GEOMETRI SALURAN TURBIN ACHARD UNTUK PENINGKATAN EFISIENSI
Oleh
RUSTAN HATIB
PRA USULAN PENELITIAN
Memenuhi Kelengkapan Pendaftaran Program Doktor
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA APRIL 2016
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Dari data yang dipublikasikan oleh ESDM Indonesia tahun 2010, potensi energy hidro
yang tersedia di Indonesia saat ini adalah 75 GW untuk skala besar (10 MW per lokasi) dengan jumlah kapasitas yang terpasang sekitar 4,2 GW dan 450 MW untuk skala kecil (kurang dari 10 MW per lokasi) dengan pemanfaatan 84 MW (ESDM Indonesia 2010). Gejolak harga minyak dunia memicu kenaikan subsidi BBM nasional, termasuk subsidi untuk listrik, karena kontribusi 60% biaya produksi listrik nasional berasal dari BBM. Sejak tahun 2006 pemerintah menerbitkan kebijakan pengembangan dan pemanfaatan energi terbarukan. Konsep senrtalisasi pembangkit listrik skala besar harus dievaluasi dan disesuaikan dengan kondisi kepulauan Indonesia yang mempunyai sungai dan anak sungai, termasuk konsep pembangunan dam besar untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) yang ternyata banyak menimbulkan masalah pada kehidupan manusia, hewan , tumbuhan dan lingkungan setempat. Pembangunan jaringan transmisi dari PLTA menuju ke konsumen juga membutuhkan biaya relatif besar dan juga rugi rugi listrik yang harus dibayar oleh konsumen. Satu terobosan gagasan aplikatif memanfaatkan energi arus sungai untuk pembangkit listrik skala kecil dan pompa air untuk irigasi pertanian setempat adalah pembangkit Listrik Tenaga Arus Sungai (PLTAS), yang tidak perlu bangunan dam, tanpa pipa pesat, tidak ada bangunan power house, jaringan distribusi minim dan lainnya. Pada pengembangan PLTA Sungai memanfaatkan energi kinetik arus sungai, sehingga dapat dipasang disepanjang aliran sungai dari hulu, hilir dan dekat muara sungai. Turbin Achard merupakan pengembangan dari turbin Darius yang sudah diteliti sejak kira kira 15 tahun silam. Alasan pengembangan ini antara lain adalah terbatasnya kemampuan/efisiensi yang dihasilkan turbin Darius. Georgescu et al., (2012) melakukan pemodelan secara numeric atau perhitungan yang efisien dalam 2-dimensi terhadap aliran tidak tetap pada turbin Achard dengan menggunakan 3 model sudu; model delta, lurus vertikal dan sudu model delta ditambah penyangga bentuk piringan ditengahnya. Pemodelan menggunakan perangkat lunak COMSOL dengan model turbulensi k-e. Karakteristik turbin Achard adalah tinggi dan diameternya sama; H=D. 1
Pemodelan ini sangat bermanfaat untuk investigasi lebih lanjut tentang penentuan konfigurasui geometri yang paling efisien dayanya pada putaran turbin duct Achard. Satu tahun kemudian Georgescu (2013) bersama tim yang lain telah melakukan simulasi terhadap desain lanjutan turbin Achard sudu lurus vertical tersebut dengan penambahan dinding berbentuk S pada sisi turbin yang membantu meningkatkan kecepatan aliran fluida. Penelitian mereka menggunakan 1 Achard turbin sisi kiri dan 1 sisi kanan dengan 2 dinding bentuk S pada masing-masing turbin. Model S ini mampu mengekstraksi daya yang lebih besar dan juga aliran fluida yang melewati ujung hilir bentuk S pada sudu pertama turbin sebelum masuk ke hilir dinding S turbin ke-2 mengalami peningkatan akibat gaya tangensial pada dinding S turbin 1. Artinya, kecepatan aliran fluida zona turbin sisi kiri harus lebih kecil dibandingkan pada turbin zona kanan ( =0o sisi kiri dan =180o pada sisi kanan) untuk menghindari gaya tangensial yang berlawanan arah dengan gerakan turbin. Gaya ini mempengaruhi efisiensi turbin. Hasil simulasi juga menunjukkan bahwa efisiensi turbin pertama yang menjadi perhatian karena lebih besar dibandingkan dengan turbin ke-2. Dari ulasan pada referensi di atas, menimbulkan bidang area penelitian lanjutan jika dinding S pada turbin diubah-ubah geometri dan dimensinya dalam hal efisiensinya.
