UNJUK KERJA KINCIR AIR SAVONIUS 2 TINGKAT POROS HORIZONTAL DENGAN VARIASI RASIO OVERLAP
Skripsi
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan Oleh : STEVANUS BIMANTARA
NIM : 155214122
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2019
ii
PERFORMANCE OF HORIZONTAL AXIS SAVONIUS WATER TURBINE 2 STAGE WITH OVERLAP VARIATIONS
Thesis
Presented as Partitilal Fulfilment of the Requirement As to Obtain the Degree of Sarjana Teknik
Mechanical Engineering Study Program
Written by :
STEVANUS BIMANTARA Student ID : 155214122
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2019
ix INTISARI
Energi listrik yang terdapat di Indonesia ini dominan menggunakan sumber energi dengan bahan baku fosil. Sumber energi yang berasal dari fosil ini merupakan energi tidak terbarukan (non renewable energy) dalam artian energi ini akan habis jika dipakai terus menerus dan tidak diciptakannya energi terbarukan.
Untuk mengatasi masalah energi maka digunakan energi terbarukan (renewable energy) sebagai alternatif energi yang tidak akan habis. Salah satu energi terbarukan yang bisa digunakan adalah energi yang terdapat pada air. Untuk memanfaatkan energi yang terdapat pada air maka digunakanlah alat yang bernama kincir air. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kinerja kincir air Savonius 2 tingkat poros horisontal, dan untuk mengetahui pengaruh dari rasio overlap terhadap kincir air Savonius.
Kincir air yang digunakan berjenis Savonius dengan 2 tingkat poros horizontal. Dengan tinggi Rotor (H) 0,1 m, diameter rotor (D) 0,081 m, diameter luar (Df) 0,089 m, diameter sudu 0,045 m, aspect ratio (α) 1,23, dengan variasi ratio overlap 0.2, 0.25, 0.3. Kecepatan aliran yang digunakan adalah 0,9 m/s, 1 m/s, dan 1,1 m/s di dalam saluran air buatan. Penelitian ini bertujuan untuk mencari koefisien torsi (Cm), koefisien daya (Cp), tip speed ratio (TSR) (λ) , dan daya yang dihasilkan (P), serta pengaruh variasi ratio overlap pada rotor Savonius.
Hasil dari penelitian unjuk kerja kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal adalah efisiensi terbesar terdapat pada ratio overlap 0,25. Koefisien daya tertinggi sebesar 0,197 (19%) dengan tip speed ratio (TSR) 0,654 pada kecepatan aliran 0,9 m/s. hasil tertinggi untuk koefisien torsi (Cm) sebesar 0,376 (0,37 %) dengan tip speed ratio (TSR) 0,471 pada kecepatan aliran 0,9 m/s. Hasil daya (P) tertinggi sebesar 0,733 watt dengan 140 rpm pada kecepatan aliran 1,1 m/s.
Kata kunci :
energi terbarukan ; kincir air Savonius ; rasio overlap
x
ABSTRACK
Electrical energi in Indonesia using energy sources with fossil raw materials. Energy sources derived from these fossils are non-renewable energy in the sense that this energy will be used up if used continuously and will run out. To overcome the energy problem, renewable energy is used as an alternative energy that will not run out. One of the renewable energy that can be used is energy contained in water. To utilize the energy contained in water, a tool called a water turbine is used. This study aims to determine the performance of water turbine .
The water turbine used is Savonius type with horizontal shaft and 2 stages.
With rotor height (H) 0.1 m, rotor diameter (D) 0.081 m, outer diameter (Df) 0,089 m, blade diameter 0,045 m, aspect ratio (α) 1.23, with variations overlap ratio 0.2, 0.25, 0.3. Using flow rates of 0.9 m/s, 1 m/s, and 1.1 m/s in artificial drains. This study aims to find the torque coefficient (Cm), power coeficient (Cp), tip speed ratio (TSR)(λ), and the resulting power (P), as well as the influence of the variation overlap ratio in the Savonius rotor.
The results of the study are the greatest efficiency found in the overlap ratio of 0.25. The highest power coefficient is 0.197 (19%) with tip speed ratio (TSR) 0.654 at a flow speed of 0.9 m/s. The highest yield for the torque coefficient (Cm) is 0.376 (37%) with tip speed ratio (TSR) 0.471 at a flow speed of 0.9 m/s. The highest power (P) results at 0.733 watts with 140 rpm at a flow speed of 1.1 m/s.
Keywords :
renawable energi ; Savonius water turbine ; ratio overlap
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE………ii
HALAMAN PENGESAHAN DOSEN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PERSETUJUAN ...iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI...vi
KATA PENGANTAR ... vii
INTISARI ... ix
ABSTRACK ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR TABEL ... xv
BAB I ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Batasan Masalah ... 3
BAB II ... 5
2.1 DASAR TEORI ... 5
2.1.1. AIR ... 5
2.1.2. Energi Air ... 5
2.1.3. Teori Kontinuitas Aliran ... 7
2.1.4. Kincir Air ... 7
2.1.5. Grafik Hubungan Cp dan TSR ... 9
2.1.6. Kincir Air Tipe Savonius ... 10
2.1.7. Ratio Overlap Kincir Air Savonius ... 13
2.1.8. Aliran Air Tertutup ... 15
2.2 TINJAUAN PUSTAKA ... 18
xii
BAB III ... 20
3.1. Penelitian... 20
3.2. Diagram Alir penelitian ... 22
3.3. ALAT DAN BAHAN ... 23
3.3.1 Skema set up alat eksperimen ... 23
3.3.2 Spesifikasi dan bagian-bagian utama alat ... 25
3.4. Alat-alat pendukung Penelitian ... 31
3.5. Langkah-langkah pengambilan Data... 32
3.6. Analisis Data ... 33
BAB IV ... 34
4.1 Data Hasil Penelitian ... 34
4.2 Grafik Hasil Pengolahan Data ... 35
4.2.1 Grafik hubungan antara Kecepatan Putaran Poros dengan Torsi ... 36
4.2.2 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros ... 38
4.2.3 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio... 40
4.2.4 Grafik Hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio ... 42
4.3 Pembahasan Hasil Pengolahan Data ... 43
4.4 Perbandingan Hasil Penelitian ... 44
BAB V ... 46
6.1 Kesimpulan ... 46
6.2 Saran ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 49
LAMPIRAN ... 50
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011) ... 9
Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011) .... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U... 10
Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U... 10
Gambar 2. 3 Dimensi Kincir Savonius (Sumber. Omar, 2013, hal 201) ... 11
Gambar 2. 3 Dimensi Kincir Savonius (Sumber. Omar, 2013, hal 201) ... 11
Gambar 2. 4 Penerapan rasio overlap ... 14
Gambar 2. 4 Penerapan rasio overlap ... 14
Gambar 2. 5 Saluran air persegi tertutup sama sisi ... 17
Gambar 3. 1 Ratio Overlap……… ……21
Gambar 3. 2 Diagram Alir Penelitian ... 22
Gambar 4. 2 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 0,9 M/S……..………..36
Gambar 4. 3 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 1 M/S ... 36
