STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh : RIO JEVRI APDILA NIM: I 1413025

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016

i

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION

Disusun Oleh:

Rio Jevri Apdila NIM. I 1413025

Dosen Pembimbing I

Dosen Pembimbing II

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

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

Telah dipertahankan dihadapan dosen penguji pada hari …….. , tanggal …., 1. Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 197106151998021002

……………………….

2. D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. NIP. 196905141999031001

……………………….

Mengetahui, Kepada Progdi Teknik Mesin

Koordinator Tugas Akhir

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

DR. Nurul Muhayat, S.T., M.T. NIP. 197003231998021001

i

MOTTO

"Orang-orang hebat di bidang apapun bukan baru bekerja karena mereka terinspirasi, namun mereka menjadi terinspirasi karena mereka lebih suka bekerja. Mereka tidak menyia-nyiakan waktu untuk menunggu inspirasi." (Ernest Newman) "Hiduplah seperti pohon kayu yang lebat buahnya; hidup di tepi jalan dan dilempari orang dengan batu, tetapi dibalas dengan buah." (Abu Bakar Sibli) "Tiadanya keyakinanlah yang membuat orang takut menghadapi tantangan; dan saya percaya pada diri saya sendiri." (Muhammad Ali) "Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan hal yang harus dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah mereka menyukainya atau tidak." (Aldus Huxley) "Kegagalan hanya terjadi bila kita menyerah." (Lessing)

ii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Dengan segala kerendahan hati ku persembahkan tulisan ini untuk: 1. Kepada bapak ibuku tercinta yang telah memberikan doá restu, dan dukunganya. 2. Kepada

kakaku

Khokok

Setya

Pambudi

yang

selalu

memberikan doá dan dukungannya. 3. Keluarga besar semua yang telah memberikan banyak doá dan dukungannya sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Kepada Staf Dosen dan Karyawan Universitas Sebelas Maret yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan ilmunya dan menuntun saya menjadi sarjana. 5. Kepada team riset Pico Hydro Arif Hidayat, Alwan Rosydi, Moch Aziz, Hari Prasetyo, dan Whonica yang selama ini selalu memberikan masukan dan saran yang banyak membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. 6. Kepada teman

teman NR 13 yang selama ini menjadi

keluarga kedua saya di Universitas Sebelas Maret. 7. Kepada Teman

teman yang tidak dapat saya sebutkan satu

kepada saya.

iii

STUDY EKSPERIMENTAL INFLUENCE DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) TYPE DRAG IN THE PIPE LINE TO POWER GENERATION Rio Jevri Apdila Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Email: [email protected]

Abstract High rainfall and building urban areas in indonesia lead to be a potential aspect to generate electrical energy. In this In this horizontal axis water turbine (HAWT) was applied in the building pipeline to produce energy. Study experimental of depth to width ratio of turbine examined in to determine optimum performance of the turbine. In this experimental study tests were carried out using test equipment with a head of 2 m and angle of bloking system 30°. Variasi Depth to width ratio given was 0.06, 0.10, 0.14, 0.18, 0.22, 0.24, 0.27, and 0.29. The most optimal turbine performance can be seen from the data of volt, power output, and coefisien power. The most optimal turbine on the variation of the depth to width ratio is 0.29. The using volt is 8.62 [volt], power output 3.447 [watt] and coefisien power 2.73x10-2.

Key Word: Turbine, Depth to Width Ratio, Water Turbine, Pico Hydro

iv

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION Rio Jevri Apdila Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Email : [email protected]

Abstrak Curah hujan tinggi di indonesia dan didukung oleh bangunan bertingkat daerah perkotaan menyebabkan potensi air hujan untuk menghasilkan energi listrik sangat besar. Sebuah horisontal axis water turbin HWAT diaplikasikan dalam pipa untuk menghasilkan energi. Studi eksperimental Depth to width ratio diteliti untuk mengetahui performa optimal sudu turbin. Pada studi eksperimental pengujian dilakukan dengan menggunakan alat uji dengan ketinggian 2 m dan sudut bloking sistem 30°. Variasi depth to width ratio yang diberikan adalah 0,06, 0,10, 0,14, 0,18, 0,22, 0,24, 0,27, dan 0,29. Kinerja turbin paling optimal dapat dilihat dari data Tegangan, Daya output dan coefisien power yang didapatkan. Turbin paling optimal pada variasi Depth to width ratio adalah 0,29 dengan nilai tegangan 8,62 [volt], Daya output 3,447 [watt] dan coefisien power 2,73x10-2.

