STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI TURBIN ARUS AIR TIPE VERTIKAL AKSIS DENGAN VARIASI JUMLAH BLADE DAN EFEK ASPECT RATIO M Hishom Ariadi Dr. Gunawan Nugroho Dr. Ridho Hantoro ST.,MT. Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2011
Abstrak Saat ini penggunaan energi yang paling banyak digunakan di dunia adalah sumber energi fosil. Penggunaan energi tersebut secara terus menerus yang mengarah pada krisis energi membuat banyak orang untuk mencari sumber energi alternatif. Salah satu sumber energi yang saat ini sedang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih lanjut tentangnya. Massa jenis air yang hampir 1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin semakin besar. Untuk mendapatkan performa terbaik dari turbin perlu adanya studi lebih lanjut tentang jumlah blade dan efek pemanjangan span turbin. Jumlah blade dan panjang span yang diteliti kali ini adalah turbin dengan jumlah 3, 4, dan 5 blade serta dengan variasi span 30, 35, dan 40cm Dari variasi jumlah blade dan panjang span didapatkan flutuasi gaya yang dihasilkan oleh turbin yang mempunyai blade yang lebih banyak menghasilkan fluktuasi yang lebih besar. Sedangkan untuk ripple torsi yang dihasilkan, turbin dengan jumlah blade 5 memiliki ripple yang lebih kecil jika dibandingkan dengan turbin yang mempunyai jumlah blade 3 dan 4,serta performansi terbesar turbin ini mencapai angka 287.39 dan efisiensi terbesar 54.6 %.
Kata kunci : turbin vertikal aksis, variasi blade, Aspect Ratio, fluktuasi gaya I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia adalah Negara kepulauan yang sebagian besar bagiannya adalah perairan. Dengan beredarnya isu tentang energy fosil yang semakin menipis, saat ini banyak yang sedang mencari energy alternative untuk menggantikan energy fosil tersebut. Disisi lain, energy alternative mempunyai efek yang lebih kecil daripada energy fosil. Salah satu contoh energy alternative adalah turbin arus air, dan saat ini yang sedang dikembangkan adalah turbin berjenis vertical aksis. Namun dari segi performasi, turbin vertical aksis memiliki kelemahan dari segi performansi. Oleh karena itu perlu adanya penelitian untuk mengembangkan performansi turbin, dan salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan variasi jumlah blade dan variasi panjang span o Beberapa penelitian yang telah dilakukan di luar negeri seperti cotohnya pada literatur [3] menyebutkan bahwa keuntungan dari adanya turbin air tipe darrieus adalah sebagai berikut:
Dengan orientasi putaran secara vertikal maka turbin ini secara langsung dapat memutar generator diatas air Pada model turbin arus laut, turbin ini tidak sensitive terhadap perubahan arus ysng terjadi Mempunysi biaya yang relatif rendah dibandingkan dengan pembuatan turbin turbin yang lainnya Blade berfungsi untuk menerima gaya dari aliran yang mengenainya, sehingga menyebabkan poros menjadi berputar. Hasil output yang dihasilkan dari sebuah turbin adalah kecepatan putar dan torsi pada poros utama. Hasil outputan baik torsi maupun kecepatan sangat berpengaruh pada proses untuk menghasilkan daya yang dihasilkan generator, sehingga perlu diadakan penelitian lebih lanjut mengenai hal ini Dalam beberapa literatur yang didapatkan, dijelaskan bahwasannya dengan memperpanjang lengan maka akan mengurangi RPM dan torsi yang dihasilkan.
Begitu pula dengan efek penambahan jumlah blade, dengan adanya variasi jumlah blade pada suatu turbin akan menambah nilai torsi dan RPMnya.Oleh karena itu, penelitian ini bermaksud untuk meneliti efek yang ditimbulkan dengan penambahan jumalah blade dan aspect ratio terhadap torsi dan RPM pada turbin arus air. 1.2 Rumusan Masalah Adapun permasalahan yang akan diteliti dalam pengerjaan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: Bagaimanakah fluktuasi gaya yang terjadi pada turbin air terhadap perubahan jumlah blade dan aspect ratio turbin Bagaimana Ripple Torque yang terjadi dengan adanya variasi tersebut 1.3 Tujuan Tujuan dari Penelitian ini adalah sebagai berikut
Mendapatkan fluktuasi gaya yang ditimbulkan akibat perubahan jumlah blade dan aspect ratio turbin Menganalisa efek torsi Ripple Torque yang ditimbulkan dengan adanya variasi tersebut
1.4 Batasan Masalah Adapun Pendekatan masalah yang digunakan untuk penelitian ini adalah sebagai berikut: Fluida yang mengalir melewati turbin adalah air Model blade yang digunakan pada turbin ini adalah airfoil dengan tipe NACA 0015 dengan panjang chord 7cm Variasi Aspect Ratio Turbin adalah dengan panjang span 30, 35,dan 40 cm Variasi Jumlah Blade sebanyak 3, 4, dan 5 buah Aliran yang digunakan untuk memutar turbin adalah antara 0.1 – 1 m/s
Simulasi dilakukan dengan menggunakan software CFD dan dalam kondisi steady state 3D
Airfoil yang bila dialiri udara dengan arah sejajar dengan tali busur (chord)nya, tidak bisa menghasilkan gaya angkat disebut juga airfoil simetris
1.5 Manfaat Adapun manfaat yang diharapkan penulis yaitu nantinya akan menambah pengetahuan tentang efek dari fluktuasi gaya yang terjadi dan mendapatkan torsi terbaik dengan adanya variasi panjang span dan aspect ratio turbin II LANDASAN TEORI 2.1 Karakteristik Aerodinamika Airfoil Airfoil adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi besrapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Berdasarkan standar data NACA, airfoil tersebut mempunyai data-data teknis dari tiap bentuknya, yang ditunjukkan oleh gambar berikut:
Gambar 2.2. Airfoil simetris
Airfoil simetris hanya akan menghasilkan gaya angkat bila aliran udara yang melewatinya (relative wind) membentuk sudut tajam dengan tali busur. Airfoil simetris biasa digunakan untuk horizontal stabilizer atau fin. Sedangkan airfoil yang tidak simetrisakan menghasilkan gaya angkat sekalipun arah aliran yang melewatinya sejajar dengan tali busur. Gaya angkat timbul karena adanya perbedaan tekanan udara antara atas dan bawah airfoil. Kecepatan fluida dibawah lebih kecil daripada dibagian atas airfoil., sehingga tekanan bawah lebih besar daripada tekanan atas.
