine lebih baik dari pada Lift-type Turbine. Generasi kedua, merupakan penyempurnaan dari generasi pertama yang lebih memfokuskan pada sistem bloking. Terdapat 4 tipe sistem bloking yang didesain untuk solid drag-type turbine. Vertical block merupakan blocking system pertama yang dibuat yang dapat langsung dimasukkan kedalam pipa memalui T-Joint. Blocking system yang kedua adalah a long slanted block, disusul kemudian a short slanted block dan yang terakhir adalah a slanted with eye shaped opening. Dan hasil kesimpulannya adalah blocking system dengan eye shaped opening menghasilkan daya yang maksimal. Generasi ketiga, mengembangkan sebuah drag-type turbine dengan bentuk hollow. Daya listrik yang dihasilkan jauh lebih baik dari generasi pertama maupun generasi kedua. Adapun power output maksimal yang dihasilkan adalah 88,2 Watt dengan kecepatan aliran 1,5 m/s dan penurunan tekanan kurang dari 5 m. (Takagi, M., et al., 2014) melakukan eksperiment dengan membandingkan efektifitas dan efisiensi pembangkit listrik yang mengunakan 3D printing berbahan Resin ABS dengan logam. penelitian perancangan tersebut menggunakan teknologi pembangkit listrik pelton mikrohidro yang mempunyai dimensi 470 x 400 x 430 mm. Penelitian dilakukan dengan menggunakan 20 buah bucket yang di tumbuk
dengan aliran maksimum 8 – 10 L/s. dari hasil penelitian yang dilakukan dengan laju aliran ditingkatkan sampai maksimal 10 L/s, didapatkan hasil daya dari masing masing bahan kurang lebih sama yaitu 257 W dan 260 W untuk bucket Resin ABS dan Logam.
Gambar 2. 1 Hubungan laju aliran terhadap power yang dihasilkan.
(Ahmed, M.R., et al., 2013) meneliti tentang blade curvature pada Savonius rotor yang diaplikasikan dalam sebuah wave channel untuk mencari berapa sudut kelengkungan sudu (blade curvature) yang paling optimal. Variasi yang dijadikan bahan penelitian adalah 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° dan 90°. Beberapa variasi sudut kelengkungan tersebut kemudian dihasilkan sebuah data berupa rpm. Data-data rpm tersebut dibandingkan dengan nilai rpm minimum pada salah satu variasi dari sudut kelengkungan. Hasilnya adalah pada sudut kelengkungan 70° menghasilkan nilai dari rpm maksimal yaitu 1,3. Pada sudut kelengkungan 90° dikatakan bahwa rotor tidak sepenuhnya berputar meskipun dengan frekuensi yang lebih tinggi. Hal ini diakibatkan karena tekanan tidak mengurangi putaran selama energi masih mengorbit pada rotor. (Napitupulu, F.H. and Mauritz, F., 2013) melakukan penelitian tentang uji eksperimental dan analisis pengaruh variasi kecepatan dan jumlah sudu terhadap daya dan putaran turbin angin vertikal axis savonius dengan menggunakan sudu pengarah. Napitupulu, dkk Bertujuan untuk menguji karakteristik turbin terhadap jumlah sudu dan kecepatan angin. Pada penelitian ini variasi jumlah sudu rotor adalah 2, 4 dan 8, adapun kecepatan angin yang digunakan yaitu 2,32 m/s, 3,61 m/s,
4,6 m/s, 5,53 m/s, 6,58 m/s, dan 7,61 m/s. Pengujian dibebankan pada lampu 10 Watt dan 20 Watt. Dari hasil penelitian diperoleh kesimpulan bahwa hasil sudu paling efektif pada putaran dan daya sebesar 62,67 rpm dan 35,96 Watt pada kecepatan angin 7,61 m/s dengan jumlah sudu 8. Sedangkan hasil terendah ialah 0,06 Watt pada jumlah sudu 2 dan kecepatan angin 2,32 m/s. (ŽIdonis, A., et al., 2015) melakukan optimalisasi dan mengembangkan turbin pelton dengan simulasi computational fluid dinamics (CFD). Analisa desain dan model yang dapat mempengaruhi kinerja turbin, dengan mengurangi atau meningkatkan fenomena yang berbeda yaitu (a) Bucket Length to Width Ratio (L/W), (b) Bucket Depth to Width Ratio (H/W),(c) Bucket Exit Angle, (d) Splitters Inlet Angle, Splitter Level, (e) Splitter Tip Angle, (f) Splitter Tip Geometry, (g) Backside of The Splitter, (h) Inclination Angle, (i) Radial Position, (j) Number of Buckets.