Gambar 4. 4 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 1,1 M/S ... 37
Gambar 4. 5 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 0,9 M/S ... 38
Gambar 4. 6 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 1 M/S ... 38
Gambar 4. 7 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 1,1 M/S ... 39
Gambar 4. 8 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 0,9 M/S ... 40
Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1 M/S ... 40
Gambar 4. 10 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1,1 M/S ... 41
xiv
Gambar 4. 11 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 0,9 M/S ... 42 Gambar 4. 12 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1 M/S ... 42 Gambar 4. 13 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1,1 M/S ... 43
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4. 1 Pengambilan data Rasio Overlap 0,2 ... 34
Tabel 4. 2 Pengambilan data Rasio overlap 0,25 ... 34
Tabel 4. 3 Pengambilan data rasio overlap 0,3 ... 35
Tabel 4. 4 Dimensi kincir air Savonius ... 44
Tabel 4. 5 Data dari Refrensi 1 ... 44
Tabel 4. 6 Data dari Refrensi 2 ... 44
Tabel 4. 7 Data dari penelitian ... 45
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Pada zaman modern seperti saat ini penggunaan listrik menjadi kebutuhan yang sangat penting bagi seluruh dunia terutama di Indonesia. Energi listrik yang dibutuhkan manusia terutama di Indonesia tahun ke tahun terus meningkat dan akan terus meningkat. Peningkatan ini disebabkan karena bertambahnya akses listrik atau elektrifikasi serta perubahan gaya hidup masyarakat. Saat ini di Indonesia sebagian besar energi listrik dihasilkan masih menggunakan energi fosil seperti batubara sebagai bahan bakunya. Bertambahnya konsumsi listrik yang terjadi saat ini tidak dibarengi dengan pertambahan jumlah energi fosil sebagai bahan bakar utama pembangkit listrik. Karena energi fosil merupakan non renewable energy yang artinya suatu saat pasti akan habis karena dipakai terus menerus. Cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia saat ini masih bisa untuk memenuhi kebutuhan-kebutuhan energi setiap harinya. Untuk menghindari masalah akan habisnya energi fosil yang dimiliki oleh Indonesia maka diperlukan alternatif energi Terbarukan (renewable energy).
Negara Indonesia memiliki banyak potensi yang sangat besar untuk menciptakan energi Terbarukan. Salah satu energi Terbarukan yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan energi Air. Saya sebagai mahasiswa yang mempunyai misi untuk mengembangkan energi terbarukan dan konversi energi, mempunyai pemikiran untuk membuat alat pembangkit listrik menggunakan energi Air atau bisa disebut sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
2
(PLTMH). PLTMH merupakan pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan energi air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran irigasi, sungai, air terjun dengan memanfaatkan tinggi terjunannya (head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan suatu istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Turbin air atau banyak sekali kita menyebutnya Kincir air. Kincir Air Savonius merupakan salah satunya, kincir ini dapat menggubah energi air menjadi energi listrik. Kincir air Savonius dapat menghasilkan torsi yang besar dalam keadaan aliran air yang rendah.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana pengaruh variasi Rasio Overlap pada kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal terhadap Cp ( Coeffisient Power)?
2. Bagaimana pengaruh variasi Rasio Overlap pada kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal terhadap Cm ( Coeffisient Torque)?
3. Bagaimana pengaruh variasi Rasio Overlap pada kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal terhadap TSR ( Tip Speed Ratio)?
4. Bagaimana pengaruh variasi Rasio Overlap pada kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal terhadap η Kincir ( Effisiensi Kincir)?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah:
1. Membuat model kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
3
2. Mengetahui efek rasio overlap terhadap koefisien daya (Cp) maksimal yang dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
3. Mengetahui efek rasio overlap terhadap Koefisien Torsi (Cm) yang dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
4. Mengetahui efek rasio overlap terhadap Tip Speed Ratio (TSR) yang dihasilkan oleh kincir air Savonius horizontal 2 tingkat.
5. Mengetahui efek rasio overlap terhadap efisiensi maksimal yang dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:
1. Menjadikan sumber informasi mengenai kinerja kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
2. Mengetahui potensi koefisien daya (Cp) yang dihasilkan kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.
3. Menjadikan referensi bagi masyarakat di daerah dimana potensi airnya melimpah untuk memberdayakan energi terbarukan.
4. Menambah literatur mengenai kincir air Savonius yang dapat digunakan untuk pembangkit listrik dan bagi perkembangan tekhnologi terbarukan.
1.5 Batasan Masalah
1. Penelitian dilakukan dengan mengoperasikan model kincir air di dalam lorong air persegi dengan ukuran lorong 20x20 cm.
2. Kincir air yang digunakan kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal dengan variasi Ratio Overlap 0,2, 0,25, dan 0,3.
4
3. Material yang digunakan tidak membahas masalah korosi dan kekerasan material.
4. Kecepatan aliran air tergantung pada kondisi sungai di lapangan.
5. Pengoperasian kincir air dilakukan pada lorong air tertutup tanpa adanya pemandu arah aliran.
5 BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1 DASAR TEORI
2.1.1. AIR
Air merupakan senyawa kimia yang terdiri dari dua unsur, yaitu unsur H2 (hidrogen) yang berkaitan dengan unsur 𝑂2 (oksigen) yang kemudian menghasilkan senyawa air 𝐻2𝑂. Air sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan manusia tidak dapat digantikan oleh senyawa lain. Terdapat 1,4 triliun kilometer kubik (330 juta mil3) tersedia di bumi. Air dapat berupa air tawar dan air asin (air laut) yang merupakan bagian terbesar di bumi.
2.1.2. Energi Air
Air merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, mudah didapat dan tidak akan habis dalam penggunaannya. Air menyimpan energi di dalamnya yaitu energi potensial (air jatuh) dan energi kinetik (air mengalir). Energi kinetik yang dimiliki air dapat dikonversi menjadi energi mekanik menggunakan alat. Salah satu alat itu adalah kincir air.