Gambar 2.3. Airfoil Asimetris
Gambar 2.1. Nomenklatur Airfoil
Penampang melintang sebuah airfoil biasanya disebut penampang airfoil (airfoil section), sebuah pelat pipih yang diletakkan membentuk sudut lancip terhadap aliran udara sehingga menghasilkan gaya angkat (lift) juga disebut airfoil., tetapi airfoil yang tidak efisien. Airfoil yang efisien adalah airfoil yang penampangnya hamper seperti tetesan air. Berikut adalah bagian bagian dari airfoil:
Leading Edge, adalah bagian yang paling depan dari sebuah airfoil Trailing Edge, adalah bagian paling belakang dari sebuah airfoil. Chamber line, adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil Chord line, adalah garis yang menghubungkan antara leading edge dan trailing edge Chord, adalah jarak antara leading edge dan trailing edge Maximum chamber, adalah jarak maksimum antara mean chamber line dan chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge dalam bentuk persentase chord Maximum thickness, adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah yang diukur tegak lurus terhadap chord line
2.2 Sudut Serang (Angle of Attack) Sudut serang adalah sudut yang dibentuk oleh tali busur sebuah airfoildan arah aliran udara yang melewatinya (relative wind). Biasanya diberi tanda Untuk airfoil simetris, besar lift yang dihasilkan akan nol, bola sudut serang nol , sedang pada airfoil tidak simetris sekalipun, sudut serang nol tetapi gaya angkat tetap timbul. Gaya angkat menjadi nol bila airfoil tidak simetris membentuk sudut negative terhadap aliran udara. Sudut serang dimana gaya angkat = 0 ini disebut zero lift angle. Ada 2 jenis sudut serang yang terdapat pada airfoil yaitu: 1.
Sudut Serang Mutlak Sudut serang mutlak adalah sudut serang sebuah airfoil diukur dari kedudukan zero angle lift
Gambar 2.4. Sudut serang mutlak
2.
Sudut Serang Kritis Sudut serang kritis adalah sudut serang dimana gaya angkat yang dihasilkan akan mencapai maksimum, diatas sudut tersebut gaya angkat akan turun sedang hambatan udara (drag) akan
membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran turbulensi bertambah besar.
2.4 Vertikal Axis Turbine Ada banyak model VAT (Vertikal Axis Turbine) yang telah dibuat didunia ini.namun pada umumnya model dari VAWT dapat dibagi menjadi 3 jenis yaitu (1)Savonius Type, (2) Darrieus type, dan (3) H-Rotor Type. Berikut adalah klasifikasi model turbin air yang biasanya digunakan:
Gambar 2.5. Aliran udara pada sudut serang kecil dan besar
2.3 Turbin Arus Sungai Turbin arus sungai dapat disebut juga sebagai Hydropower.Hydropower merupakan energi yang menggunakan pergerakan air yang bergerak mempunyai energi yang cukup besar oleh karena itu dapat digunakan sebagai pembangkitan.Hydropower merupakan energi terbarukan. Dari proses yang terjadi di bumi ini air yang ada di bumi tidak pernah berkurang, namun terjadi siklus setiap saat. Proses yang terjadi di bumi yaitu diawali dengn pemanasan air di laut, danau, sungai oleh matahari sehingga menguap. Penguapan ini disebut dengan evaporasi. Air yang berubah menjadi uap air ini ditangkap oleh awan dan ketika ditampung oleh awan , uap air ini nantinya akan berubah menjadi butiran air kembali, dan pada akhirnya ketika awan sudah tidak sanggup menampung kembali butiran butiran yang sudah berkumpul tersebut akan dijatuhkan kembali ke bumi. Dan begitu pula seterusnya Contoh dari penggunaan turbin air dapat dilihat pada gambar berikut ini
Gambar 2.7 .klasifikasi turbin air
Dari diagram diatas, turbin air dibagi menjadi 3 bagian yaitu turbin tipe horizontal, cross flow turbin, dan vertical aksis turbin. Horizontal aksis turbin dibagi menjadi 2 yaitu straight axis dan inclined axis. Perbedaan dari kedua jenis turbin ini adalah dari poros turbin untuk pegangan bladenya. Straight axis turbin mempunyai poros yang sejajar dengan permukaan airnya, namun untuk inclined aksis turbin porosnya mempunyai sudut tertentu. Kemudian untuk straight axis dibagi lagi menjadi 2 bagian yaitu solid mooring dan buoyant mooring. Solid mooring dan buoyant mooring mempunyai perbedaan pada pondasi yang digunakan untuk pegangan turbin. Untuk solid mooring, pondasi turbin diletakkan di bawah air (tercelup) sehingga secara otomatis generatornya juga ikut tercelup. Sedangkan untuk buoyant mooring, pondasi dari turbin mengapung. Oleh karena itu dari buoyant mooring sendiri dibagi lagi menjadi 2 bagian yaitu noonsubmerged generator yang berarti generator berada di atas air (tidak menjadi satu dengan poros turbin) dan submerged generator (generator tercelup dengan turbin) Berikut adalah gambar model turbin dari horizontal aksis turbin
Gambar 2.6.Turbin air
Air dari sungai dibendung dan di antara air bendungan dan penstock terdapat gate (gerbang) yang digunakan untuk mengalirkan air ke turbin..penstock adalah pipa besar yang digunakan untuk mengalirnya air ke turbin sehingga nantinya turbin akan memutar generator untuk menghasilkan listrik.
Gambar 2.8 (a) inclined axis (b) rigid mooring (c) nonsubmerged generator (d) submerged generator
Croos flow turbin bekerja karena adanya aliran air yang melewati satu sisi turbin sehingga turbin dapat berputar. Berikut adalah gambar dari cross flow turbin
Jadi persamaan tersebut mempertimbangkan fungsi dari sudut azimuth . Rata rata gaya tangensial (Fta) pada 1 blade dapat dituliskan sebagai berikut
Total torsi (Q) dengan jumlah blade (N) dapat dituliskan (2.4) atau Gambar 2.9 Cross flow Turbin
(2.5)
Ada 3 bagian dalam turbin tipe cross flow ini yaitu distributor, runner, dan blades (blade) distributor berfungsi untuk mengarahkan aliran pada sisi turbin. Runner berfungsi sebagai poros dari turbin yang nantinya akan dihubungkan ke generator. Blades (blade) adalah bagian pada turbin yang berfungsi untuk menangkap energi dari fluida yang mengalir sehingga turbin dapat berputar.
Sedangkan untuk perhitungan total power output (P) pada turbin dapat dituliskan (2.6) 2.6 Gaya Hidrodinamika Sebuah partikel yang berada pada sebuah fluida mengalami gaya hidrodinamis. Untuk aliran dengan bilangan Reynolds yang rendah, gaya seret Stokes pada partikel berbentuk spheris dijelaskan dengan rumus: (2.7) Dimana d adalah diameter partikel, adalah koefisien kekentalan dan U adalah kecepatan relatif dari fluida (2.8)
Dari persamaan 7 tersebut, adalah massa jenis fluida, A adalah bagian menyilang daripada bentuk spheris. Dan
Gambar 2.10. Vertikal Axis turbin
(2.9) Turbin vertical aksis dibagi menjadi 5 bagian, yaitu SCdarrieus, H-darrieus, darrieus, gorlov, dan savonius turbin. Perbedaan dari kelima turbin ini yaitu model blade yang digunakan. Untuk turbin tipe SC-darrieus dan Hdarrieus mempunyai bentuk blade tegak. Turbin darrieus mempunyai blade yang ditekuk, blade turbin gorlov mempunyai bentuk memutar, dan untuk tipe savonius, model bladenya tegak dan ditekk sedikit.