Gambar 2. 2 Parameter Desain
Simulasi pada desain Bucket Depth to Width Ratio (H/W) dan bucket exit angle dilakukan dengan 2 variasi, variasi pertama menggunakan kecepatan 12 rpm dan variasi kedua menggunakan 26.8 rpm. Pada Bucket Depth to Width Ratio
kedalaman memiliki pengaruh 1% namun efisiensi yang diamati tergantung pada desain.
Grafik 2. 1 Perbandingan 2 case bucket depth to width ratio (H/W)
Grafik 2. 2 Perbandingan 2 case bucket exit angle
2.2. Dasar Teori 2.2.2. Turbin Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA), turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Sejarah tentang turbin air memiliki perkembangan pada beberapa periode. Salah satunya dengan bentuk yang tertua dan paling sederhana adalah kincir air, pertama kali digunakan di Yunani kuno dan kemudian diadopsi di seluruh eropa pada abad pertengahan untuk menggerinda gandum. Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
2.2.1.1.
Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh
energi air (terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran airyang keluar dari nozle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton.
Gambar 2. 3 Skema turbine hydro electric jenis Pelton (Dixon, S.L. and Hall, C., 2013) 2.2.1.2.
Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi
air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian
turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.
[a]
[b] Gambar 2. 4 [a] Francis rotor hydro electric turbine [b] Skema aliran pada Francis turbine (Dixon, S.L. and Hall, C., 2013) 2.2.3. Jenis-Jenis Turbin Air 2.2.2.1. Turbin crossflow Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin impuls. Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.
Gambar 2. 5 Turbin Crossflow 2.2.2.2.
Turbin turgo Turbin Turgo adalah turbin yang dapat beroperasi pada head 30 s/d 300
m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi memiliki sudu yang berbeda. Sudu pada turbin Turgo memiliki kemiringan sebesar 20°, turbin Turgo memanfaatkan Pancaran air dari nozzel yang membentur sudu turbin. Kecepatan putar turbin Turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
Gambar 2. 6 Turbin Turgo 2.2.2.3.
Turbin francis Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial.
Gambar 2. 7 Turbin Francis Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam dalam air. Air yang masuk kedalam turbin dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral. Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarah dapat dilakukan manual atau dengan menggunakan tekanan oli, dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan rendah (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. 2.2.2.4.
Turbin kaplan propeller Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis propeller.
Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur (adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin
kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar. Pada perancangan turbin Kaplan ini meliputi perancangan komponen utama turbin Kaplan yaitu sudu gerak (runner), sudu pengarah (guide vane), spiral casing , draft tube dan mekanisme pengaturan sudut bilah sudu gerak.
Gambar 2. 8 Turbin Kaplan Propeler Pemilihan profil sudu gerak dan sudu pengarah yang tepat untuk mengasilkan torsi yang besar. Perancangan spiral casing dan draft tube menggunakan persamaan empiris. Perancangan mekanisme pengatur sudut bilah (β) sudu gerak dengan memperkirakan besar sudut putar maksimum sudu gerak berdasarkan jumlah sudu, debit air maksimum dan minimum. Turbin Kaplan ini dirancang untuk kondisi head 4 m dan debit 5 m³/s. Akhirnya dari hasil perancangan turbin Kaplan ini didapatkan dimensi dari komponen utama turbin yang diwujudkan ke dalam bentuk gambar kerja dua dimensi. 2.2.2.5.