Kata Kunci: Turbin, Depth to Width Ratio, Turbin Air, Pico Hydro

v

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir “Studi Eksperimental Pengaruh Depth To Width Ratio Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) Dengan Tipe Drag Pada Aliran Dalam Pipa Terhadap Power Generation” ini dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini selain merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk menambah wawasan di bidang pembangkit listrik tenaga air yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang sangat besar saat ini. Pada kesempatan ini ijinkan penulis untuk mengucapkan terima kasih dan ras hormat atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, yaitu kepada: 1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku ketua progdi dan dosen pembimbing I Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. 2. Bapak D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing II dalam penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir. 3. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu. 4. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini. 5. Bapak yang memberikan motifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.

vi

6. Khokok Setya Pambudi sebagai kakak yang selalu mendukung dalam bidang apapun sehingga penulis dapat menyelesaikan study dan Tugas Akhir ini. 7. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini. 8. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan, kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu sebelumnya penulis

mohon maaf

yang sebesar-besarnya. Penulis juga

mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat membangun atas laporan ini. Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.

Surakarta,

maret 2016

Penulis

vii

DAFTAR ISI

MOTTO .................................................................................................................. ii HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................ iii Abstract .................................................................................................................. iv Abstrak .................................................................................................................... v KATA PENGANTAR ........................................................................................... vi DAFTAR ISI ........................................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. x DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii DAFTAR PERSAMAAN .................................................................................. xiiiv DAFTAR NOTASI .............................................................................................. xiv DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xvi BAB I PENDAHULUAN ..................................... Error! Bookmark not defined. 1.1. Latar Belakang Masalah .......................... Error! Bookmark not defined. 1.2. Perumusan Masalah ................................. Error! Bookmark not defined. 1.3. Batasan masalah ....................................... Error! Bookmark not defined. 1.4. Tujuan Penelitian ..................................... Error! Bookmark not defined. 1.5. Manfaat Penelitian ................................... Error! Bookmark not defined. 1.6. Sistematika Penulisan .............................. Error! Bookmark not defined. BAB II TINJAUAN PUSTAKA........................... Error! Bookmark not defined. 2.1. Tinjauan Pustaka ...................................... Error! Bookmark not defined. 2.2. Dasar Teori............................................... Error! Bookmark not defined. 2.2.2.

Turbin ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.3.

Jenis-Jenis Turbin Air ...................... Error! Bookmark not defined.

2.2.4.

Pemilihan Turbin Air ....................... Error! Bookmark not defined.

2.2.5.

Aerodinamika Turbin ....................... Error! Bookmark not defined.

2.2.6.

Tip speed ratio (TSR) ...................... Error! Bookmark not defined.

2.2.7.

Coefficient of Power (Cp) ................ Error! Bookmark not defined.

2.2.8.

Non-dimensioned rpm ...................... Error! Bookmark not defined.

viii

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............. Error! Bookmark not defined. 3.1. Alat dan Bahan ......................................... Error! Bookmark not defined. 3.2. Desain Alat uji ......................................... Error! Bookmark not defined. 3.3. Apparatus Test ......................................... Error! Bookmark not defined. 3.5. Pra-Study ................................................. Error! Bookmark not defined. 3.6. Tujuan Penelitian ..................................... Error! Bookmark not defined. 3.7. Pelaksanaan Penelitian ............................. Error! Bookmark not defined. 3.8. Diagram Alir Penelitian ........................... Error! Bookmark not defined. BAB IV ANALISA DATA................................... Error! Bookmark not defined. 4.1. Study Simulasi Countur Tekanan dan Kecepatan variasi Depth to Width Ratio Sudu Turbin .................................... Error! Bookmark not defined. 4.2. Debit Aliran yang Bekerja pada Variasi Kelengkungan Turbin ...... Error! Bookmark not defined. 4.3. Kecepatan Fluida dan Daya aliran Fluida Error! Bookmark not defined. 4.4. Tip Speed Ratio (TSR).............................. Error! Bookmark not defined. 4.5. Daya yang Bekerja Pada Rotor Turbin .... Error! Bookmark not defined. BAB V PENUTUP ................................................ Error! Bookmark not defined. 5.1. Kesimpulan .............................................. Error! Bookmark not defined. 5.2. Saran ........................................................ Error! Bookmark not defined. DAFTAR PUSTAKA ............................................ Error! Bookmark not defined.