Sedangkan pada benda yang terkena efek dari dinding pembatas, koefisien dragnya dapat dituliskan sebagai berikut (2.10) (2.11)
2.5 Perhitungan Total Torsidan Power Output VAT tipe Darrieus Untuk mengetahui rata rata gaya tangensial yang terjadi pada blade perlu diketahui terlebih dahulu gaya normal dan gaya tangensial pada blade tersebut
Untuk persamaan 9 yaitu digunakan untuk partikel yang bergerak mendekati dinding sedangkan persamaan 10 untuk aliran partikel yang gerakannya parallel terhadap dinding. (2.1)
2.2) Dimana adalah densitas fluida, C adalah chord dari airfoil yang digunakan, dan H adalah berat dari turbin Gambar 2.11. (a) aliran partikel yang mendekati didnding (b) partikel yang bergerak parallel terhadap dinding
αmaks n 2.7 Aspect ratio Aspect ratio merupakan rasio perbandingan antara tinggi turbin terhadap diameter turbin.Pada awalnya, rotor darrieus memiliki aspect ratio yang rendah.Hal ini bertujuan untuk mengurangi panjang blade dan volume central sehingga secara otomatis juga mengurangi area tersapu. Bagaimanapun juga, biaya untuk drive train menjadi sebesar 50% lebih rendah dari total harga mesin. Penambahan aspect ratio adalah cara lain untuk menambah ketinggin rotor dan untuk menangkap lebih banyak energi. Adapun aspect rasio yang digunakan selain pada rotor yaitu pada blade airfoil. Perhitungan blade aspect ratio dapat dihitung dengan cara sebagai berikut: (2.12) (2.13) (2.14) Dimana adalah rotor solidity, cr adalah rasio chord ke panjang dari blade, AR adalah aspect ratio blade, N adalah banyaknya blade, c adalah panjang chord, l adalah panjang blade, S merupakan area sapuan turbin, dan R adalah radius maksimum turbin. 2.8 TSR (Tip Speed Ratio) Tip speed ratio menentukan karakteristik keluaran dari daya dari kincir arus. Hal ini dapat dilihat dengan keluran daya yang sama, kincir arus yang mempunyai TSR yang besar akan menghasilkan torsi kecil sedangkan kincir arus dengan TSR yang kecil akan menghasilkan torsi yang besar. Dengan demikian dalam pemanfaatan energi yang dihasilkan oleh kincir arus, jenis beban yang hendak diberikan harus disesuaikan dengan karakteristik keluaran ini agar mencapai hasil yang maksimal.TSR (Tip Speed Ratio) merupakan perbandingan antara kecepatan tangensial di ujung rotor terhadap kecepatan angin. Perhitungan tip speed ratio dapat ditentukan dengan cara berikut: (2.15) Dengan: V v= F
= kecepatan fluida = Tip Speed Ratio = kecepatan tip rotor = kecepatan angular = frekuensi rotasi
Sedangkan nilai dari TSR maksimum dari sebuah turbin vertical adalah αmaks = 4π/n (2.16) dengan:
= TSR maksimum = jumlah blade turbin
Selanjutanya setelah didapatkan nilai tip speed ratio, maka dapat ditentukan nilai shaft speed dan torsi (2.17) (2.18) Dengan : = Tip Speed ratio = kecepatan angin dalam m/s = 3.14 D = diameter blade 2.9 Ripple Torque Ripple torsi merupakan fenomena dimana waktu yang bervariasi ketika ditransmisikan dalam tiap tiap komponen bergerak wind turbin terutama pada bagian loadnya. Efek ripple torsi pada Vertikal Axis Wind Turbin mengakibatkan berubahnya sudut serang antara fluida dengan blade. Hal lain yang mempunyai pengaruh pada ripple torsi adalah arah dan sudut angin, dinamika blade, blade stall dan kekenduran pada komponen gerak. Jika dibiarkan terus menerus, ripple torque ini dapat menyebabkan kelelahan pada komponennya (shaft, kopling, dan transmisi), serta berpengaruh pada power outputnya. Selain itu akibat dari ripple torsi ini yaitu dapat menyebabkan generator menjadi kelebihan torsi, sehingga menyebabkan kehilangan beban dan kemungkinan turbin bisa menjadi lepas. v
Ripple torsi yang dimaksud didalam penelitian ini adalah torsi yang dihasilkan pada saat turbin tersebut diberikan beberapa variasi. Karena torsi yang dihasilkan pada masing masing jumlah blade berbeda maka perlu diadakan analisa 2.10 CFD (Computational Fluid Dynamics) CFD merupakan singkatan dari Computational Fluid Dynamicsyang berarti segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numeric atau komputasi untuk dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ada tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD yaitu: Preprocessing Tahap ini merupakan tahapan dimana model CFD dibuat. Odel dibuat dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat meshing dan memberikan kondisi batas dan sifat sifat fluidanya Solving Menghitung kondisi kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing Postprocessing Ini merupakan tahapan akhir dari sebuah proses analisisi CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretrasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi Prosedur yang digunakan pada pendekatan program CFD yaitu: 1. Pembuatan geometri dari model/problem
2. 3.
4.
5.
6.
Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing) Pendefinisian model fisik. Misalnya: persamaanpersamaan gerak + entalpi + konservasi spesies (zat zat yang didefinisikan, biasanya berupa komponen atau suatu reaktan) Pendefinisian kondisi batas, termasuk didalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model/problem. Untuk kasus transien, kondisi awal juga didefinisikan Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien Analisis dan visualisasi dari solusi CFD
III. Metodologi Penelitian 3.1 Alur penelitian Untuk mencapi tujuan yang telah dibuat maka diperlukan sebuah metodologi penelitian yang merupakan langkah-langkah penyelesaian dari tugas akhir ini. Adapun tahapan tersebut adalah sebagai berikut
2.11 Performansi dan efisiensi Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah RPM (ω) dan torsi (T). (2.19) Daya yang dihasilkan dari perhitungan mempunyai satuan watt. untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan model streamtube analysis yaitu dengan cara membandingkan daya keluaran pada turbin dengan kinetic energi flux-nya. Persamaannya adalah sebagai berikut sebagai berikut : (2.20) Dengan: P
= daya keluaran KEF = Kinetic energi flux
Sedangkan untuk daya keluaran sendiri adalah P
(2.21)
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 dan KEF adalah
(2.22) Dengan: KEF = Kinetic energi flux ρ = massa jenis fluida r = jari-jari turbin v = kecepatan fluida sebelum turbin l = panjang blade(blade)
SELESAI
Gambar 3.1. Alur Penelitian Dari alur tersebut langkah yang diambil setelah menentukan geometri turbin adalah fabrikasi. Setelah fabrikasi turbin selesai dilakukan, pengambilan data RPM pada turbin dilakukan. Lokasi yang digunakan untuk pengamblan data yaitu sebanyak 4 tempat. Setelah didapatkan data RPM dari seluruh percobaan, maka data data tersebut diolah menggunakan software CFX. Sedangkan studi literatur dilakukan untuk mendasari penyelesaian masalah di dalam tugas akhir ini. Materi yang perlu dipelajari adalah mengenai efek yang terjadi apabila diberikan variasi penambahan jumlah blade serta aspect rasio turbin. Namun selain itu, perlu juga mempelajari tentang Ripple Torsi yang terjadi dengan modifikasi yang dilakukaan. Turbin yang digunakan adalah turbin arus sungai, maka perlu juga mempelajari hydrodinamika dan karena pengerjaan tugas akhir ini dilakukan juga dengan mengguanakn simulasi CFD, oleh sebab itu juga perlu diperdalam materi tentang penggunaan CFD. 3.2 Penentuan Lokasi Turbin yang nantinya akan dibuat akan di uji coba di daerah tertentu. Lokasi tempat uji coba harus sesuai dengan teori teori yang ada. Adapun gambar dari Lokasi yang akan digunakan adalah seperti berikut Tabel 3.1.Data kecepatan kedalaman dan lebar lokasi percobaan