Turbin Pelton Turbin Pelton termasuk jenis turbin impuls yang merubah seluruh
energi air menjadi energi kecepatan sebelum memasuki runner turbin. Perubahan energi ini dilakukan didalam nozzle dimana air yang semula mempunyai energi potensial yang tinggi diubah menjadi energi kinetis. Pancaran air yang keluar dari nozzle akan menumbuk bucket yang dipasang tetap sekeliling runner dan garis pusat pancaran air menyinggung lingkaran dari pusat bucket.
Gambar 2. 9 Turbin Pelton Kecepatan keliling dari bucket akibat tumbukan yang terjadi tergantung dari jumlah dan ukuran pancaran serta kecepatannya. Kecepatan pancaran tergantung dari tinggi air di atas nozzlenya serta effisiensinya. 2.2.4. Pemilihan Turbin Air Turbin memiliki performa masing – masing untuk menghasilkan energi. Seperti halnya turbin jenis impuls, yang mempunyai efisiensi maksimum pada head yang tinggi dengan laju aliran volume yang relatif rendah. Sebaliknya dengan turbin reaksi, dimana efisiensi maksimal terdapat pada laju aliran volume yang besar dan Head yang tidak terlalu tinggi. Pemilihan turbin dapat dilakukan dengan mengacu pada aliran rata – rata dan head air yang digunakan. Seperti pada gambar 2.7, pemilihan jenis turbin dalam bentuk grafik.
Gambar 2. 10 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan Head dan laju aliran volume. (Dixon, S.L. and Hall, C., 2013)
Grafik diatas menunjukkan sebuah hasil plot dari perbandingan antara Debit (Q) dan ketinggian Head (H) dengan garis-garis konstan yang menunjukkan sebuah ketentuan daya listrik yang diasumsikan mempunyai efisiensi (𝜂𝑜 = 0,8). Turbin Pelton membutuhkan head yang paling tinggi supaya mendapatkan efisiensi yang maksimal. Sebuah turbin Pelton tipe standart saja membutuhkan ketinggian head berkisar 300 – 500 meter dengan laju aliran volume yang relatif kecil. Berbeda dengan turbin Kaplan yang hanya membutuhkan ketinggian 2 meter saja sudah mampu membangkitkan daya listrik. Dengan ketinggian 2 meter, sebenarnya turbin Kaplan sangat cocok digunakan sebagai bahan penelitian ini. Namun, pemasangan rotor turbin yang mengharuskan berada dalam pipa mempersulitkan dalam proses instalasi. Sebuah penelitian dari (Chen, J., et al., 2013) menerapkan sebuah Drag-type turbine yang diinstalasi didalam pipa saluran air mendatar. Pada penelitiannya mampu menghasilkan power maksimal 88.2 Watt dengan kecepatan aliran air 1.5 m/s.