1.2
Rumusan Masalah a. Bagaimana mendesain geometri saluran turbin archard yang berbentuk model S untuk menghasilkan tekanan fluida lebih besar. b. Bagaimana mendesain geometri turbin archard yang ditempatkan pada model saluran S yang sesuai untuk mengasilkan daya yang besar dan efisiensi yang optimal c. Bagaimana profil NACA yang paling bagus diaplikasikan dalam desain turbin Achard. d. Bagaimana menghitung efisiensi turbin secara eksperimen dan simulasi numeric.
1.3
Tujuan penelitian a. Mengetahui mendesain geometri saluran turbin archard yang berbentuk model S untuk menghasilkan tekanan fluida lebih besar b. Mengetahui mendesain geometri turbin archard yang ditempatkan pada model saluran S yang sesuai untuk mengasilkan daya yang besar dan efisiensi yang optimal. c. Mengetahui profil NACA yang paling bagus diaplikasikan dalam desain turbin Achard c. Menghitung efisiensi turbin secara eksperimen dan simulasi numeric. 2
1.4
Batasan masalah a.
Turbin yang digunakan adalah Turbin Achard dengan model lurus vertical.
b.
Jumlah blade turbin Achard yang digunakan berjumlah 3
c.
Model saluran yang digunakan yaitu berbentuk S terpotong, maksudnya pada bagian ekornya dipotong ¼ bagian.
d.
Pengujian dilakukan secara eksperimen dan simulasi numeric.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian dasar tentang turbin air Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang
kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen komponen turbin yang penting adalah : 1. Sudu pengarah Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin. 2. Roda jalan atau runner turbin Pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik. 3. Poros turbin Pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial. 4. Rumah turbin Biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah. 5. Pipa hisap Mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar.
Adapun perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik net head (m) vs flow (m3/s) di bawah ini.
Grafik 2.1 Perbandingan karakteristik turbin Sumber. Frank M White (2001) 4
2.2
Jenis jenis turbin air Turbin air dapat dikelompokkan menjadi 2 tipe yaitu : a. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. 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 prilah nsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. b. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozzle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozzle tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.
2.3 Turbin Achard Turbin Achard adalah konsep baru sumbu vertical, aliran menyilang, modul turbin aliran sungai yang dikembangkan sejak tahun 2001 di Perancis kerjasama dengan politeknik Bucharest dan Akademi Rumania. Turbin Achard memiliki 3 model sudu yaitu model delta, lurus vertikal dan sudu model delta ditambah penyangga bentuk piringan ditengahnya. Adapun keuntungannya yaitu kemampuan untuk beroperasi pada arah aliran yang bervariasi, begitupun juga porosnya stabil pada aliran yang berubah ubah.(Georgescu, 2010)
2.4 Saluran Turbin Saluran Turbin mengadopsi prinsip Venturi yang mana dengan memperkecil sudut aliran dalam saluran air akan meningkatkan kecepatan dan menurunkan tekanan. Tekanan menurun seiring meningkatnya kecepatan relative aliran fluida. Phommachanh et al., (2012) memperkenalkan 3 model turbin yang terpasang pada duct venturi saluran fluida yang bisa dipasang pada aliran sungai atau laut dengan Head 5