2.1.2.1 Energi Kinetik
Energi Kinetik merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pergerakan benda tersebut. Energi kinetik dipengaruhi oleh massa fluida air dan kecepatan gerakan air, yang dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut : 𝐸𝐾 =1
2𝑚𝑣2…….……….………..(2.1)
Keterangan :
6 EK : Energi Kinetik
m : Massa Fluida v : Kecepatan Fluida 2.1.2.2 Energi Potensial
Energi Potensial merupakan energi yang dimiliki suatu benda (materi) karena kedudukan atau keadaan benda tersebut. Energi potensial ada karena adanya gaya gravitasi bumi. Energi potensial dipengaruhi oleh densitas massa, percepatan gravitasi bumi, dan ketinggian, dan dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :
EP = ρ g h………..………...(2.2) Keterangan :
EP : Energi Potensial ρ : Massa Jenis Fluida g : Percepatan Gravitasi h : Ketinggian
2.1.2.3 Energi Mekanik
Energi Mekanik merupakan energi yang akan muncul saat suatu alat dapat menangkap energi kinetik atau energi potensial pada suatu aliran fluida. Energi mekanik memiliki persamaan :
EM = EK + EP……….(2.3) Keterangan :
EM : Energi Mekanik EK : Energi Kinetik
7 EP : Energi Potensial
2.1.3. Teori Kontinuitas Aliran
Debit (Q) adalah volume fluida yang mengalir per satuan waktu. Apabila suatu fluida ideal bergerak atau mengalir di dalam satuan pipa, maka massa fluida yang masuk ke dalam pipa sama dengan massa yang keluar pipa. Adapun persamaan untuk debit adalah sebagai berikut :
Q = 𝑉
𝑡………...(2.4)
Keterangan :
v : Volume
t : Waktu
Dalam persamaan kontinuitas aliran dijelaskan bahwa kecepatan fluida lebih besar pada penampang yang luasnya lebih kecil atau setidaknya kecepatan fluida lebih kecil pada penampang yang luasnya lebih besar. Dari pernyataan tentang persamaan kontinuitas aliran maka didapatkan rumus sebagai berikut : 𝐴1 𝑣1= 𝐴2𝑣2………...……….(2.5) Keterangan :
𝐴1 : Luas Penampang input 𝑣1 : Kecepatan aliran fluida input 𝐴2 : Luas penampang output 𝑣2 : Kecepatan aliran fluida output 2.1.4. Kincir Air
Kincir air merupakan sebuah alat yang digerakkan dengan menggunakan energi air yang menghasilkan energi mekanik langsung dari air yang mengalir di
8
sungai ataupun selokan kecil karena adanya energi potensial dan energi kinetik pada aliran air. Air yang digunakan adalah air yang mengalir sehingga air dapat menggerakkan kincir karena air akan menabrak suatu bagian pada sudut-sudut baling-baling kincir sehingga kemudian membuat kincir tersebut menjadi berputar. Biasanya kincir akan tersambung langsung dengan generator, generator ini akan menghasilkan listrik dan tenaga listrik inilah yang akan digunakan oleh manusia untuk memenuhi kebutuhan hidupnya sehari-hari. Berdasarkan arah alirannya, kincir air dibedakan menjadi kincir air poros horizontal dan poros vertikal.
2.1.3.1. Kincir Air Poros Horizontal
Kincir Air Poros Horizontal merupakan kincir air dimana poros utamanya sejajar dengan permukaan tanah atau sejajar dengan aliran fluida itu sendiri.
Keunggulan kincir air poros horizontal adalah saat dipergunakannya deflektor atau pengarah aliran, deflektor akan menerima tekanan ke bawah sehingga tidak perlu adanya penopang karena deflektor sudah menerima tekanan ke bawah.
2.1.3.2. Kincir Air Poros Vertikal
Kincir Air Poros Vertikal merupakan kincir air dimana poros utamanya tegak lurus dengan aliran fluida. Kincir air poros vertikal memiliki kekurangan yaitu kebalikan dari kincir poros horizontal, di saat kincir ini diberi deflektor maka perlu ditambahkan penopang tersendiri untuk menopang deflektor, karena tekanan yang diterima deflektor tidak ke bawah melainkan ke samping sehingga berakibat deflektor atau kincir dapat bergeser.
9 2.1.5. Grafik Hubungan Cp dan TSR
Albert Betz merupakan fisikawan asal Jerman yang menyimpulkan bahwa tidak ada turbin yang dapat mengkonversikan energi kinetik fluida ke dalam bentuk energi yang menggerakkan rotor (kinetik) lebih dari 59,3%. Diagram Betz merupakan diagram yang diteliti dengan aliran fluida angin sebagai mediumnya, akan tetapi pada penelitian ini menggunakan aliran fluida yaitu air sebagai mediumnya.
Kincir air poros horizontal, terutama kincir air Savonius dapat beroperasi pada kecepatan air rendah. Dalam kecepatan rendah putaran poros yang dihasilkan juga akan rendah sehingga TSR juga akan rendah atau kecil nilainya. Daya yang dihasilkan kincir angin, dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011)
10 2.1.6. Kincir Air Tipe Savonius
Pada mulanya kincir air Savonius merupakan pengembangan dari kincir angin Savonius yang telah ditemukan oleh Sigurd J. Savonius dari Finlandia (1922). Dari situlah muncul ide untuk mengembangkan kincir angin Savonius menjadi kincir air Savonius. Kincir air Savonius masih perlu diteliti agar menghasilkan efisiensi terbaik. Kincir air Savonius menggunakan sudu dengan cara memotong silinder Flettner menjadi 2 paruhan sepanjang garis pusat dan kemudian 2 paruhan dari silinder yang terpotong tadi diposisikan menjadi 1 dan membentuk seperti huruf S yang diletakkan pada lingkaran batas sudu. Pada pusat sudu tersebut diberikan poros yang sejajar dengan tinggi dari sudu untuk mentransmisikan energi yang didapat pada kincir Savonius. Kincir air Savonius merupakan kincir air yang dapat bekerja atau berputar pada aliran air yang rendah atau potensi ketinggian yang rendah tanpa harus memakan banyak ruang. Kincir air Savonius dapat menghasilkan koefisien daya yang lumayan tinggi dengan kondisi tersebut.
Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U.
(Wenehenubum, Saputra, & Sutanto, 2015)
11
Kincir air Savonius memiliki sudu bagian cekung (concave) dan bagian cembung (convex) pada bladenya. Untuk sudu bagian yang berbentuk cekung yang menghadap langsung dengan arah datangnya air akan menangkap tenaga air untuk memaksa sudu berputar pada porosnya dan untuk bagian cembung yang terdorong oleh aliran air akan menyebabkan berputarnya sudu walaupun ada beban yang ditimbulkan oleh bagian cembung saat terdorong oleh aliran air.