Gambar 2. 11 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen, J., et al., 2013) 2.2.5. Aerodinamika Turbin Dalam ilmu fisika, gaya adalah interaksi apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami perubahan gerak, baik dalam bentuk arah, maupun kontruksi geometrisnya. Gaya dapat menyebabkan sebuah objek dengan massa tertentu mengubah kecepatanya (termasuk untuk bergerak dari keadaan diam menjadi bergerak), atau berakselerasi. Dalam prinsip ilmu aerodinamika turbin memiliki dua buah jenis gaya yang dapat diaplikasikan yaitu gaya drag dan gaya lift. Gaya drag adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas) dimana gaya tersebut mempunyai arah yang sejajar dengan sumbu kecepatan aliran terhadap luas penampang dari suatu benda yang berlawanan
dengan arah aliran tersebut. Gaya lift adalah gaya yang disebabkan oleh efek bernaouli yang menyatakan “semakin cepat fluida yang bergerak maka semakin kecil tekanannya” Artinya kecepatan udara pada permukaan bagian atas lebih cepat dibanding kecepatan udara pada permukaan bagian bawah. Kecepatan yang lebih cepat membuat tekanannya lebih kecil dari pada tekanan udara yang melewati permukaan bagian bawah. Karena perbedaan tekanan inilah maka timbul gaya angkat (Lift) pada objek yang bergerak. Dalam pengkajian turbin angin, istilah Drag-type turbine adalah sebutan lain dari Savonius rotor turbine. Ada 2 jenis tipe turbin angin modern. Pertama, turbin dengan tipe drag dimana memanfaatkan gaya drag untuk menggerakkan rotor. Turbin angin yang termasuk jenis tipe drag adalah Savonius rotor. Kedua, turbin dengan tipe Lift dimana mengandalkan gaya Lift untuk menggerakkan rotor. Turbin angin yang termasuk jenis Lift turbine adalah Darius rotor. Walaupun Savonius rotor turbine adalah salah satu jenis dari turbin angin, namun ternyata perkembangannya banyak diterapkan juga pada turbin air. Bahkan, Savonius hydraulic turbine menghasilkan power output yang lebih baik dibandingkan dengan Savonius wind turbine. Sebuah penelitian yang dilakukan oleh (Sarma, N., et al., 2014) dengan mengevaluasi performa Savonius hydrokinetic turbine yang dibandingkan dengan Savonius wind turbine baik secara eksperimental maupun computational. Sebuah skema perbandingan antara Savonius water turbine dan Savonius wind turbine diperlihatkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 2. 12 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius wind turbine (Sarma, N., et al., 2014)
Dengan input power yang sama, Savonius water turbine dan Savonius wind turbine dibandingkan. Didapatkan hasil power yang di ekstraksi oleh turbin pada Savonius water turbine lebih baik dibandingkan dengan Savonius wind turbine. Suatu skema yang disajikan sebagai perbandingan antara blade curvature dengan non-dimensioned rpm dari hasil penelitian yang dilakukan oleh (Ahmed, M.R., et al., 2013) diperlihatkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 2. 13 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu (Ahmed, M.R., et al., 2013) Beberapa variasi sudut kelengkungan sudu pada Savonius turbine menghasilkan suatu trend dimana pada keadaan tertentu kecepatan putar akan mencapai maksimal kemudian apabila ditambah lagi sudut kelengkungannya, performanya akan menurun. 2.2.6. Tip speed ratio (TSR) Tip speed ratio merupakan faktor utama dalam pengujian turbin Savonius. Tip speed ratio didefinisikan sebagai rasio dari tangential speed pada blade tip dengan kecepatan aktual fluida. 𝑇𝑆𝑅 =
0,5 𝜔𝐷 𝑈
(2. 1)
Dengan 𝜔 adalah kecepatan angular blade, 𝐷; diameter rotor dan 𝑈; kecepatan aktual fluida.
2.2.7. Coefficient of Power (Cp) Coefisien power didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktual yang dihasilkan oleh sudu rotor dengan daya yang bekerja pada fluida. 𝐶𝑝 =
𝑃𝑜 𝑃𝑖
(2. 2)
Dimana; 𝑃𝑜 adalah daya yang keluar karena kinerja sudu turbin. Persamaan yang digunakan adalah: 𝑃𝑜 = 𝑣. 𝑖
(2. 3)
Sedangkan 𝑃𝑖 adalah daya aliran fluida yang mengenai turbin, 𝑃𝑖 = 𝜌. 𝑔. 𝐻. 𝑄𝑓
(2. 4)
2.2.8. Non-dimensioned rpm Dalam sebuah kajian dari (Ahmed, M.R., et al., 2013) dijelaskan bahwa non-dimensioned rpm merupakan perbandingan antara rpm pada tiap-tiap variasi sudut kelengkungan sudu dengan rpm yang terkecil.
