STUDI EKSPERIMENTAL EFEK JUMLAH SUDU PADA TURBIN AIR BERSUMBU HORISONTAL TIPE DRAG TERHADAP PEMBANGKITAN TENAGA PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

STUDI EKSPERIMENTAL EFEK JUMLAH SUDU PADA TURBIN AIR BERSUMBU HORISONTAL TIPE DRAG TERHADAP PEMBANGKITAN TENAGA PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA HALAMAN JUDUL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh : MOCHAMAD AZIZ NIM. I 1412010

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i

HALAMAN SURAT PENUGASAN

ii

STUDI EKSPERIMENTAL EFEK JUMLAH SUDU PADA TURBIN AIR BERSUMBU HORISONTAL TIPE DRAG TERHADAP PEMBANGKITAN TENAGA PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA HALAMAN PENGESAHAN Disusun oleh

Mochamad Aziz NIM. I 1412010 Dosen Pembimbing I

Dosen Pembimbing II

Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 197106151998021002

D. Danardono, S.T., M.T., PhD. NIP. 196905141999031001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada tanggal 10-05-2016, pukul 10:00:00, bertempat di M.101, Gd.1 FT-UNS. 1.

Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T. NIP. 197403262000031001

: ..................................

2.

Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T. NIP. 197104251999031001

: ..................................

3.

Purwadi Joko Widodo, S.T., M.Kom. NIP. 197301261997021001

: ..................................

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Koordinator Tugas Akhir

DR. ENG. SYAMSUL HADI, S.T., M.T. NIP. 197106151998021002

DR. NURUL MUHAYAT, S.T., M.T. NIP. 197003231998021001

iii

STUDI EKSPERIMENTAL EFEK JUMLAH SUDU PADA TURBIN AIR BERSUMBU HORISONTAL TIPE DRAG TERHADAP PEMBANGKITAN TENAGA PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA Mochamad Aziz Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia e-mail : [email protected] Abstrak Curah hujan dan air buangan pada gedung bertingkat merupakan potensi yang menjanjikan untuk pengembangan salah satu pembangkitan energi alternatif. Pada penelitian ini, Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) diujicobakan dalam bentuk prototipe untuk pembangkitan listrik tenaga air buangan pada gedung bertingkat. Pada studi ini dilakukan penelitian secara eksperimental tentang jumlah sudu yang diperagakan rotor turbin untuk menghasilkan daya listrik dari generator. Tujuan dari penelitian ini adalah menemukan performa paling optimum dari variasi jumlah sudu dari rotor. Variasi jumlah sudu adalah 3, 4, 6, 8, 10 dan 12. Dengan head 2 m, performa maksimum didapat pada jumlah sudu 3. Daya listrik dan koefisien daya pada jumlah sudu 3 masing-masing 9,38 Watt dan 0,074. Kata kunci : jumlah sudu, turbin tipe drag, turbin air Savonius, power generation Abstract The high rainfall rate in Indonesia and wasted water from high-rise building indicate a promising potential for generating electrical energy. A concept of Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) proposed as a means of generating electric energy from waste water on high-rise building in a generator. This case of study investigated by experimentally researching blade number. Initially, the blade number is observed by simulation to research an optimum blade. The optimum blade is used to estimate the variation of blade number on experimental study. The blade number used in this simulation is 3, 4, 6, 8, 10, and 12. The optimum performance is determined by the head of 2 m. In this study optimal performance shown at blade number 3 with generated electricity dan power coefficient each 9,38 Watt and 0,074. Keywords

: blade number, drag type turbine, Savonius hydroelectric turbine, power generation

iv

KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan atas kesempatan, rahmat dan karunia yang diberikan oleh Allah SWT sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Studi Eksperimental Efek Jumlah Sudu Pada Turbin Air Bersumbu Horisontal Tipe Drag Terhadap Pembangkitan Tenaga Pada Aliran Air Dalam Pipa” ini dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik di Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Skripsi ini tidak mungkin bisa terselesaikan tanpa bantuan dari pihak-pihak tertentu. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 1.

Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku Pembimbing I yang selalu memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam penyelesaian Skripsi ini.

2.

Bapak D. Danardono, S.T., M.T., PhD. selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3.

Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T., bapak Dr. Budi Kristiawan, S.T., M.T. dan bapak Purwadi Joko Widodo, S.T., M.Kom. selaku dosen penguji tugas akhir

yang telah memeberi saran yang

membangun. 4.

Bapak Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T., selaku koordinator Tugas Akhir.

5.

Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T., selaku Kepala Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis.

6.

Seluruh Dosen serta Staff di Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7.

Ibu, Bapak dan seluruh kelurga yang telah memberikan do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

8.

Teman-teman satu Grup Riset Penelitian “Prototipe Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) Untuk Green Energy di Bangunan Bertingkat” atas kerja samanya dengan ide dan gagasan yang telah dicetuskan.

v

9.

Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin (Transfer) Universitas Sebelas Maret angkatan 2012.

10.

Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu penulis mengaharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari suma pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skirpsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Mei 2016 Penulis

vi

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL................................................................................................ i HALAMAN SURAT PENUGASAN ..................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN................................................................................ iii Abstrak ................................................................................................................... iv KATA PENGANTAR ............................................................................................ v DAFTAR ISI......................................................................................................... vii DAFTAR TABEL................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi DAFTAR PERSAMAAN ..................................................................................... xii DAFTAR NOTASI .............................................................................................. xiii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................ xiv BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang Masalah ......................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ................................................................................ 2 1.3. Batasan Masalah ..................................................................................... 2 1.4. Tujuan Penelitian .................................................................................... 2 1.5. Manfaat Penelitian .................................................................................. 2 1.6. Sistematika Penulisan ............................................................................. 2 BAB II DASAR TEORI ......................................................................................... 4 2.1. Tinjauan Pustaka..................................................................................... 4 2.2. Dasar Teori ............................................................................................. 6 2.2.1. Turbin Air ..................................................................................... 6 2.2.2. Macam Turbin Air ........................................................................ 7 2.2.3. Pemilihan Turbin Air.................................................................... 8 2.2.4. Drag-type Turbine ........................................................................ 9 vii

2.3. Parameter yang Digunakan pada Perhitungan ...................................... 10 2.3.1. Daya Input .................................................................................. 10 2.3.2. Daya Output................................................................................ 11 2.3.3. Tip Speed Ratio (TSR) ................................................................ 11 2.3.4. Coefficient of Power (CP) ........................................................... 11 BAB III METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 12 3.1. Tempat Penelitian ................................................................................. 12 3.2. Desain Alat ........................................................................................... 12 3.2.1. Desain Rotor Turbin dengan Variasi Jumlah Sudu .................... 12 3.2.2. Desain Alat Uji ........................................................................... 13 3.3. Alat dan Bahan Penelitian .................................................................... 14 3.3.1. Alat Penelitian ............................................................................ 14 3.3.2. Bahan Penelitian ......................................................................... 14 3.4. Pra-Study .............................................................................................. 15 3.5. Garis Besar Penelitian........................................................................... 15 3.6. Pelaksanaan Penelitian.......................................................................... 15 3.7. Diagram Alir Penelitian........................................................................ 16 BAB IV ANALISA DATA................................................................................... 17 4.1. Validasi Metode Simulasi Dengan Aplikasi ANSYS CFX.................. 17 4.2. Simulasi Drag-type Turbine dengan Variasi Jumlah Sudu .................. 19 4.3. Aliran fluida masuk .............................................................................. 20 4.4. Tip Speed Ratio..................................................................................... 22 4.5. Daya yang Dihasilkan Fluida ............................................................... 25 4.6. Performa Rotor ..................................................................................... 26 BAB V PENUTUP................................................................................................ 30

viii

5.1. Kesimpulan ........................................................................................... 30 5.2. Saran ..................................................................................................... 30 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 31 LAMPIRAN.......................................................................................................... 33

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Nilai Data Validasi dan Data Running Ulang ...................................... 19 Tabel 4.2. Efek jumlah sudu turbin terhadap aliran fluida masuk ........................ 21 Tabel 4.3. Debit dan kecepatan fluida masuk pada setiap variasi jumlah sudu .... 23 Tabel 4.4. Kecepatan putar dan TSR pada variasi jumlah sudu ............................ 24 Tabel 4.5. Daya input dari variasi jumlah sudu turbin.......................................... 25 Tabel 4.6. Performa rotor dari tegangan, daya listrik dan koefisien daya ............ 26