Lokasi Beji 1 Beji 2
Kecepatan 0,6 m/s 0,5 m/s
Kedalaman 78 cm 78 cm
Lebar 272 cm 138 cm
Seloliman 1 Seloliman 2
2 m/s 1,4 m/s
53 cm 81 cm
80 cm 110 cm
80 cm
30 cm
(1)
(b)
x cm
100 cm
30 cm Gambar 3.5. Dimensi turbin
(c)
(d)
Gambar 3.2.. Lokasi Percobaan turbin (a) Beji 1, (b) Beji 2, (c) Seloliman Kecil, (d) Seloliman Besar
Menentukan Geometri Alat Alat yang nantinya akan dibuat mempunyai bentuk seperti berikut ini
(a)
(b)
Gambar 3.3. (a) Bentuk Geometri alat tanpa penutup atas (b) gambar tampak atas turbin variasi 3 blade
Gambar 3.4.Model Airfoil dibuat
Bentuk blade yang dibuat adalah airfoil seri NACA 0015 dengan panjang chord 7 cm dan tebal 1 cm. Berkit adalah dimensi turbin yang digunakan untuk eksperimen dan simulasi
Dimensi turbin berubah karena adanya perubahan jumlah blade serta adanya variasa panjang span. Span yang divariasikan mempunyai panjang 30, 35 dan 40 cm. 3.3 Fabrikasi Turbin Fabrikasi meliputi pemasangan dan pengujian Turbin Arus sungai.Pada tahapan pemasangan yaitu melakukan pengumpulan komponen yang dibutuhkan serta pembuatan alat yang telah direncanakan.Setelah menenentukan Geometri Alat, diperlukan beberapa komponen mendukung agar tercipta alat yang baik sehingga memliliki ketahanan yang baik pada saat dilakukan pengujian. Hal pertama yang dilakukan adalah pemilihan material yang akan dirangkai menjadi sebuah turbin. Material yang digunakan untuk membuat turbin antara lain: Kayu bengkirai Kayu bengkirai ini merupakan jenis kayu yang kuat setelah kayu besi. Kayu ini digunakan untuk membuat airfoil yang akan digunakan. Unutk membuatnya digunakan sebuah mal dan gerinda. Mal digunakan untuk membuat model NACA 0015 sehingga mempunyai bentuk yang pas dan sesuai ukuran. Sedangkan gerinda digunakan sebagai alat untuk membentuk kayu sehingga terbentuk menjadi sebuah airfoil
Gambar 3.6. Arifoil tampak depan dan tempak keseluruhan
Setelah kayu dibentuk menjadi sebuah airfoil, ditambahkan pengait yang nantinya digunakan sebagai pegangan pada piringan. Plat galvanis
Plat galvanis merupakan plat yang digunakan untuk membuat flywheel. Plat dibentuk menjadi lingkaran dengan diameter 35cm. Setelah dipotong plat dilubangi berdasarkan jumlah blade yang nantinya akan di uji.
Gambar 3.7 Plat Galvanis untuk piringan turbin
Titik yang dilubangi untuk 3 blade adalah 120o untuk tiap titik terhadap pusat shaft. Sedangkan untuk 4 blade dan 5 blade adalah 90o dan 72o . Lubang ini nantinya digunakan sebagai pengait airfoil ke lempengan. Setelah dilakukan pemberian lubang pada piringan, maka selanjutnya adalah pemberian ruji sepeda, suji sepeda ini diputong sedemikian rupa sehingga bentuknya tidak terlalu panjang dan tidak terlalu pendek. Ruji sepeda ini digunakan untuk pengganjal airfoil sehingga airfoil tidak berubah posisipad saat dilakukan pengujian. Besi Siku Besi siku digunakan untuk membuat kerangka turbin.
Finishing Finishing adalah tahapan akhir dari pembuatan suatu produk. Ada beberapa proses finishing yang dilakukan dalam proses pembuatan turbin: - Penghalusan airfoil. Penghalusan airfoil adalah proses dimana pada saat menggunakan gerinda, ada beberapa bagian pada airfoil yang mempunyai ketebalan berbeda sehingga diperlukan penghalusan agar setiap turbin mempunyai bentuk yang sama - Pengecatan Pada tahapan ini dilakukan pengecatan pada turbin terutama blade turbin dan priringan turbin. Pengecatan dilakukan dengan maksud agar pad saat dilakukan uji eksperimen di lapangan, penguji dapat melihat gerakan putar dari turbin -
Pengecekan Tahap paling akhir dari fabrikasi turbin ini adalah menganalisa potensi-potensi tak terduga di lapangan seperti penambahan bambu apabila lebar sungai terlalu besar sedangkan lebar dari turbin terlalu kecil
Gambar 3.8. Pembuatan kerangka turbin
Kerangka turbin ini dibuat sebagai pegangan oleh turbin. Ukuran kerangka ini 80x30x30 cm yang dibagian tengahnya ditambahi 2 buah bearing untuk mengunci turbin agar tidak jatuh namun shaft turbin dapat berputar dengan leluasa
Gambar 3.10. Turbin secara keseluruhan
3.3 Pengambilan data Pada saat di uji coba, data yang diambil adalah berupa RPM poros utama dari masing masing variasi panjang span sebesar 30cm, 35cm, dan 40cm. Serta dengan variasi blade sejumlah 3, 4, dan 5 buah.
Gambar 3.11. cara pengambilan data RPM turbin
Gambar 3.9. Bearing pada turbin
Di tengah-tengah bearing tersebut diselipkan sebuah pipa yang berfungsi sebagai poros turbin. Poros ini dijepit di kedia bearing sehingga turbin pada saat dijalankan tidak bergerak naik atau turun, selain itu dengan adanya bearing ini dapat mempermudah pengaturan tinggi rendahnya turbin yang tercelup kedalam air
Simulasi menggunakan CFD Dengan waktu yang bersamaan dengan fabrikasi alat, dilakukan pula percobaan dengancara simulasi yaitu dengan menggunakan CFD.Kondisi yang akan diberikan pada simulasi ini yaitu dalam keadaan steady state serta menggunakan simulasi 3D Ada beberapa tahapan yang dilakukan untuk simulasi CFX ini antara lain:
a)
Pembuatan Geometri Pembuatan geometri untuk simulasi ini menggunakan AUTOCAD, CFX. Autocad digunakan unutk mempermudah pembuatan geometri. Software utama untuk membuat geometri ini dengan menggunakan CFX. Hal pertama yang dibuat adalah pembuatan geometri foil
Gambar 3.12 Geometri pada CFX
Geometri yang dibuat adalah airfoil dengan seri NACA 0015. Dan variasi panjang foil yang dibuat adalah 30, 35, dan 40cm serta variasi jumlah blade 3,4, dan 5 blade. Setelah pembuatan geometri airfoil berhasil maka turbin dibentuk sesuai dengan variasi yang akan disimulasikan. Untuk mempermudah simulasi, turbin tersebut dimasukkan kedalam sebuah tabung dan dibuat pula sebuah kotak yang didefinisikan sebagai sungai tempat pengujian, tetapi kotak tersebut dilubangi sehingga tabung dapat masuk didalamnya
Kelebihan dari meshing benda yang terlalu besar besar yaitu waktu untuk simulasi menjadi lebih singkat, sedangkan kekurangannya adalah benda yang memiliki meshing terlalu besar mempunyai bentuk yang tidak beraturan serta pengukurannya menjadi kurang akurat. Apabila meshing yang diberikan terlalu kecil maka kelemahannya adalah wakatu yang diperlukan untuk mengolah data menjadi lebih lama. Hal ini juga bergantuk spesifikasi computer yang digunakan. Tetapi kelebihan dari meshing yang terlalu kecil membuat akurasi perhitungan menjadi lebih akurat. Oleh karena itu meshing dalam hal ini sangat penting dalam melakukan simulasi. c) Pre Processing Pre processing merupakan tempat dimana benda yang akan diberikan diinisialisasi. Inisialisasi yang diberikan diambil dari data eksperimen seperti kecepatan air, putaran turbin per menit (RPM) model turbulen yang diberikan jumlah iterasi, dll. Berikut adalah inisialisasi yang diberikan geometri sebelum disimulasikan Tabel 3.1 inisialisasi turbin
Kondisi Eksperimen Dinding sungai
Letak Pada Cfd
Inisialisasi Wall, no slip
Atas sungai masuk
Samping dan bawah kotak Atas kotak kiri kotak
keluar
Kanan kotak
turbin
Turbin (foil 1, foil 2, foil 3 dan shaft)
Gambar 3.13. Geometri Turbin dan Tempat Pengujian
Pada saat turbin dimasukkan kedalam kotak, turbin disimulasikan dengan rotating wall, yang berarti turbin dalam kondisi berputar pada saat disimulasikan, untuk menggabungkan bagian luar tabung dan bagian dalam lubang kotak menggunakan domain interface sehingga memiliki inisialisasi yang sama pada saat dijalankan. b) Meshing Meshing sangat penting dalam hal simulasi. Untuk mensimulasikan turbin, meshing yang diberikan tidak boleh terlalu besar dan tidak boleh terlalu kecil.