Dalam merancang sebuah kincir air Savonius memerlukan nilai-nilai rasio tertentu dalam perancangannya agar meningkatkan kinerja dari kincir air Savonius. Menurut (Ushiyama, Nagai, & Shinoda, 1986) nilai rasio paling optimum untuk rotor Savonius adalah 4,29. Aspek rasio (α) dapat dirumuskan sebagai berikut:
α = 𝐻
𝐷………(2.6)
Keterangan :
α : Aspek Rasio H : Tinggi Rotor
D : Diameter rotor Savonius
Gambar 2. 4 Dimensi Kincir Savonius (Omar, 2013)
12
Untuk meningkatkan performa kincir air Savonius agar mendapatkan effisiensi yang tinggi maka harus menggunakan diameter Df 10% lebih besar dari D pada koefisien kecepatan apapun (Menet & Bourabaa, 2014). Maka dapat dilihat pada persamaan sebagai berikut :
Df = (10%D)+D………..(2.7) Keterangan :
Df : Diameter luar dari rotor
Performa kincir air Savonius dapat ditentukan dengan persamaan- persamaan seperti di bawah :
2.1.5.1. Tip Speed Rasio atau TSR (λ)
TSR pada turbin aliran merupakan rasio antara kecepatan rotasi pada ujung sudu dan kecepatan aktual dari aliran air yang akan kemudian berpengaruh terhadap kecepatan putar rotor.
𝜆 =𝜔𝐷
2𝑉………(2.8)
𝜔 = 2𝜋𝑛
60 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘…………..………...(2.9)
Keterangan :
V : Kecepatan aliran masuk fluida 𝝎 : Kecepatan sudut
n : Kecepatan putar D : Diameter rotor 2.1.5.2. Daya Kincir (P)
Untuk dapat mengetahui daya yang dihasilkan oleh kincir maka dapat dilakukan perhitungan menggunakan persamaan :
13
P = T × 𝝎 ………(2.10) Keterangan :
P : Power / Daya T : Torsi pada Kincir
2.1.5.3. Koefisien Torsi (Cm) dan Koefisien Daya (Cp)
Koefisien Torsi dan Koefisien daya memiliki persamaan seperti di bawah 𝐶𝑚 = 1 𝑇
4𝜌𝐴𝑆𝐷𝑣2………..(2.11)
𝐶𝑝 = 1 𝑃
2𝜌𝐴𝑠𝑣3………..(2.12)
Keterangan :
𝐴𝑆 : Luas sudu (ketinggian rotor dikali luas rotor) 2.1.5.4. Efisiensi Kincir Air Savonius
Efisiensi kincir air Savonius merupakan sebuah parameter yang digunakan untuk mengetahui seberapa baik kinerja kincir itu bekerja, dan nilai efisiensi itu dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut :
𝜂𝑘𝑖𝑛𝑐𝑖𝑟 = Cp × 100%...(2.13) Keterangan :
𝜂𝑘𝑖𝑛𝑐𝑖𝑟 : Efisiensi kincir air Savonius 2.1.7. Ratio Overlap Kincir Air Savonius
Ratio overlap kincir air Savonius merupakan rasio tumpang tindih antar sudu pada kincir air Savonius yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi atau kinerja dari kincir air Savonius itu sendiri. Dengan memanfaatkan rasio tumpang tindih ini kincir air Savonius akan memanfaatkan sebagian kecil energi air yang
14
mendorong bagian sudu concave untuk mendorong bagian sudu convex, sehingga akan mengurangi beban yang menghambat pada sudu sudu bagian convex saat kincir air Savonius bekerja. Ratio overlap (β) pada kincir air Savonius memiliki 2 jenis yaitu primary ratio overlap (e) dan secondary ratio overlap (e’). Nilai optimum dari rasio tumpang tindih pertama (primary ratio overlap) adalah 0,2 sampai 0,25 dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
β = 𝑒
𝑑………..(2.14)
Keterangan:
β : Rasio overlap e : Jarak antar sudu d : Diameter Sudu
Gambar 2. 6 Penerapan ratio overlap (Masramon, 2015)
15
Gambar 2.4 Terambil dari referensi yang meneliti kincir angin, cara kerja dari penggunaan Ratio Overlap kincir angin bisa diterapkan pada kincir air, perbedaannya hanya fluida yang dipakai. Untuk kincir angin menggunakan fluida angin sedangkan kincir air menggunakan fluida air
2.1.8. Aliran Air Tertutup
Penelitian yang kami lakukan menggunakan saluran air yang terbuat dari bahan akrilik, saluran kami ini merupakan saluran tertutup penuh, ini diharapkan agar aliran fluida yang mengalir pada lorong stabil dan fully develop. Dalam ujung lorong terdapat bak yang digunakan untuk menstabilkan aliran dari sungai yang kami pakai, sehingga dari sungai yang beraliran tidak stabil atau bisa juga turbulen akan menjadi Laminer.
Aliran laminer merupakan aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan yang membentuk garis-garis alir dan tidak berpotongan satu sama lain. Alirannya relatif mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajar (laminae) dan mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida. Aliran laminer merupakan aliran fluida tanpa arus turbulen (pusaran air). Partikel fluida mengalir atau bergerak dengan bentuk garis lurus dan sejajar. Laminer adalah ciri khusus dari arus yang memiliki kecepatan rendah. Pada laju aliran rendah, aliran laminer tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran.
Aliran laminer memiliki bilangan Reynold lebih kecil dari 2300.