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Hasil Percobaan Chen (Chen dkk., 2013). ......................................... 6 Gambar 1.2. Aplikasi jenis turbin air berdasarkan ketinggian head dan laju aliran volume. (Dixon dan Hall, 2013) ........................................................ 8 Gambar 1.3. Drag-type Turbine pejal dan berongga (Chen dkk., 2013) ................ 9 Gambar 1.4. Variasi daya yang didapat pada turbin air Savonius dengan turbin angin Savonius (Sarma dkk., 2014) ................................................. 10 Gambar 3.1. Skema pembagian sudut pada sudu rotor......................................... 12 Gambar 3.2. Desain alat uji Horizontal Axis Water Turbine................................ 13 Gambar 3.3. Bahan uji Horizontal Axis Water Turbine dengan variasi jumlah sudu ......................................................................................................... 14 Gambar 3.4. Diagram alir penelitian Horizontal Axis Water Turbine dengan variasi jumlah sudu. ......................................................................... 16 Gambar 4.1. Bentuk Tekanan Sudut Serang 45o yang dilakukan Oleh Patel dkk. (2013)............................................................................................... 18 Gambar 4.2. Bentuk Tekanan Sudut Serang 45o Hasil Running Ulang ................ 18 Gambar 4.3. Grafik Data Validasi dan Data Simulasi Ulang ............................... 19 Gambar 4.4. (a) Streamline kecepatan (b) Kontur tekanan pada .......................... 19 Simulasi Drag-type Turbine dengan variasi jumlah sudu 6 ............ 19 Gambar 4.5. Grafik simulasi antara jumlah sudu dengan torsi ............................. 20 Gambar 4.6. Ilustrasi aliran fluida masuk ............................................................. 21 (a)Tanpa Alternator ......................................................................... 22 (b)Dengan Alternator....................................................................... 22 Gambar 4.7. Grafik hubungan jumlah sudu turbin terhadap aliran fluida masuk. 22 Gambar 4.8. Grafik hubungan antara variasi jumlah sudu dengan kecepatan putar dan TSR ............................................................................................ 24 Gambar 4.9. Hubungan antara jumlah sudu terhadap performa rotor................... 27 Gambar 4.10. Kesesuaian antara hasil eksperimen dan simulasi.......................... 28

xi

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2.1) Daya Input.................................................................................. 10 Persamaan (2.2) Diferensial Daya Listrik ............................................................. 11 Persamaan (2.3) Diferensial Daya Listrik (Penjabaran) ....................................... 11 Persamaan (2.4) Daya Listrik/ Daya Output ......................................................... 11 Persamaan (2.5) Tip Speed Ratio .......................................................................... 11 Persamaan (2.6) Koefisien Daya........................................................................... 11 Persamaan (4.1) Aliran Fluida Masuk .................................................................. 23

xii

DAFTAR NOTASI

= Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa

[m2]

= Diameter rotor

[m]

= Percepatan gravitasi

[m/s2]

= Head fluida

[m]

= Electrical current

[ampere]

= Daya input

[Watt]

= Daya output

[Watt]

= Debit aliran masuk

[m3/s]

= Aliran fluida masuk

[m3]

= Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume 2 liter

[s]

= Kecepatan fluida masuk

[m/s]

= voltase

[volt]

Parameter tanpa dimensi = Koefisien daya = Tip Speed Ratio

Greek Symbol = massa jenis air

[kg/m3]

= Kecepatan sudut

[rad/s]

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data hasil Percobaan ......................................................................... 34 Lampiran 2 Perhitungan dan Data Perhitungan .................................................... 37 Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa ............ 50 Lampiran 4 Hasil Simulasi Drag-type turbine pada jumlah sudu ditinjau dengan perubahan posisi sudu dan data.......................................................... 52 Lampiran 5Simulasi Drag-type turbine dari berbagai jumlah sudu ..................... 53 Lampiran 6Physical Properties of Water (SI Unit) .............................................. 56

xiv