KAJIAN EKSPERIMEN PENAMBAHAN SILINDER SIRKULAR PADA TURBIN AIR SAVONIUS VERTIKAL DENGAN DIAMETER 0,4 D
DISAMPING ADVANCING BLADE (MYRING n=1,n=2)
Dhika Ghozy Al Hafsy
1, Emie Santoso
2, Priyo Agus Setiawan
31Program Studi Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 60111
2 Program Studi Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 60111
3 Program Studi Teknik Perancangan Dan Konstruksi Kapal, Jurusan Teknik Bangunan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 60111
E-mail: [email protected]1
Abstrak – Energi merupakan kebutuhan dasar manusia, yang terus meningkat sejalan dengan tingkat kehidupannya. Turin savonius merupakan salah satu penghasil enrgi dari sumber energi terbarukan yang ada pada saaat ini untuk menghasilkan listrik. Pada kajian eksperimen ini membutuhkan turbin dan aliran air untuk melakukan percobaan. Turbin yang digunakan adalah myring n1 dan n2 dengan variasi penambahan silinder 16 cm(ds/D = 0.4) pada jarak x/D= 0,5 (20 cm) dan y/D=0,7 (28 cm) di sisi advancing blade dengan perbandingan turbin myring n1 dan n2 tanpa penghalang. Water channel memiliki lebar 1 meter tinggi 1 meter dan Panjang 2 meter. Data yang diambil berupa putaran turbin (rpm) untuk mengetahui Type Speed Rasio (TSR) kemudian digunakan untuk mendapatkan nilai Coefficient of Torque (Ct) dan Coefficient of Power (Cp). Berdasarkan hasil eksperimen ini penambahan cukup efektif untuk menningkatkan efisiensi turbin. Turbin savonius myring n=1 dan n=2 dengan penghalang silider sirkular 16 cm(ds/D = 0.4) memiliki hasil paling besar diantara variasi silinder yang lainnya yaitu type speed ratio (TSR) sebesar 0,66 koefisien torsi (Ct) 0.32 dan (Cp) 0,22. Sedangkan turbin savonius myring n=1 dan n=2 tanpa penghalang memiliki nilai type speed ratio (TSR) sebesar 0,57dan nilai (Ct) 0.32 dan (Cp) 0,17.
Keywords: Kajian Eksperimen, Turbin Savonius , Type Speed Rasio (TSR), Coefficient of Torque (Ct), Coefficient of Power (Cp).
1. PENDAHULUAN
Energi merupakan kebutuhan dasar manusia, yang terus meningkat sejalan dengan tingkat kehidupannya. Bahan bakar minyak (BBM) memegang posisi yang sangat dominan dalam pemenuhan kebutuhan energi nasional.
Kondisi real menunjukkan bahwa sumber daya energi minyak bumi akan habis dan memiliki keterbatasan baik persediaan dalam bentuk cadangannya. Disisi lain permintaan sumber daya energi tersebut semakin meningkat menyebabkan harga minyak semakin tinggi sehingga mempunyai potensi pasar ekspor yang tinggi. (Imam Kholik, 2015). Energi terbarukan adalah pengembangan dari energi fosil yang saat ini untuk jumlah minyak yang tersedia di bumi semakin berkurang jumlahnya.
Berbagai inovasi menghasilkan suatu karya untuk membuat sesuatu alat untuk menggantikan energi fosil.
Indonesia memiliki potensi tenaga air yang cukup besar tetapi belum termanfaatkan secara maksimal. Pengembangan turbin air arus sungai
memiliki kendala karena di indonesia kecepatan air sungai relatif lambat. Turbin arus sungai yang cocok di kembangkan untuk aliran lambat adalah turbin air rotor Savonius.