Seperti yang dapat kita ketahui bahwa berdasarkan Reynold Number aliran fluida dibagi menjadi 3 jenis, di antaranya ; Aliran Laminer (Re < 2300), aliran turbulen (Re > 4000), dan aliran transisi (2300 < Re < 4000). Dalam penelitian
16
harus memperhitungkan panjang saluran agar menghindari turbulen. Dengan teori yang sudah ada maka didapatkan sebuah persamaan yang dapat menghitung Reynold’s Number (Re) sebagai berikut :
Re =𝜌 𝑈 𝐷𝐻
µ ……….(2.15)
Keterangan :
Re : Bilangan Reynold ρ : Masa Jenis Fluida U : Kecepatan aliran fluida
𝐷𝐻 : Diameter hidrolik penampang saluran air µ : Viskositas fluida
Karena fluida dialirkan pada saluran air yang tertutup, maka didapatkan persamaan untuk panjang aliran turbulen sebagai berikut :
𝐿𝐻 Turbulen = 1,359 𝐷𝐻 𝑅𝑒1/4….………...(2.16) 𝐿𝐻 = 𝐿𝐻Turbulen – 10 𝐷𝐻…………...……….(2.17) Keterangan :
𝐿𝐻 : Panjang aliran air fully develop 𝐷𝐻 : Luas penampang saluran air
17
Untuk 𝐷𝐻 pada saluran tertutup sama sisi dapat menggunakan persamaan seperti di bawah :
𝐷𝐻 = 4𝑎𝑎
4𝑎 = a………..…(2.18)
Untuk panjang saluran air (𝐿𝐻) dengan aliran air laminer maka dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
𝐿𝐻= 0,05𝐷𝐻Re………..(2.19)
a
a
Gambar 2. 8 Saluran air persegi tertutup sama sisi
18 2.2 TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian kincir air yang pernah dilakukan oleh Manet dan Bourabaa (2014) yang memiliki judul “Increase in The Savonius Rotors Efficiency Via a Parametric Investigation”. Penelitian ini meneliti variasi overlap (𝑒
𝑑) dengan nilai 0,1, 0,129, 0,160, 0,220, 0,242, 0,280, 0,320, dan 0,5. Variasi tersebut diterapkan pada Kincir Savonius tipe U dan menggunakan simulasi. Hasil pada penelitian ini adalah koefisien torsi (Cm) bernilai 0,33 pada nilai rasio overlap adalah 0,242, itu merupakak torsi yang terbesar yang didapat dari penelitian ini, dan jika dihubungkan ke rumus koefisien daya (Cp) maka didapatkan hasil yang sama juga untuk nilai paling maksimal.
Khan, dkk (2009) dalam penelitian yang berjudul “Performance of savonius Rotors As a Water Current Turbine”, melakukan sebuah variasi kincir dengan 1 tingkat, 2 tingkat, dan 3 tingkat . Tiap-tiap tingkat memiliki sudu 2. Pada kincir dengan 1 tingkat menggunakan sudut 180° untuk jarak kedua sudunya.
Pada kincir 2 tingkat menggunakan sudut 90° untuk jarak pada sudu di tingkat pertama dan sudu di tingkat kedua. Pada kincir 3 tingkat menggunakan sudut 60°
untuk jarak sudu pada tingkat pertama, kedua, dan ketiga. Dari penelitian ini mereka mendapatkan hasil bahwa koefisien daya (Cp) maksimal adalah 0,049 dan koefisien torsi maksimal adalah 0,12 Nm pada kincir air Savonius 2 tingkat dengan sudut 90° untuk jarak sudu pada tingkat pertama dan kedua.
Mobrouki, dkk (2014) dalam penelitian yang berjudul “Performance Analysis of a Water Savonius Rotor : Effect of the Internal Overlap” melakukan sebuah variasi pada primary ratio overlap (e) dan secondary ratio overlap (e’),
19
dengan nilai variasi itu adalah (e-e’)/d = 0, (e-e’)/d = 0,2, (e-e’)/d = 0,3. Variasi ini dilakukan pada kincir air Savonius vertikal sudu tipe U. Pada penelitian ini kincir air diletakkan pada lorong dengan saluran tertutup. Hasil dari penelitian ini adalah Cp tertinggi dihasilkan oleh (e-e’)/d = 0,3 dengan hasil Cp adalah 0,327.
Hasil ini merupakan hasil Cp yang paling tinggi dari variasi lainnya.
Penelitian yang dilakukan Khuluqi (2014) yang berjudul “Analisis pengaruh rasio overlap sudu terhadap unjuk kerja Savonius horizontal axis water turbine”. Penelitian ini menggunakan variasi rasio overlap sudu 0, 0,1, 0,2, 0,3, dan 0,4. simulasi dilakukan dengan menggunakan software Solidwork 2013, penelitian ini menggunakan Computational Fluid Design (CFD). Hasil dari simulasi yang diambil ialah distribusi tekanan pada sudu turbin Savonius, aliran air dan torsi. Torsi yang terbesar pada penelitian ini terjadi pada rasio overlap 0,3 dengan nilai 5,22 Nm, dan torsi terkecil terjadi pada rasio non overlap 0 dengan nilai 4,91 Nm.
Dari semua penelitian yang sudah diteliti oleh beberapa peneliti masih belum meneliti kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal dengan menggunakan rasio overlap. Oleh sebab itu peneliti membuat kincir air Savonius 2 tingkat dengan 2 sudu dan menggunakan rasio overlap. Dengan melihat hasil peneliti sebelumnya kedepannya hasil dari penelitian ini akan mendapatkan hasil yang lebih baik.
20 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada kondisi lingkungan yang terbatas, oleh sebab itu memperlukan skema dan perancangan alat yang mendukung berjalannya penelitian. Perlu pengambilan data dari lingkungan yang akurat selaras dengan skema alat yang akan digunakan untuk menghasilkan hasil yang maksimal dan mengurangi persentase kesalahan dari alat ukur.
Penelitian ini menggunakan kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal dengan 2 sudu pada tingkat pertama dan 2 sudu pada tingkat kedua. Setiap tingkatannya menggunakan jarak 90° antar sudu baik pada sudu tingkat pertama dan sudu di tingkatan kedua. Variasi yang digunakan pada penelitian ini adalah variasi rasio overlep (e/d) = 0,2, (e/d) = 0,25, (e/d) = 0,30. Penelitian ini juga menggunakan kecepatan aliran air yang berbeda-beda yaitu pada kecepatan aliran air 0,8 m/s, 0,9 m/s, dan 1 m/s yang mengalir pada lorong air saluran tertutup setelah melewati bak penampung air yang berfungsi untuk mengukur kecepatan air dan membuat aliran air menjadi laminer.
Pada penelitian ini akan mencari nilai TSR (tip speed ratio), Cp (coeffisient power), Cm (coeffisient torque), dan Efisiensi Kincir (η Kincir) untuk mengetahui seberapa efisienkah kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal
21
yang dipasang pada sungai yang memiliki kecepatan aliran air rendah.