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Hubungan laju aliran terhadap power yang dihasilkan. ............ Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 2 Parameter Desain............................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 3 Skema turbine hydro electric jenis Pelton (Dixon and Hall 2013) ................................................................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 4 [a] Francis rotor hydro electric turbine [b] Skema aliran pada Francis turbine (Dixon and Hall 2013) .......... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 5 Turbin Crossflow ............................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 6 Turbin Turgo ..................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 7 Turbin Francis................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 8 Turbin Kaplan Propeler .................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 9 Turbin Pelton ..................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 10 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan Head dan laju aliran volume. (Dixon and Hall 2013) .......... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 11 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen, et al. 2013) ........ Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 12 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius wind turbine (Sarma, et al. 2014) ... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 13 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu (Ahmed, et al. 2013) ....................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 1 a.) Menentukan sudut busur,b.) Menentukan kelengkungan profil sudu................................................. Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 2 Kedalaman dan lebar sudu turbin. ..... Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 3 Rotor variasi depth to width ratio. .... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.4 Aparatus test....................................... Error! Bookmark not defined.

x

xi

Gambar 3. 5 Simulasi countur tekanan variasi depth to width ratio.............. Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 6 Simulasi kecepatan depth to width ratio. ........ Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 1 Simulasi countur tekanan terhadap variasi depth to width ratio. ................................................................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 2 Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio. ........ Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 3 Grafik perbandingan torsi pada variasi depth to width ratio. .... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 4 Ilustrasi Aliran Fluida Masuk ............ Error! Bookmark not defined.

xi

Gambar 4. 5 Grafik debit aliran terhadap variasi depth to width ratio. ......... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 6 Turbin variasi depth to width ratio 0,29. ......... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 7 Luas penampang blocking system..... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 8 Grafik kecepatan aliran fluida (m/s) pada variasi depth to with ratio. .......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 9 Grafik daya aliran fluida (Watt) pada variasi depth to with ratio. ................................................................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 10 Grafik perbandingan Tip Speed Ratio (TSR) pada variasi depth to width ratio. ........................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 11 countur tekanan terhadap variasi depth to width ratio. ........... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 12 Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio. ...... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 13 Grafik power output terhadap variasi depth to width ratio. .... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 14 Grafik coefisien power terhadap variasi depth to width ratio. Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 15 Grafik tegangan terhadap variasi depth to width ratio. ........... Error! Bookmark not defined.

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1 Hasil simulasi torque variasi depth to width ratio. .... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 2 Pengaruh rotor terhadap aliran fluida.... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 3 Kecepatan putar rotor turbin ................. Error! Bookmark not defined.

xii

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2. 1) Tip Speed Ratio .......................... Error! Bookmark not defined. Persamaan (2. 2) Coefisien Power ......................... Error! Bookmark not defined. Persamaan (2. 3) Turbin ......................................... Error! Bookmark not defined. Persamaan (2. 4) Daya Listrik................................ Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 1) Debit ........................................... Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 2) Kecepatan Aliran Fluida (U) ...... Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 3) Daya Fluida (Pi) ......................... Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 4) Tip Speed Ratio (TSR) ............... Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 5) Daya Listrik (Po) ........................ Error! Bookmark not defined. Persamaan (4. 6) Coefisien Daya (Cp) ................... Error! Bookmark not defined.

xiii

DAFTAR NOTASI

Nomenclature 𝐴p

= Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa

[m2]

𝐷

= Diameter rotor

[m]

g

= Percepatan gravitasi

[m/s2]

𝐻f

= Head fluida

[m]

𝑖

= Electrical current

[Ampere]

𝑃i

= Daya input

[Watt]

𝑃o

= Daya output

[Watt]

𝑄f

= Aliran fluida masuk

[m3]

𝑄of

= Debit Over flow

[m3/s]

𝑄pump

= Debit pada pompa

[m3/s]

𝑡

= Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume 2 liter

[s]

𝑈

= Kecepatan fluida masuk

[m/s]

𝑈of

= Kecepatan aliran pada Overflow

[m/s]

𝑣

= Voltage

[Volt]

Parameter tanpa dimensi 𝐶𝑝

= Koefisien daya

𝑇𝑆𝑅

= Tip Speed Ratio

Greek Symbol 𝜓

= Blade arc angle

[°]

𝜔

= Kecepatan sudut

[rad/s]

𝜌

= Massa jenis air

[kg/m3]

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Hasil Percobaan ....................... Error! Bookmark not defined. Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan ........... Error! Bookmark not defined. Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa .. Error! Bookmark not defined. Lampiran 4 Simulasi Kecepatan Turbin Variasi Depth to Width Ratio ...... Error! Bookmark not defined. Lampiran 5 Simulasi Countur Tekanan Variasi Depth to Width Ratio ....... Error! Bookmark not defined. Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units)Error! defined.

xv

Bookmark

not

xvi

xvi

1