Tetapi turbin air rotor Savonus memiliki kinerja yang buruk karena ada beberapa posisi arah angular rotor yang memiliki torsi statik negatif. Namun keuntungan yang dimiliki sangat banyak diantaranya bisa dioperasikan diarus lemah, tidak berakibat polusi, sumber energi yang tidak akan habis, dan dapat dikonversi menjadi energi lainnya seperti gerak dan listrik. Pengkonversian energi air menjadi energi listrik ini membutuhkan generator yang mengkonversi energi gerak pada turbin yang sebelumnya digerakkan oleh aliran air menjadi energi listrik. Faktor utama pembangkit listrik tenaga air ini terletak pada sudu-sudu turbin yang nantinya akan ditabrak aliran air. Salah satu alternatif yang ideal dalam memanfaatkan energi air menjadi energi listrik ini adalah turbine air tipe savonius.
Dengan dibuatnya rancangan pemodelan irigasi serta penerapan turbin air savonius dengan
perhitungan dan ukuran yang sering dijumpai di Indonesia. Kemudian dengan adanya pemberian penghalang aliran pada sisi advancing blade dan juga variasi diameter ukuran silinder tersebut. Penerapan ini tentunya telah berdasarkan acuan pada penelitian sebelumnya yang menyimpulkan bahwa penambahan silinder penggangu dengan jarak tertentu menambaha efektifitas turbin air savonius (Nashrullah Iqbal, 2019). Diketahui bahwa turbin air savonius merupakan turbin yang paling sederhana susunan konstruksinya dibandingkan dengan turbin air yang lain namun karen pengetahuan yang nim dan juga tidak adanya sosialisasi tentang penggunaan turbin ini sehingga pemakaian turbin ini cukup kurang digunakan oleh masyarakat.
Dari banyak penelitian yang dilakukan diatas dapat disimpulkan bahwa masih terdapat banyak cara untuk meningkatkan kinerja turbin air tipe Savonius.
Mengaca dari penelitian yang dilakukan Retno Dewi, (2016) yang melakukan variasi dengan menambahkan obstacle di depan returning blade pada turbin angin tipe Savonius, begitupun yang dilakukan Wenlong Tian dkk, (2015) yang melakukan variasi dengan menggunakan persamaan Myring n = 1 dan n=2 untuk mendesain bentuk sudu turbin angin tipe Savonius besar kemungkinan hal ini bisa dilakukan pada turbin air tipe Savonius untuk meningkatkan kinerjanya.
Penelitian ini dilakukan dengan melakukan pemasangan pengganggu atau obstacle berupa silinder sirkular yang diletakkan secara varian di depan advancing blade dengan diameter dan jarak tertentu. Penelitian ini dilakukan dengan memodifikasi desain blade menggunakan persamaan myring.
2. METODOLOGI 2.1 Turbin Air Savonius
Turbin Savonius sumbu vertikal pertama kali diciptakan oleh Sirgurd Johannes Savonius pada tahun 1922. Turbin ini memiliki sumbu vertikal dengan bentuk sudu berbentuk setengah silinder dan menyerupai huruf “S”. Turbin ini juga disebut sebagai turbin drag karena cara menggerakannya memanfaatkan gaya drag pada sudu – sudunya.
Terdapat dua sisi pada turbin ini, yaitu sisi yang berbentuk cembung disebut returning blade dan sisi cekung yang disebut advancing blade. Sisi returning blade membelakangi arah aliran fluida yang datang, sedangkan sisi advancing blade tegak lurus terhadap arah datangnya aliran fluida sehingga berfungsi sebagai penangkap aliran. Gaya drag pada turbin Savonius ini nantinya dapat menghasilkan daya dengan cara mengubah energi kinetik dari air menjadi energi mekanis pada generator yang kemudian menjadi energi listrik. Kelebihan dari turbin Savonius adalah tidak memerlukan torsi awal untuk memutarnya. Rotor ini dapat dimanfaatkan
pada aliran sungai-sungai dengan kecepatan aliran yang rendah dan potensi ketinggian yang rendah tanpa harus memakan banyak ruang dan rotor ini mampu mendapat koefisien daya yang cukup tinggi pada aliran air dengan kondisi tersebut. Skema dari Turbin Savonius dan bentuk rotornya dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut ini.