Gambar 3.14 Meshing turbin
Opening Inlet, dengan pemberian kecepatan sesuai kecepatan sebenarnya Outlet, average static pressure 0 Pa Wall, no slip, rotating wall dengan kecepaan rpm sesuai hasil eksperimen
Setelah diberikan inisialisasi, turbin diputar setiap azimuth 10 derajat unutk turbin 3 dan 5 blade serta 12 derajat untuk turbin 5 blade. hal ini dilakukan untuk mensimulasikan turbin dalam kondisi steady state serta mengetahui gaya yang dihasilkan dari tiap posisi blade.
(a)
(b)
Gambar 3.15 (a) azimuth 0o turbin (b) azimuth 10o turbin setelah di rotate
Bagian tabung yang tersebut ukurannya harus pas dengan kotak sehingga nantinya setelah digabungkan dapat diinisialisasikan sebagai 1 benda. d) Post Processing Post prosesing adalah tempt dimana hasil benda setelah diiterasi pada solver. Pada bagian ini nantinya dapat dilihat visualisasi aliran yang melewati turbin serta gaya-gaya yang dihasilkan oleh turbin tersebut. Namun dalam penelitian ini yang dibutuhkan adalah visualisasi, gaya, area turbin, dan torsi yang dihasilkan. Karena gaya yang dihasilkan dibutuhkan untuk mengetahui fluktuasi gaya yang akibatkan oleh variasi turbin, dan torsi yang dihasilakan untuk mengetahui torsi yang dihasilkan oleh masing-masing varasi turbin 3.4 Grid Independence Studi Grid independence bisa juga disebut dengan Validasi dan verifikasi. Tahapan ini dilakukan untuk menghitung factor koreksi antara foil dengan meshing standard dan meshing yang digunakan untuk proses simulasi turbin. Tahapan ini dilakukan karena pada saat mensimulasikan turbin, untuk mendapatkan nilai meshing koefisien angkat dan drag dari airfoil yang sama dengan standarnya tidaklah mudah. Oleh karena itu dilakukan pendekatan dengan beberapa ukuran mesh sehingga besar mesh yang digunakan untuk simulasi sama mendekati nilai dari standardnya. Langkah pertama yang dilakukan adalah mencari nilai meshing yang mendekati nilai standar dan didapatkan meshing yang paling mendekati adalah meshing dengan ukuran 0.5 mm. Didapatkan error terkecil pada luasan meshing pada 0,5 mm yaitu sebesar 1,4% maka dilakukan pembuatan geometri NACA 0015 dengan chord 7 cm dengan panjang span yang sebenarnya yaitu 30 cm. Kemudian dilakukan meshing dengan ukuran simulasi yang peneliti lakukan yang nantinya didapatkan nilai Force X dan Force Y. Kemudian nilai nilai ersebut dimasukkan dalam rumus
nantinya diharapkan nilai perhitungan yang dihasilkan oleh CFX mendekati nilai standar. Setelah dilakukan perhitungan dan dengan membandingkan nilai Cl Cd untuk simulasi dan nilai yang mendekati standar, maka faktor koreksi yang didapatkan adalah sebesar 50.43%. Menggunakan ukuran 4 mm karena dengan ukuran mesh yang semakin kecil maka komputasinya akan semakin berat, menghabiskan memori computer, serta akan membutuhkan waktu yang lama. Dengan ukuran meshing yang lebih besar sebisa mungkin tidak merubah bentuk geometrinya. IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Pengambilan data untuk tugas akhir ini melalui 2 tahapan yaitu melalui tahapan eksperimen dan simulasi. Data yang didapatkan dari eksperimen yaitu berupa data RPM yang kemudian data RPM tersebut digunakan untuk disimulasikan menggunakan CFX. Dari hasil simulasi nantinya akan didapatkan data berupa gaya pada turbin, gaya pada masing masing foil, serta torsi yang dihasilkan oleh turbin tersebut. 4.1 Data hasil eksperimen Data yang ditampilkan berikut adalah data yang diambil dari 4 lokasi eksperimen dengan kecepatan air yang berbeda Table 4.1. Jumlah putaran turbin di lokasi eksperimen Seloliman Kecil
Seloliman Besar
span
span
Jumlah Blade 30 3 BLADE
35
40
30
35
40
113.5
128
71
108
126
0
4 BLADE
114
109
84
104.5
103.5
75.5
5 BLADE
119
122.5
83.5
108.5
110
70.5
Beji Kecil
Beji Besar
span
span
Jumlah Blade
3.1 3.2 Dimana: Cl = koefisien angkat Cd = koefisien seret D = gaya seret L = gaya angkat ρ = massa jenis fluida v = kecepatan aliran s = area sapuan Force X didefinisikan sebagai drag dan Force Y didefinisikan sebaga Lift. Ukuran mesh yang digunakan adalah sebesar 4 mm dan disimulasikan dengan Re 160.000. Kemudian apabila telah ditemukan ukuran mesh yang tepat, selanjutnya dilakukan inisialisasi. Dengan inisialisai yang mirip dengan kondisi di lapangan,
30
35
40
30
35
40
3 BLADE
29.67
0
0
54.33
0
51
4 BLADE
32.833
0
18.083
58.5
50.33
57.083
5 BLADE
29.33
34.916
32.5
51
48.583
50.67
Dari data tersebut jikadibuat menjadi grafik menjadi sebagai berikut
Grafik 4.1. efek perubahan kecepatan air pada turbin
Dari grafik tersebut menunjukkan bahwa dengan adanya penambahan kecepatan air di semua jumlah blade, berakibat putaran dari turbin akan semakin cepat. Pada turbin dengan jumlah blade sebanyak 3 buah, turbin tersebut baru dapat berputar pada kecepatan 2 m/s. Sedangkan untuk panjang span yang lain juga mempunyai trend yang sama apabila diberi penambahan kecepatan. Grafik yang lain dapat dilihat di bagian lampiran
Beberapa variasi yang dilakukan di pengujian ini adalah fluktuasi gaya yang terjadi jika jumlah blade dan span pada turbin diubah, serta ripple torsi yang dihasilkan dari variasi tersebut. 4.4 Perubahan Kecepatan Ada 4 site yang digunakan untuk eksperimen turbin. Masing masing site mempunyai kecepatan yang berbeda antara satu dengan yang lain. Kecepatan tersebut sebesar 0.5 m/s, 0.6 m/s, 1.4 m/s, dan 2 m/s.