kurang dari 2 m yang membangkitkan daya antara 100 hingga 1000 kW. Sudu-sudu turbin berbentuk helix vertikal dalam duct yang cocok untuk garis aliran air pada sungai. Komparasi antara eksperimen dengan Simulasi Fluent pada PIV (Particle Image Velocimetry) telah dilakukan. Hasilnya adalah sama dengan efisiensi terbaik pada radius putaran 0.3 m/s adalah 47%. Mereka berpendapat juga tentang keunggulan turbin duct dari segi factor keamanan, anti lumut, kecepatan tinggi pada roda gila yang lebih kecil. Disamping itu, turbin duct dapat dibuat dengan biaya murah serta dapat berayun sesuai arah arus air. Abu El- Yazied et al (2014) menyelidiki kemungkinan menambah daya output dari turbin angin secara vertikal. Parameter geometri saluran dimanfaatkan dan posisi relatif sepanjang saluran ducted turbin. Proses optimasi dilakukan dengan menggunakan Algoritma genetika GA. GA mempertimbangkan ukuran dan biaya. Dua dimensi CFD dianalisis performanya dengan type straight – blade Darrius turbin angin.Bentuk dimensi dari turbin angin yang menggunakan rotor 3 blade sebagai fungsi kecepatan angin aliran bebas V dan kecepatan rotasi rotor w. Hasil dari analisis CFD untuk Cp dengan menggunakan GA memberikan informasi yang diperlukan untuk model saluran yang optimal. Saluran yang baru dalam penelitian ini mengurangi variasi torsi selama siklus rotasi dan menun jukkan bahwa saluran geometri dioptimalkan adalah pada sudut 20 dari pusat saluran turbin 2.5 Aspect Ratio Dalam aerodinamika, aspect ratio dari sayap adalah perbandingan antara panjang sayap dengan luas sayap. Sebuah aspect ratio yang tinggi menunjukkan sayap yang panjang dan memiliki luas sayap yang sempit, sedangkan aspect ratio yang rendah menunjukkan sayap yang pendek dengan luasan sayap yang besar. Untuk foil straight blade pada umumnya aspect ratio didefenisikan sebagai perbandingan antara kuadrat dari lebar sayap (b) dengan daerah planform sayap (s)
Gambar 2.2 Foil tampak samping (3D) Sumber . Anonim (2015) 6
Aspect Ratio dirumuskan dengan : AR =
………………………….
.(2.1)
Dimana : AR = aspect ratio b = lebar sayap l = panjang sayap S = luas planform sayap
2.6 Hukum Betz’ Hukum Betz’ adalah teori mengenai energi maksimum yang dapat dibangkitkan dari turbin angin, dikembangkan pada tahun 1919 oleh ahli fisika Jerman, Albert Betz. Teori momentum Betz ini mengasumsikan jika alat konversi energi kinetik fluida bekerja tanpa rugi – rugi dimana aliran fluida dianggap tidak bergesekan. Penyederhanaan ini merupakan hitungan kasar yang sangat berguna bagi perhitungan secara praktis dan sebagai panduan dasar dalam memahami operasi berbagai jenis desain turbin arus air. Betz mengasumsikan bahwa jika tidak adanya perubahan aliran massa fluida, maka dapat disimpulkan bahwa kecepatan fluida setelah melewati alat konversi energi kinetik fluida akan menurun. Pada saat yang bersamaan, luas penampang yang dilewati fluida menjadi lebih besar sesuai dengan persamaan kontinuitas aliran fluida. Berdasarkan hasil percobaan dan analisis, Betz mengemukakan bahwa maksimum daya yang diperoleh dalam konversi energi kinetik fluida adalah 0,593. Besaran ini disebut “faktor daya ideal”, keadaan ini dapat dicapai apabila rasio kecepatan fluida setelah melewati alat konversi dan sebelum melewati alat konversi (v2/v1) = 1/3. 2.7 Airfoil Airfoil digunakan terutama untuk menghasilkan gaya lift yang bekerja pada turbin angin ataupun air agar dapat berputar. Saat ini salah satu referensi untuk pemilihan airfoil yang populer adalah profil airfoil yang dibuat oleh National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Pengujian yang dilakukan oleh NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek kelengkungan dan distribusi ketebalan serta pengujiannya dilakukan pada berbagai bilangan Reynolds. Setiap bentuk airfoil NACA mempunyai parameter – parameter tersendiri sesuai dengan pengaplikasiannya. 7
Parameter-parameter yang telah ditentukan menurut standar NACA (Gambar 2.3) adalah: a. Panjang chord (c) b. Maksimum camber (f ) atau camber ratio (f/c) dalam %. c. Posisi maksimum camber (xf) d. Ketebalan maksimum airfoil (d) e. Posisi maksimum ketebalan (xd) f. Radius nose (rN) g. Koordinat airfoil zu (x) bagian atas dan z1 (x) bagian bawah.