Gambar 1 Turbin savonius dua sudu dengan drag force
Bagian cekung sudu turbin ini menangkap dan mengkonversikan energi kinetik yang
dihasilkan oleh aliran fluida yang berupa angin atau air. Selanjutnya energi yang ditangkap dan
dikonversi menjadi energi makanik untuk menggerakkan turbin Savonius dengan arah gerakan rotasi.
Bentuk dari sudu turbin Savonius memiliki gaya drag yang sedikit saat bergerak akibar aliran fluidaatau Fcovex dibandingkan dengan sudu yang bergerak oleh aliran fluida atau Fconvace.
Prinsip kerja turbin Savonius sumbu vertikal yaitu, ketika turbin berputar sekitar sepertiga dari revolusinya, bagian sudu yang terbuka menerima aliran fluida akan berada dibelakang, kemudian sudu selanjutnya akan berputar dan menerima aliran fluida, proses ini akan terus berulang-ulang selama ada aliran fluida. Berikut gambar skema turbin Savonius poros vertikal.
Gambar 2 Bentuk Sudu Turbin 2.2 Silinder Sirkular
Bahan pembuatan silinder sirkular harus ditentukan terlebih dahulu yaitu dengan berbahan fiber dan variasi diameter, diantaranya adalah 8 cm, 12 cm, 16 cm. Berikut adalah silinder diameter 8 cm dengan panjang 100 cm yang telah dibentuk
0 50 100 150 200 250
100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Y (mm)
X (mm)
myring n=2 myring n=1
ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Gambar 3 Silinder penghalang 0,4D 16 cm 2.3 Performa Turbin Air Savonius
Turbin Savonius berputar 360 derajat mulai dari posisi pertama dan kembali pada posisi yang relatif sama terhadap sumbu tengah untuk mencapai satu rotasi. Time step size (TSS) mewakili kenaikan sudut untuk setiap rotasi langkah dan number of time step (NTS) mewakili total putaran turbin. Persamaan dari time step size (TSS) dan number of time step (NTS) dapat ditentukan sebagai berikut :
NTS = N 360
TSS = N
0,1591 ×Number of Time Step
Dimana :
N = Jumlah putaran
= Derajat waktu langkah putaran ω = Kecepatan putaran turbin (rad/s) 2.4 Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio ( ) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan aliran air. Tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin tipe lift akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag. Tipe speed ratio dihitung dengan persamaan (Erich Hau, 2005):
Gambar 4 Tip Speed Ratio pada Turbin Air Savonius
TSR = .D
2 .U
dimana: TSR = Tip Speed Ratio
𝜔 = kecepatan sudut turbin (rad/s)
D = diameter turbin (m) U = kecepatan aliran air (m/s)
Coefficient of Power
Coefficient of Power adalah perhitungan yang menentukan besarnya performa turbin angin.
Coefficient of Power sendiri dipengaruhi oleh 2 faktor utama yaitu daya mekanik dari turbin karena terkena angin dan daya kinetik dari angin itu sendiri.
Nilai Coefficient of Power berbanding lurus dengan performa turbin angin. Besarnya Coefficient of Power adalah :
Dimana :
P = Daya turbin
ρ = Densitas fluida (kg/m2) ω = Kecepatan sudut (rad/s) U = Kecepatan aliran fluida As = Luas permukaan turbin (m2) As = D.H
D = Diameter turbin (m) H = Tinggi turbin (m)
Persamaan dari coefficient of torque (Ct) dapat ditentukan sebagai berikut:
Dimana : T = Torsi
ρ = Densitas fluida (kg/m2) ω = Kecepatan sudut (rad/s) U = Kecepatan aliran fluida (m/s) As = Luas permukaan turbin (m2) As = D.H
D = Diameter turbin (m) H = Tinggi turbin (m)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengambilan Data
Pengujian dilakukan dengan menggunakan turbin savonius n=1 dan n=2. Dengan menggunakan variasi miring tersebut diharapkan mendapatkan performa yang terbaik antara aliran air dan kecepatan putaran yang dihasilkan oleh turbin.
menggunakan silinder penghalang pada jarak x/D=
0,5 (20 cm) dan y/D=0,7 (28 cm) di sisi advancing dengan diameter 8 cm, 12 cm dan 16 cmData yang diambil adalah sebagai berikut
M = Massa pembebanan (kg) N = Putaran turbin (RPM)
S = Massa yang terukur pada spring balance (kg)
Data yang diperoleh kemudian diolah untuk menjawab rumusan masalah pada penelitaian ini yaitu Coefficient of Torque (Ct) dan Coefficient of Power (Cp).