(a) Grafik 4.2. efek perubahan panjang span pada turbin
Sedangkan grafik di atas merupakan grafik perubahan panjang span turbin 3 blade di setiap kecepatan air. Dari grafik dapat dilihat trend dari grafik tersebut cenderung menurun dengan adanya penambahan panjang span. Sedangkan perubahan span di jumlah blade yang lain juga mempunyai trend yang hampir sama dengan grafik ini. Grafik 4 dan 5 blade dapat dilihat pada lampiran. (b)
Grafik 4.3. perubahan jumlah blade turbin
(c) Perubahan jumlah blade pada turbin menyebabkan putarannya akan semakin meningkat. Pada grafik tersebut di span 35, turbin dengan jumlah blade 3 dan 4 tidak bisa berputar namun pada turbin dengan jumlah blade 5 dapat langsung berputar. Hal ini hanya terjadi di kecepatan air yang rendah, sedangkan pada kecepatan lain yang lebih tinggi turbin dengan jumlah blade 3 buah baru dapat berputar di kecepatan 2 m/s. grafik tersebut dapat dilihat pada lampiran 4.3 Data Hasil Simulasi Setelah data RPM didapatkan dari hasil eksperimen, data tersebut kemudian digunakan kembali untuk mendapatkan gaya yang bekerja pada turbin serta torsi yang dihasilkan. Data ini nantinya digunakan untuk mendukung data dari hasil eksperimen. Simulasi dilakukan pada masing-masing variasi dengan anggapan turbin berputar di beberapa azimuth (sudut).
Grafik 4.4.(a)gaya Fx (b) gaya Fy dan (c) torsi pada perubahan kecepatan air
Grafik tersebut merupakan grafik 3 blade dengan span 30. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa turbin yang dialiri fluida dengan kecepatan lebih besar memunyai gaya dan torsi yang lebih besar pula. Hal ini juga berlaku pada turbin yang lain. Grafik turbin lainnya dapat dilihat pada lampiran 4.5 Perubahan Jumlah Blade Perubahan jumlah blade pada turbin menyebabkan gaya yang dihasilkan berbeda beda. Bergantung dari jumlah blade yang digunakan. Sehingga torsi yang dihasilkan juga bervariasi
(a) (a)
(b)
(b)
(c) Grafik 4.5 .(a)gaya Fx (b) gaya Fy dan (c) torsi pada perubahan jumlah blade turbin
Ke 3 grafik diatas merupakan grafik dari gaya Fx, Fy, dan Torsi dari turbin dengan jumlah blade yang berbeda. Ketiganya mempunyai kesamaan yaitu pada turbin dengan jumlah blade sebanyak 4 buah mempunyai gaya dan torsi yang besar. Dari gambar grafik lain yang ada pada lampiran, pada site beji dengan kecepatan yang paling rendah (0.5 m/s) turbin dengan jumlah blade sebanyak 4 buah menghasilkan gaya dan torsi yang tidak seberapa dengan turbin 5 blade. turbin 5 blade lebih bagus digunakan pada fluida dengan kecepatan rendah sedangkan turbin dengan jumlah blade sebanyak 4 buah lebih baik digunakan pada kecepatan yang agak tinggi. 4.6 Perubahan Panjang Span Turbin mempunyai dimensi tertentu. Panjang dari turbin mempengaruhi gaya dan torsinya. Berkut ini adalah gaya dan torsi yang didapatkan dari turbin 3 blade dengan variasi span 30cm, 35cm, dan 40cm.
(c) Grafik 4.6 .(a)gaya Fx (b) gaya Fy dan (c) torsi pada perubahan panjang Span pada turbin
Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa grafik gaya dan torsi yang dihasilkan berbanding terbalik. Pada grafik gaya yang dihasilkan, turbin dengan panjang span 40 mempunyai gaya yang lebih besar dibandingkan turbin dengan span yang lebih pendek. Begitu pula dengan torsi yang dihasilkan. Turbin dengan span yang lebih pendek mempunyai gaya yang lebih kecil dibandingkan turbin yang mempunyai span yang lebih panjang. Hal seperti ini juga dialami oleh turbin yang lain dengan fenomena yang sama. Grafik yang lain juga dapat dilihat pada lampiran. 4.7 Ripple Torsi Ripple Torsi merupakan Fenomena naik turunnya torsi yang terjadi pada turbin. Torsi terbesar dihasilkan
Grafik 4.7 Grafik Torsi pada perubahan jumlah blade
Torsi besar yang dihasilkan dari turbin dengan variasi jumlah blade yaitu dihasilkan oleh turbin dengan jumlah 4 blade. pola turbin dengan jumlah blade yang satu berbeda dengan pula jumlah blade yang lain.
Grafik 4.8 Grafik torsi 4 blade dengan variasi span
Dari variasi 4 blade tersebut kemudian dicari kembali span yan g mempunyai torsi terbaik. Kemudian dari variasi span 30, 35, dan 40 cm tersebut, didapatkan varasi turbin dengan jumlah 4 blade dan dengan panjang span 40 cm mampu menghasilkan torsi terbesar. Dari variasi tersebut torsi tertinggi dan terendah didapatkan bahwa torsi tertinggi dicapai pada azimuth 50, 140, 230 atau 320. Sedangkan torsi terendahnya dicapai pada saaat azimuth 0, 90, 180, atau 270. Jika digambarkan dengan simulasi maka aliran yang melewati turbin tersebut adalah seperti berikut
(b) Gambar 4.1 (a) azimuth 0 (b) azimuth 50, turbin 4 blade span 30
Tampak dari simulasi aliran, pada azimuth 0o foil yang terletak pada belakang turbin mendapatkan aliran yang tidak bagus. Sedangkan pada azimuth 50o keempat hydrofoil tersebut mendapatkan aliran dengan baik. 4.8 Pembahasan 4.8.1 Pembahasan fluktuasi gaya Dari simulasi yang telah dilakukan, pada simulasi untuk analisa gaya pada turbin, gaya pada 1 foil untuk 3 blade nilai tertinggi didapatkan pada percobaan dengan U= 2 m/s yaitu pada sungai seloliman kecil dengan panjang span turbin 40 cm yaitu Force X 94.9668 N dan Force Y 38.8296 N. Sama halnya dengan turbin yang berjumlah 4 dan 5 blade yaitu gaya terbesar yang diterima oleh 1 foil dialami pada turbin dengan panjang span 40 cm dengan U = 2 m/s yaitu untuk Force X 4 blade 78.3499 N dan Force Y 74.3016 N/m sedangkan Force X 5 blade 74.8075 N dan Force Y 5 blade 41.7293 N. Dari ketiga turbin tersebut mempunyai kessamaan yatu ketiganya adalah turbin dengan panjang span 40 cm. Hal ini terjadi karena area sapuan dari panjang span 40 cm lebih luas sehingga gaya yang diterima oleh turbin juga semakin besar. Jika dibandingkan gaya yang diterima antara turbin 3, 4 dan 5 blade, gaya yang diterima oleh foil pada turbin dengan jumlah 3 blade lebih besar dari pada 4 dan 5 blade. Hal ini diakibatkan oleh benda yang mengahalangi di bagian depan semakin kecil.