Gambar 2.3. Parameter geometri airfoil dari seri NACA airfoil. (Hau, 2005)
Gambar 2.4 Macam macam jenis NACA Airfoil Sumber. Frank M White (2001) 8
2.8 Daya air dan Turbin Daya keluar poros turbin adalah daya yang output yang dihasilkan oleh turbin. Daya ini adalah yang dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan seperti generator listrik apabila digunakan untuk pembangkit listrik. Frank M White (2001) menjabarkan secara umum daya hitung dengan rumus berikut : P=F.U
(2.2)
Dimana F merupakan gaya tangensial yang memutar rotor turbin sedangkan U merupakan kecepatan tangensial daro rotor turbin atau sudu. Karena rotor turbin bergerak melingkar maka U = r. W yang mana r adalah radius turbin dan w adalah kecepatan sudut turbin (rad/s). Dengan demikian persamaan diatas ditulis : P=F.r.w
(2.3)
Persamaan (1) dapat dihubungkan dengan torsi T yang mana dirumuskan sebagai berikut : T=F.r
(2.4)
Persamaan (1) dan (2) memberikan hubungan sebagai berikut : P=T.w
(2.5)
Hubungan antara daya turbin dengan daya air masuk ke turbin dinyatakan sebagai koefisien daya atau Power Coefficient (Cp). Cp =
(2.6)
Daya air sebagai daya input ke turbin adalah energi kinetik aliran air dengan kecepatan V yang menabrak rotor turbin A diberikan oleh hubungan berikut : Pair =
(2.7)
9
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bagian ini akan diuraikan rancangan pengujian untuk menginvestigasi unjuk kerja turbin achard dengan menggunakan saluran yang berbentuk S. Model S yang dimaksud yaitu bukan S penuh melainkan dipotong 1/4 bagian pada ekornya dengan tujuan untuk meningkatkan tekanan fluida. Gambar 3.1. Menampilkan rancangan eksperimen tersebut dalam menghasilkan efisiensi yang besar
Gambar 3.1. Prinsip kerja turbin achard
Gambar 3.2 Model saluran S
10
Gambar 3.3 Turbin Achard berbentuk lurus vertical
3.1
Hasil Yang Diharapkan Pada penelitian ini, ditargetkan menghasilkan efisiensi yang besar. Menjadi parameter penting dalam pengembangan ilmu pengetahuan pada bidang mekanika Fluida dan Mesin Fluida.
3.3
Rencana Waktu Penelitian
11
DAFTAR RUJUKAN
ESDM Indonesia, 2010, Indonesia Energy Outlook 2010, Pusat Data dan Informasi, Energi dan Sumber Daya Mineral KESDM Indonesia. Georgescu, et al., 2010. Experimental Versus Numerical Results on The Velocity Field in The wake of a Hydropower Farm Equipped with Three Achard turbines. U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 72, Iss. 1 Georgescu, et al., 2012. Time Efficient Computing of the Power Coefficient a Ducted Achard Turbine . U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 74, Iss. 4 Georgescu, et al., 2013. Influence of Duct Geometry on Achard Turbine efficiency. The 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering, May
23
– 25. Bucharest, Romania. G. Taher, et al., 2014. Optimization of Wind Duct Geometry for Maximizing Power Generation of Ducted Vertical Turbines, IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN), Vol. 04, Issue 10 (october 2014), VI PP 11 – 19. Phoummachanh, et al., 2012. Simulation and PIV Experimental of The Ducted water Current Turbine and Extremely low Head helical Turbine, diakses tgl 10 Maret 2016 di http White, Frank M. Fluid Mecnanics. Fourth Edition, McGraw-Hill Ltd, 2001.
12