3.2 Proses Eksperimen
Pada penelitian ini dilakukan dihalaman rumah dengan beberapa kali penyesuain peralatan dan juga mempersiapkan peralatan yang dibutuhkan. Untuk pengambilan 1 data dilakukan 3 kali penujian ulang agar didapatkan data yang valid. Susunan unutk engamblan data yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1. Letakkan turbin air Savonius pada water chanel
2. Hidupkan water chanel
1. Setelah menyala selama kurang lebih 5 menit lakukan pembebanan weighting point
2. Mengukur n=1 dan n=2 (RPM) dengan rotary endcoder
3. Lakukan variasi sudut posisi silinder sirkular
4. Lakuakan pengukuran n=1 dan n=2 (RPM) ulang setelah dilakukan varisai sudut pada sislinder sirkular 5. Setelah itu mengukur nilai M1 dan S1 6. Ulangi langkah 3, 4, 5, 6, dan 7
sebanyak 3 kali dengan variasi pembebanan yang berbeda pada turbin air Savonius.
(a)
(b)
Gambar 5. (a) s/d (b) berturut-turut: set uptampak atas dan tampak depan.
3.3 Hasil Data Eksperimen
Data yang dihasilkan dari proses pengujian terdiri atas putaran turbin (N), massa pembebanan (M) dan massa yang terukur pada spring balance (S). Data hasil pengujian dapat dilihat pada tabel dibawah:
(a) Massa
Pembebanan (kg)
Massa Terukur
(kg)
RPM
0,2 0,1 7,59
0,4 0,2 7,32
0,6 0,3 7,14
0,8 0,4 6,98
1 0,53 6,74
1,2 0,6 6,32
1,4 0,72 5,83
1,6 0,82 5,31
1,8 0,9 5,04
2 1 4,80
(b)
Gambar 6. (a) s/d (b) berturut-turut: Hasil turbin tanpa penghalang, Silinder penghalang penghalang
16
Pada Gambar 5 s/d Gambar 7 di atas, terlihat bahwa hasil pengujian dengan diameter silinder penghalang 16 cm memiliki nilai rpm yang paling tinggi yaitu 9,38 rpm. Kemudian untuk menentukan nilai TSR memasukkan rumus .Setelah mengethaui nilai TSR menghitung nilai pembebanan dan juga peralatan yang digunakan dapat menentukan nilasi
Coefficient of Torque (Ct) dan Coefficient of Power (Cp).
Gambar 7. (a) Grafik Coefficient of Power (Cp) myring n-1 dan n=2 tanpa penghalang (b) Grafik
Coefficient of Torque (Ct) myring n-1 dan n=2 tanpa penghalang
Pada turbin savonius myring n=1 dan n=2 dengan penghalang silinder sirkular 12 cm didapatkan nilai type speed rasio (TSR) paling tinggi dengan diameter selinder 16 cm sebesar 0,67 Coefficient of Power (Cp) sebesar 0,22 dan nilai Coefficient of Torque (Ct) sebesar 0,32.
(a)
4. KESIMPULAN
Berdasarkan analisa dari penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Pemasangan silinder sirkular pada sisi advancing blade turbin air savonius myring n=1 dan myring n=2 efektif dalam meningkatkan performa turbin. Dari tiga variasi diameter silinder sirkular yang telah dilakukan pengujian, nilai performa terbaik diperoleh dengan pemasangan diameter silinder sirkular 16 cm (ds/D = 0.4).