(a) (a)
Gaya yang dipakai turbin jenis ini adalah gaya kearah gaya lift pada masing masing blade. Untuk turbin 3 blade dengan panjang span 35 cm di site beji besar dan kecil, serta pada turbin 3 blade dengan panjang span 40cm pada site beji besar dan kecil serta seloliman besar , turbin tidak berputar.
stall
(b)
Grafik 4.10 stall pada turbin
(c) Gambar 4.2 Visualisasi aliran pada (a)Turbin 3 Blade (b)Turbin 4 blade (c)Turbin 5 blade
Kondisi ini disebut juga kondisi stall yaitu kondisi dimana lift yang dihasilkan oleh turbin menurun sedangkan drag yang dihasilkan menjadi meningkat. Menurunnya nilai lift ini terjadi karena olakan yang dihasilkan oleh blade itu sendiri. Dengan adanya pemanjangan span dari 30 menjadi 35, dan 40cm , maka olakan yang dihasilkan juga akan lebih besar. Fluktuasi gaya pada turbin terjadi karena adanya aliran yang mengenai pada 1 foil tidak sempurna. Hal ini disebut dengan fluktuasi gaya. Fluktuasi
Jika dilihat pada gambar turbin 3 blade, benda yang menghalangi aliran di belakang benda yaitu berupa 2 foil dan 1 buah shaft, untuk turbin 4 blade, benda yang menghalangi adalah 3 buah foil dan 1 buah shaft. Sedangkan turbin 5 blade, benda yang menghalangi aliran untuk foil paling belakang adalah 4 buah blade dan 1 buah shaft. Jadi semakin banyak jumlah foil, semakin besar pula aliran di belakang foil yang tidak bagus dan semakin kecil pula gaya yang dihasilkan oleh foil tersebut. Jika dilihat dari akumulasi gaya yang diterima oleh turbin dengan jumlah 4 blade lebih besar daripada 5 dan 3 blade. hal ini dikarenakan arah gaya Fx dan Fy yang diterima oleh masing masing foil.
Fluktuasi
Grafik 4.10 Fluktuasi gaya turbin pada perubahan jumlah blade
Gambar 4.3 arah gaya pada turbin
Oleh karena itu fluktuasi gaya akan sering terjadi jika jumlah blade semakin diperbanyak karena aliran yang diterima foil pada bagian belakang turbin adalah aliran gangguan. Pada turbin dengan jumlah blade 4 buah, gaya Fx yang bernilai negative menggambarkan gaya yang dihasilkan berlawanan dengan arah Fx sebagaimana mestinya. Arah tersebut merupakan negative dari Fx yang berarti arahnya bukan berada di dalam tetapi keluar turbin. Dari variasi jumlah blade apabila semakin sedikit jumlah blade, maka semakin sedikit pula fluktuasi gaya yang dihasilkan. Sedangkan fluktuasi gaya yang dihasilkan oleh efek perubahan span mempunyai pola yang sama dengan jumlah balde yang sama, hanya saja
dengan bertambah panjangnya span turbin maka gaya yang dihasilkanpun lebih besar daripada span yang lebih pendek. 4.8.2. Pembahasan ripple torsi Torsi yang dihasilkan pada turbin dengan panjang span 40 cm mempunyai nilai yang besar. Total torsi terbesar yang dihasilkan dari variasi jumlah blade yang dihasilkan oleh turbin dengan jumlah 4 blade yaitu 30.20038 N/m untuk total torsi turbin yang lain secara berturut-turut 3 dan 5 blade adalah 22.8005484 N/m dan 28.61869N/m. Torsi terbesar dicapai pada kecepatan aliran yang tinggi dan mempunyai span yang panjang yaitu 40 cm. Torsi terbesar yang dihasilkan turbin 4 blade dikarenakan area sapuan turbin dengan span 40 cm lebih banyak sehingga mempunyai gaya yang lebih besar daripada span 30 dan 35 cm. turbin 4 blade mempunyai gaya yang lebih besar daripada 3 dan 5 blade karena turbin 4 blade memiliki aliran yang lebih bagus daripada yang lain. Ripple torsi merupakan naik turunnya besar torsi yang dihasiilkan oleh turbin. Dari torsi yang dihasilkan oleh turbin 4 blade, torsi tertinggi yaitu sebesar 22.6141 N/m dan torsi terkecil yaitu sebesar 20.45214 N/m. Pada saat turbin mencapai torsi tertinggi, posisi foil terletak pada azimuth 60, 150, 240 atau 330 yaitu pada saat aliran yang mengenai turbin sangat baik pada turbin 4 blade.
Gambar 4.4 visualisasi aliran turbin 4 blade azimuth 50, 140, 230 atau 320
Jika dilihat pada visualisasi aliran tersebut, keempat airfoil mendapatkan aliran yang baik (semuanya mendapatkan aliran) sehingga turbin mampu menghasilkan torsi tertinggi. Sedangkan torsi turbin terendah turbin dihasilkan pad saat foil menempati azimuth 0, 90, 180, atau 270.