Rasio Overlap 0,2
Rasio Overlap 0,25
Rasio Overlap 0,3 Gambar 3. 1 Rasio Overlap
22 3.2. Diagram Alir penelitian
Diagram alir untuk penelitian ini adalah sebagai berikut :
Studi Pustaka
Konsultasi
Perancangan Alat Penelitian
Pembuatan Alat Penelitian
Perakitan Alat Penelitian
Pengambila Data
Melakukan penelitian dengan variasi : 1. Ratio Overlap = 0.2
2. Ratio Overlap = 0.25 3. Ratio Overlap = 0.3
4. Variasi kecepatan aliran air 0,9 m/s, 1 m/s, dan 1,1 m/s pada semua variasi e.
Mulai
Pengolahan Data
Kesimpulan
Selesai
Hasil Bagus
Hasil Tidak Bagus
Gambar 3. 2 Diagram Alir Penelitian
23 3.3. ALAT DAN BAHAN
3.3.1 Skema set up alat eksperimen
Di dalam melakukan penelitian ini digunakan set up alat seperti yang disajikan di Gambar 3.3 dan Gambar 3.4 :
Gambar 3. 3 Skema Set Up Alat
Gambar 3. 4 Detail Alat Penelitian bagian kincir dan pembebanan
24 Keterangan :
1. Bak Penampung Air 2. Lorong Air
3. Pintu Air
4. Sitem Pembebanan 5. Kincir air Savonius 6. Timbangan
Proses berlangsungnya kerja set up alat dapat dilihat pada skema di bawah ini :
Dapat dilihat pada Gambar 3.5 bahwa (a) merupakan masuknya air ke dalam bak penampung yang berasal dari aliran sungai, Qin merupakan debit masukan air dalam saluran air yang berasal dari bak penampung, (v) merupakan kecepatan air yang berada dalam saluran atau lorong air, Qout 1 merupakan debit air berlebih yang keluar melalui pintu air yang berada pada bak penampung, Qout 2 merupakan debit yang keluar melalui lorong saluran air.
Gambar 3. 5 Skema proses berlangsungnya penelitian
25
Awal dari proses penelitian ini bak penampung akan terisi penuh dengan air yang berasal dari sungai, kemudian aliran air itu akan ditampung pada bak penampung agar mendapatkan aliran laminer, setelah volume air yang ditampung sudah melebihi batas dari pintu air yang berada pada bak penampung maka volume air yang berlebih ini akan dibuang keluar melalui pintu air (Qout 1) untuk kembali ke sungai. Dengan mengatur pintu air maka kita dapat mengatur besaran debit (Q) dan kecepatan air (v) yang berada pada saluran atau lorong air, setelah itu air yang melewati lorong akan dikeluarkan kembali melalui (Qout 2) dan kembali lagi ke sungai.
3.3.2 Spesifikasi dan bagian-bagian utama alat a. Rotor Savonius
Rotor Savonius merupakan alat yang digunakan untuk menangkap energi kinetik, energi potensial, dan energi aliran yang berasal dari aliran air yang mengalir kemudian rotor Savonius akan mengkonversikannya menjadi energi mekanik dengan arah gerakan rotor yang berotasi. Simbol-simbol dan dimensi rotor dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Diameter
Ketinggian Rotor (H)
m
Jarak Celah Rotor
Aspect Ratio (α)
Ratio Overlap (β) Plat
(Df) m
Rotor (D) m
Sudu (d) m
1 (e) m
2 (e') m
0,089 0,081 0,045 0,1 0,009 0 1,23 0,2; 0,25; 0,3 Tabel 3. 1 Spesifikasi Kincir Air Savonius
26 b. Bak Penampung
Bak penampung merupakan bagian utama dari alat untuk penelitian yang berfungsi untuk menampung air yang berasal dari sungai agar mendapatkan kecepatan aliran yang diinginkan dan dikarenakan arus sungai yang tidak tenang bak penampung juga berfungsi agar air yang masuk pada lorong menjadi tenang atau bisa disebut laminer. Agar mendapatkan kecepatan air yang diinginkan maka kita harus mengatur pintu keluaran air yang berada pada bak penampung sebelum air dikembalikan atau dibuang lagi ke sungai.
Bahan yang digunakan untuk membuat bak penampung ini menggunakan triplek, pada bagian dalam bak diberi lapisan plastik dan cat anti air pada bagian- bagian pojok bak bagian dalam supaya ketika air masuk di dalam bak, volume air tidak akan berkurang karena adanya kebocoran pada bak penampung air.
PVC
Poros stainleesteel
Akrilik
Gambar 3. 6 Kincir Air Savonius
27 c. Lorong Air
Pada penelitian tentang kincir air Savonius ini kami menggunakan saluran buatan yang terbuat dari akrilik atau bisa disebut lorong air. Saluran/lorong yang dibuat adalah saluran tertutup, ini dikarenakan aliran air yang berada pada sungai merupakan aliran turbulen, dengan menggunakan lorong air ini aliran air yang tadinya turbulen akan menjadi laminer.
Lorong air yang kami gunakan berbentuk persegi dengan tebal akrilik 5mm tiap sisinya, lebar sisinya 20cm, tinggi dari lorong 20cm, dan panjang dari lorong 4m untuk 1 bagian. Lorong air ini terdiri dari 2 bagian yang apabila digabung panjang akan menjadi 8m. Pada kerangka luar lorong akrilik diberi penopang dari besi agar kuat saat nantinya lorong terisi oleh air. Lorong air ini terbuat dari bahan akrilik dikarenakan aliran air yang nantinya akan melewati lorong dapat terlihat dengan jelas dengan mata telanjang.
Gambar 3. 7 Bak Penampung
28
Untuk perancangan lorong air ini diperlukan perhitungan sebagai berikut :
Dari rumus persamaan (2.14) BAB II dapat ditemukan bilangan Reynold seperti dibawah :
Re = (1000) (1.1) (0.2) (0.001)
= 220000
Dengan hasil 220000 maka dapat disimpulkan bahwa aliran air turbulen sehingga dibutuhkan jarak lorong tertentu agar kondisi aliran menjadi laminer.
Dengan hasil angka Reynold 220000 maka panjang lorong air yang dibutuhkan agar aliran air menjadi laminer adalah 3,88 m. Panjang lorong air ini didapat dari Persamaan (2.14) pada Bab II. Agar menjamin aliran yang di dalam lorong benar- benar laminer maka panjang lorong dibuat 8m.
Gambar 3. 8 Sket Lorong Air
29 d. Sistem Pengukur Torsi
Pembebanan merupakan alat yang dipergunakan pada penelitian ini untuk mengetahui seberapa besar torsi yang dihasilkan oleh kincir dengan cara pengereman secara bertahap atau sedikit demi sedikit. Pembebanan akan mempengaruhi putaran per menit (rpm) yang dihasilkan kincir setelah diberi beban atau di rem. Skema dari sistem pembebanan dapat dilihat pada Gambar 3.9 dan Gambar 3.10.
Gambar 3. 9 Sistem Pengukur Torsi
1 3
2
30 Keterangan :
1. Lengan pengereman 2. Timbangan
3. Penyambung Poros
4. Tali penyambung tuas dan timbangan 5. Lengan Rem
6. Poros Kincir 7. Kincir Air
8. Pegas Lengan Rem 9. Baut Pengencang Rem 10. Kampas Rem
Adapun cara kerja dari alat pengukur torsi adalah sebagai berikut :
Poros cakram yang terdapat pada pembebanan akan di sambung dengan penyambung dengan poros pada kincir sehingga piringan cakram akan ikut berputar apabila kincir berputar. Saat kincir berputar inilah 2 baut yang berada
Gambar 3. 10 Detail Sistem Pengukur Torsi
31
pada lengan akan dikencangkan dengan bersamaan dan lengan pengereman akan bergesekan dengan cakram, lengan pengereman akan terhubung dengan kapas untuk menjepit piringan, pembebanan dilakukan secara bertahap sedikit demi sedikit sampai kincir benar-benar berhenti dan tidak berputar lagi.