2. Variasi diameter silinder sirkular 16 cm (ds/D = 0.4) menghasilkan nilai coefficient of torque (Ct) paling tinggi pada turbin air savonius myring n=1 dan n=2. Pada pengujian menggunakan turbin savonius myring n=1 dan n=2, nilai Ct yang yaitu 0.3222 pada tip speed ratio (TSR) 0,6681, sedangkan pada pengujian turbin savonius myring n=1 dan n=2 tanpa penghalang, nilai Ct yang diperoleh yaitu 0.3222 pada tip speed ratio (TSR) 0.5464.
3. Variasi diameter silinder sirkular 16 cm (ds/D = 0.4) menghasilkan nilai coefficient of power (Cp) paling tinggi pada turbin air savonius myring n=1 dan myring n=2.
Pada pengujian menggunakan turbin savonius myring n=1dan n=2, nilai Cp yang diperoleh sebesar 34,5072% yaitu 0,2153 pada tip speed ratio (TSR) 0.66, sedangkan pada pengujian turbin savonius myring n=1 dan n=2 tanpa penghalang, nilai TSR yang diperoleh sebesar 22,2793% yaitu 0.5464
Massa Pembebanan
(kg)
Massa Terukur
(kg)
RPM
0,2 0,1
9,380,4 0,21
8,960,6 0,28
8,700,8 0,4
8,571 0,52
8,221,2 0,58
7,691,4 0,7
7,061,6 0,72
6,321,8 0,81
5,662 1
5,260.00 0.10 0.20 0.30 0.40
0.30 0.80 1.30
COEFFICIENT OF TORQUE
TIP SPEED RATIO P E R B A N D I N G A N C T - T S R
Diameter Silinder Penghalang 16 cm Tanpa Silinder Penghalang
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
0.30 0.80 1.30
COEFFICIENT OF POWER
TIP SPEED RATIO P E R B A N D I N G A N C P - T S R
Diameter Silinder 16 cm Tanpa Silinder Penghalang
5. PUSTAKA
[1] Carlton, J. (2018). Marine Propellers and Propulsion 4th Edition. In Marine
Propellers and Propulsion (Vol. 0, Issue 0).
[2] Tian, W., Song, B., VanZwieten, J. H., &
Pyakurel, a. P. (2015). Computational Fluid Dynamics Prediction of a Modified Savonius Wind Turbine with Novel Blade Shapes. 7916-7929.
[3] Arifin S ,Soeparman S.,Wahyudi S, . (2011). Experimental Study of Combined Blade Savonius Wind Turbine.
International Journal of Renewable Energy Research.
[4] Setiawan, P. A., Yuwono, T., & Widodo, W. A. (2019). International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering.
Effect of a Circular Cylinder in 95 Front of Advancing Blade on the Savonius Water Turbine by Using Transient Simulation, 151-159.
[5] Setiawan, P. A., Yuwono, T., Widodo, W.
A., Julianto, E., & Santoso, M. (2019).
International Journal of Renewable Energy Research. Numerical Study of a Circular Cylinder Effect on the Vertical Axis Savonius Water Turbine Performance at the Side of the Advancing Blade with Horizontal Distance Variations, 979-985.
[6] Setiawan, P. A., Yuwono, T., & Widodo, a. W. (2018). Numerical simulation on improvement of a Savonius vertical axis water turbine performance to advancing blade side with a circular cylinder diameter variations. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1-8.
[7] Talukdara, P. K., Sardarb, A., Kulkarnia, V., & Sahaa, U. K. (2018). Parametric analysis of model Savonius hydrokinetic turbines through experimental and computational investigations. Energy Conversion and Management, 36-49.
[8] Fernando, D. (2017). Studi Eksperimen Pengaruh Silinder Sirkular Sebagai Pengganggu Aliran Di Depan Sisi
Returning Blade Tehadap Performa Turbin Angin Tipe Savonius. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
[9] Kailash, G., Eldho, T. I., & Prabhu, S. V.
(2012). Performance study of modified savonius water turbine with two deflector plates. International Journal of Rotating Machinery, 2012.
https://doi.org/10.1155/2012/679247