span di tambah hal tersebut. Hal ini tidak diikuti pula oleh torsi yang dihasilkan menjadi semakin meningkat. Persamaan gaya dan torsi berbanding lurus. Hal ini sama dengan prinsip mengayuh sepeda di tanjakan. Pada saat mengayuh sepeda dengan gigi belakang besar, maka kayuhan akan semakin banyak dan tenaga yang dipakai kecil. Namun apabila gigi belakang di set ke gear yang kecil, maka kayuhan akan semakin sedikit namun tenaga yang dihasilkan akan semakin besar. Jumlah kayuhan dalam hal ini didefinisikan sebagai RPM dan tenaga yang digunakan adalah torsi. Pada saat jumlah blade turbin ditambah, RPM yang dihasilkan meningkat begitu pula dengan torsi yang dihasilkan. Namun pada turbin dengan jumlah 4 blade memiliki aliran yang baik sehingga gaya yang dihasilkan menjadi lebih besar dibandingkan dengan turbin dengan jumlah 5 blade. Ripple torsi sangat berpengaruh pada performansi turbin. Jika dibiarkan terus menerus, ripple torque ini dapat menyebabkan kelelahan pada komponennya (shaft, kopling, dan transmisi), serta berpengaruh pada power outputnya. . Selain itu akibat dari ripple torsi ini yaitu dapat menyebabkan generator menjadi kelebihan torsi, sehingga menyebabkan kehilangan beban dan kemungkinan turbin bisa menjadi lepas.Torsi dan RPM yang dihasilkan dipengaruhi oleh area turbin yang dikenai fluida. Fluida yang menagalir pada turbin adalah fluida air yang massa jenisnya sebesar 997 kg/m3. Nilai ini lebih besar dari massa jenis udara yang haya sekitar 1,2 kg/m3. Massa jenis air hampir 1000 kali lipat massa jenis udara. Pengaruh massa jenis juga mengakibatkan gaya yang dihasilkan menjadi semakin besar. Dari hasil simulasi gaya terbesar dihasilkan oleh turbin 4 blade dengan panjang span 40cm. 4.8.3 Performasi dan efisiensi Alat yang digunakan untuk konversi energi tidak luput dengan performansi dan efisiensi. Turbin yang digunakan kali ini tentu saja mempunyai performa dan efisiensi tertentu. Performa dan efisiensi ini nantinya akan digunakan sebagai bahan pertimbangan bila nantinya akan digunakan untuk membuat turbin air tipe vertikal aksis. Performa pada turbin digambarkan dengan adanya torsi(T) dan RPM(ω) yang dihasilkan turbin. Dengan menggunakan persamaan 2.18, berikut adalah data performansi dari masing masing variasi turbin Tabel 4.2 Performansi pada variasi turbin Mechanical power Seloliman Kecil
Seloliman Besar
span
span
Jumlah Blade
Gambar 4.5 visualisasi aliran turbin 4 blade azimuth 0, 90, 180, atau 270
pada kondisi aliran yang mengenai foil di bagian belakang turbin adalah aliran yang buruk pada turbin 4 blade.Jika dibandingkan data eksperimen dengan data simulasi, dari data eksperimen pada saat perubahan panjang span, RPM dari turbin menurun jika panjang
30
35
40
30
35
3 BLADE
163.95
214.93
139.90
71.65
98.21
0.00
4 BLADE
223.56
247.79
226.77
101.98
112.65
86.30
5 BLADE
238.73
287.39
230.99
98.11
114.44
85.81
Beji Kecil
Beji Besar
span
span
40
Jumlah Blade 30
35
40
30
35
40
3 BLADE
3.62
0.00
0.00
4.63
0.00
0.00
4 BLADE
13.13
11.33
14.93
3.95
0.00
2.88
4.92
6.77
7.34
6.03
6.61
8.08
5 BLADE
Performansi tertinggi dihasilkan oleh turbin 5 blade dengan span 35 yaitu sebesar 287.39. performa terbesar turbin dihasilkan pada site seloliman kecil dengan kecepatan air 2 m/s. Sedangkan untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan membandingkan daya keluaran pada trubin dengan kinetic energy flux-nya. Dengan menggunakan persamaan 2.19, maka didapatkan nilai dari efisiensi turbin adalah sebagai berikut Tabel 4.2 efisiensi pada variasi turbin EFISIENSI Seloliman Kecil
Seloliman Besar
span
span
Jumlah Blade 30
35
40
30
35
40
3 BLADE
0.147
0.178
0.187
0.158
0.278
0.000
4 BLADE
0.254
0.271
0.175
0.261
0.258
0.108
5 BLADE
0.262
0.268
0.203
0.232
0.222
0.111
Beji Kecil
Beji Besar
span
span
Jumlah Blade 30
35
40
30
35
40
3 BLADE
0.140
0.000
0.000
0.379
0.000
0.000
4 BLADE
0.131
0.184
0.101
0.262
0.000
0.134
5 BLADE
0.234
0.217
0.224
0.381
0.546
0.387
5.
6.
Performansi terbaik dihasilkan oleh turbin dengan jumlah blade 5 dengan panjang span 40 pada site seloliman kecil yaitu sebesar 287.39. Efisiensi turbin terbaik dihasilkan oleh turbin dengan jumlah blade 5 dengan panjang span 40 pada site beji besar yaitu sebesar 54.6%.
5.2 Saran Pada pengembangan selanjutnya sebaiknya dilakukan pengambilan data dengan variasi aliran yang lebih berurutan. DAFTAR PUSTAKA [1] Islam, Mazarul, ”Aerodynamic models for Darrieus-type straightbladed vertikal axis wind turbines”,Department of Mechanical, Automotive and Materials Engineering, University of Windsor, Canada, 2006 [2] Afifudin, Arif ,Moch., “Studi Eksperimental Performansi Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) dengan Variasi Desain Turbin”, Tugas Akhir Jurusan teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2010 [3] C, Robert, ”Torque RippIe in a Vertikal Axis Wind Turbine”, Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550, 1978 [4] Kirke, Brian, ”Variable Pitch Darrieus Water Turbines”, Sustainable Energi Center, Australia, 2008 [5] Khan, M.J, ” Hydrokinetic energi conversion systems and assessment of horizontal and vertikal axis turbines for river and tidal applications: A technology status review” Power system technologies, Canada, 2009 [6] Paraschivoiu, I, ”wind turbine design, with emphasis on darrieus concept”, Polytechnic international press, Canada, 2002 [7]Tuakia, Firman, ”Dasar-Dasar CFD menggunakan Fluent”, Informatika, Bandung, 2008 [8] McDonald A.T, Fox R W., ”Introduction to Fluid Mechanics”, School of Mechanical Engineering, Purdue University, Canada, 1994 [9] Arsad M.A, hartono F, ” Pembuatan Kode Desain dan Analisis Turbin Angin Sumbu Vertikal Darrieus Tipe-H” [10] Ragheb, M ,”Optimal Rotor Tip Speed Ratio”, 2009 [11] HydroE www.need.org
Untuk efisiensi yang dihasilkan turin, efisiensi terbaik dihasilkan oleh turbin dengan variasi turbin 5 blade dengan span 35 cm pada kecepatan rendah yaitu 0.5m/s yaitu sebesar 54.6%. V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Setelah melakukan penelitian tentang studi numerik dan eksperimental performansi turbin arus air tipe vertikal aksis dengan variasi jumlah blade dan efek aspect ratiodidapat kesimpulan sebagai berikut: 1.
2.
3.
4.
Berdasarkan Analisa Eksperimen, degnan adanya penambahan jumlah blade dari 3 menjadi 4 dan 5 akan meningkatkan RPM pada turbin. Hal ini dapat dilihat pada Site beji dengan kecepatan rendah yaitu dengan kecepatan 0.5 m/s Dari hasil simulasi, Fluktuasi gaya yang dihasilkan oleh turbin dengan jumlah blade sedikit memiliki fluktuasi yang lebih sedikit pula Variasi span pada turbin menyebabkan gaya yang dihasilkan oleh turbin dengan span panjang mempunyai nilai yang lebih besar daripada yang mempunyai span pendek Ripple torsi terbaik dari variasi jumlah blade dan aspect ratio turbin, dihasilkan oleh turbin dengan jumlah blade 5 dengan panjang span 40cm
BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan di Malang, 4 Mei 1989, merupakan anak pertama dari 2 bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu di SDSMA Taruna Dra. Zulaeha Probolinggo. Setelah lulus dari SMA tahun 2007, Penulis mengikuti SPMB dan diterima di Jurusan Teknik Fisika FTIITS pada tahun 2007 dan terdaftar dengan NRP. 2407100058. Di Jurusan Teknik Fisika ini mengambil bidang studi pengkondisian lingkungan dan energi. Penulis sempat aktif di beberapa kegiatan Seminar yang diselenggarakan oleh Jurusan, Himpunan Mahasiswa Teknik Fisika (HMTF) dan aktif sebagai Asisten Praktikum Teknik Konversi dan Konservasi Energi serta praktikum Termodinamika