3.4. Alat-alat pendukung Penelitian
Alat-alat yang dipergunakan untuk melaksanakan penelitian : Tabel 3. 2 Alat Pendukung Penelitiian
No Alat Kegunaan
1 Tachometer HT-4200
Mengukur kecepatan putar rotor per menit.
2 Timbangan Mengukur pembebanan.
3 Mesin Bor Mengebor spesimen.
4 Current Meter Swoffer 2100
Mengukur kecepatan fluida.
5 Meteran Mengukur spesimen.
6 Mesin Gerinda Memotong spesimen.
7 Amplas Mengamplas spesimen.
8 Gergaji Memotong spesimen.
9 Palu Menumbuk paku pada spesimen.
10 Alat tulis Mencatat data.
32 3.5. Langkah-langkah pengambilan Data
Adapun langkah-langkah yang harus diperhatikan untuk melakukan pengambilan data ini yaitu :
1. Persiapan alat atau pasang set up alat seperti pada Gambar 3.3 pada tempat yang sudah ditentukan.
2. Aliran air sungai diarahkan pada bak penampung dengan cara dibendung.
3. Bak penampung akan terisi oleh air dan air yang dari bak akan meuju lorong untuk menggerakkan kincir.
4. Setelah bak air dan saluran air terisi penuh dengan air maka alirannya akan mulai stabil. Saat alirannya mulai stabil maka ketinggian pintu air akan disesuaikan, sehingga debit air yang masuk ke lorong air sesuai yang diinginkan.
5. Setelah aliran air pada lorong sudah stabil dan menggunakan variasi kecepatan aliran maka data dapat diambil. Beban pada sistem pembebanan ditambah sedikit demi sedikit hingga kincir tidak dapat berputar lagi.
6. Mengambil data terhadap parameter-parameter yang diperlukan.
7. Setelah pengambilan data selesai dengan variasi pertama maka dilanjutkan dengan variasi berikutnya.
8. Set up alat dibongkar satu per satu dan disimpan ke tempat yang aman.
9. Data yang sudah terambil akan diproses untuk mencari koefisien torsi (cm), koefisien daya (Cp), TIp Speed Ratio (TSR), dan efisiensi kincir air savonius.
33 3.6. Analisis Data
Adapun parameter-parameter yang perlu diukur dalam penelitian ini diantaranya : 1. Putaran rotor yang dihasilkan per menit (rpm)
2. Kecepatan aliran air (U) 3. Beban pada kincir (F)
Setelah mengukur parameter-parameter yang diperoleh maka setelah dapat menghitung :
1. Tip Speed Ratio (TSR) 2. Koefisien Torsi (Cm) 3. Koefisien Daya (Cp) 4. Effisiensi Kincir (η Kincir)
Hasil pengolahan dan analisis data akan disajikan dalam bentuk grafik, tabel dan kesimpulan.
34 BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Penelitian
Setelah dilakukan pengambilan data dan pengujian pada kincir air Savonius yang telah dibuat, maka diperoleh beberapa data dengan variasi aliran 0,9 m/s, 1m/s, dan 1,1m/s. Data-data ditampilkan pada Tabel 4.1, 4.2, dan 4.3.
Tabel 4. 1 Pengambilan data Rasio Overlap 0,2
No
Ratio Overlap 0,2
0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s
Beban (N)
Kecepatan Putar kincir
(rpm)
Beban (N)
Kecepatan Putar kincir
(rpm)
Beban (N)
Kecepatan Putar kincir
(rpm)
1 0,0 243,75 0,0 308,75 0,0 362,86
2 0,1 203,75 0,1 253,75 0,1 297,50
3 0,2 173,75 0,2 198,75 0,2 242,50
4 0,3 151,25 0,3 171,25 0,3 196,25
5 0,4 111,25 0,4 140,00 0,4 154,29
6 0,5 0,00 0,5 101,25 0,5 128,00
7 0,6 0,00 0,6 102,22
8 0,7 78,75
9 0,8 0,00
Tabel 4. 2 Pengambilan data Rasio overlap 0,25
No
Ratio Overlap 0,25
0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s
Beban (N)
Kecepatan Putar Kincir
(rpm)
Beban (N)
Kecepatan Putar kincir
(rpm)
Beban (N)
Kecepatan Putar kincir
(rpm)
1 0,0 301,25 0,0 351,25 0,0 393,75
2 0,1 251,25 0,1 310,00 0,1 308,75
3 0,2 201,25 0,2 265,56 0,2 258,89
4 0,3 166,67 0,3 201,25 0,3 203,75
5 0,4 138,75 0,4 158,89 0,4 162,22
6 0,5 100,00 0,5 132,00 0,5 140,00
7 0,6 0,00 0,6 104,44 0,6 105,00
8 0,7 0,00 0,7 83,75
9 0,8 0,00
35
Tabel 4. 3 Pengambilan data rasio overlap 0,3
No
Overlap 0,3
0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s
Beban (N)
Kecepatan kincir (rpm)
Beban (N)
Kecepatan kincir (rpm)
Beban (N)
Kecepatan kincir (rpm)
1 0,0 282,86 0,0 346,25 0,0 375,00
2 0,1 231,25 0,1 282,00 0,1 294,44
3 0,2 193,75 0,2 247,50 0,2 250,00
4 0,3 156,25 0,3 197,50 0,3 191,25
5 0,4 111,25 0,4 156,67 0,4 156,67
6 0,5 0,00 0,5 127,78 0,5 128,89
7 0,6 102,22 0,6 103,33
8 0,7 0,00 0,7 85,00
9 0,8 0,00
4.2 Grafik Hasil Pengolahan Data
Dari semua data yang diperoleh maka dapat diolah kembali dalam bentuk grafik agar dapat mengetahui hubungan antara Torsi (Nm) dengan kecepatan putar poros (rpm), Daya kincir (w) dengan Kecepatan Putaran Poros (rpm) dan Koefisien daya kicir (Cp) dengan Tip Speed Ratio (TSR). Grafik disajikan untuk setiap variasi Rasio overlap dapat dilihat pada Gambar 4.1 sampai Gambar 4.12.
36
4.2.1 Grafik hubungan antara Kecepatan Putaran Poros dengan Torsi
0 50 100 150 200 250 300 350
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
TORSI (T)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 1 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 0,9 m/s
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
TORSI (T)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 2 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 1 m/s
37
Dari hasil penelitian kincir air savonius 2 tingkat poros horizontal dan variasi rasio overlap 0.20, 0,25, dan 0.30 pada kecepatan aliran 0,9 m/s, 1 m/s, dan 1,1 m/s mendapatkan hasil data untuk mencari unjuk kerja terbaik dari kincir air Savonius yang diteliti dengan cara membandingkan data pada semua variasi yang diteliti per kecepatan aliran air yang sama. Pada data hubungan antara torsi dan kecepatan putaran poros dapat dilihat bahwa kincir dengan overlap 0,25 (Gambar 4.1-4.3) pada kecepatan aliran air 1,1 m/s pada rasio overlap 0,2 menghasilkan torsi yang besar diantara kecepatan aliran lainnya. Hal tersebut dapat dilihat pada kecepatan putaran poros sebesar 78,75 rpm dan gaya 0,7 yang menghasilkan gaya torsi sebesar 0,07 Nm. (Gambar 4.3)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
TORSI (T)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 3 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada kecepatan aliran 1,1 m/s
38
4.2.2 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 50 100 150 200 250 300 350
DAYA (P)
KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 4 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 0,9 m/s
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
DAYA (P)
KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 5 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 1 m/s
39
Pada data hubungan antara Daya (watt) dan Kecepatan Putaran poros (rpm) dapat dilihat bahwa nilai kerja overlap 0,25 kecepatan aliran air 1,1 m/s pada semua variasi mendapatkan daya yang paling besar dan daya yang paling besar didapatkan pada variasi overlap 0,25 dengan nilai daya 0,733 watt pada kecepatan putaran poros 140 rpm.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
DAYA (P)
KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 6 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada kecepatan aliran 1,1 m/s
40
4.2.3 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISIEN TORSI
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 7 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 0,9 m/s
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISIEN TORSI
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 8 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1 m/s
41
Pada data hubungan antara koefisien torsi (Cm) dan Tip Speed Ratio (λ) dapat dilihat bahwa kincir air dengan overlap 0,25 nilai paling tinggi pada kecepatan aliran 0,9 m/s dengan rasio overlap 0,25. Dengan nilai koefisien torsi 0,376 (37%) dan Tip Speed Ratio sebesar 0,471 menjadi hubungan tertinggi di antara kecepatan aliran yang lain. Dalam grafik juga bias disimpulkan bahwa semakin sedikit nilai TSR maka akan semakin besar nilai koefisien torsinya.
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISIEN TORSI
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 9 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1,1 m/s
42
4.2.4 Grafik Hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISOEN DAYA
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 10 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 0,9 m/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISIEN DAYA
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 11 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1 m/s
43
Pada data hubungan antara Koefisien Daya Kincir (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR), dapat dilihat bahwa nilai terbesar Koefisien daya kincir (Cp) sebesar 0,197 (19%) dan Tip Speed Ratio (TSR) sebesar 0,654 terdapat pada kecepatan aliran air 0,9 dan rasio overlap 0,25.
4.3 Pembahasan Hasil Pengolahan Data
Dari semua data yang sudah diperoleh dapat disimpulkan bahwa dari variasi kecepatan aliran yang paling menunjukan kinerja terbaik adalah kecepatan aliran 0,9 m/s dengan rasio overlap yang paling bagus adalah 0,25, ini dikarenakan menghasilkan daya sebesar 0,58 (watt), koefisien torsi tertinggi dengan nilai 0,376 (37%) dan koefisien daya tertinggi dari aliran lainnya dengan nilai 0,197 (19%) hanya dengan aliran air yang lambat dari pada kecepatan aliran air yang lain.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
KOEFISIEN DAYA
TIP SPEED RATIO
Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3
Gambar 4. 12 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada kecepatan aliran 1,1 m/s
44 4.4 Perbandingan Hasil Penelitian
Data pada hasil penelitian yang sudah dilakukan ini akan dibandingkan dengan data penelitian yang sudah ada. Penelitian tersebut adalah hasil penelitian berdasarkan dengan penelitian oleh (Mabrouki, dkk, 2014) yang berjudul Performance Analysis of a Water Savonius Rotor: Effect of the Internal Overlap, Sustainable Energy, tahun 2014. Dan (Nahidun, dkk, 2009) yang berjudul Performance of Savonius rotor as a water current turbine.
Dimensi masing-masing kincir disajikan pada tabel berikut:
Tabel 4. 4 Dimensi kincir air Savonius
Tabel 4. 5 Data dari Refrensi 1
Tabel 4. 6 Data dari Refrensi 2 D (m) H (m) Jumlah
Sudu
Jumlah Tingkatan
Ujung Plat (DF) Referensi
1 0,190 0,2 2 1 Tidak Ada
Refrensi
2 - - 2 2 Ada
Penelitian 0,081 0,1 2 2 Ada
Rasio Overlap
Kecepatan Putar Kincir
(rpm)
P Cp TSR Kecepatan
Ailiran
0,0 685 15,05 0,21 3,02 2,45
0,2 675 14,00 0,18 2,40 2,45
0,3 737 19,28 0,32 2,51 2,45
Rasio Overlap
Kecepatan Putar Kincir
(rpm)
P Cp TSR Kecepatan
Ailiran
- 70 2,2 0,049 0,8 1
45
Tabel 4. 7 Data dari penelitian
Berdasarkan perbandingan antara data yang dari refrensi 1 dan data hasil penelitian, terdapat perbedaan nilai koefisien daya paling tinggi, didalam refrensi untuk Koefisien Daya paling tinggi terletak pada Ratio Overlap 0,3, sedangkan di dalam penelitian, Koefisien daya paling tinggi terdapat pada Ratio Overlap 0,25.
pada refrensi 2 koefisien daya maksimal yang dimiliki oleh Kincir air Savonius 2 tingkat adaah 0,049 pada kecepatan 1 m/s sedangkan pada penelitian koefisien daya maksimal adalah 0,197 pada kecepatan 0,9, adapun penyebab dari perbedaan hasil itu diantaranya:
1. Penambahan tingkatan sudu yang terdapat pada kincir air Savonius menjadi 2 tingkatan.
2. Penambahan diameter plat pada ujung sudu (Df).
3. Kecepatan aliran air yang berbeda.
4. Skema dan dimensi yang berbeda pada alat penelitian.
Rasio Overlap
Kecepatan Putar Kincir
(rpm)
P Cp TSR Kecepatan
Aliran
0,20 151,25 0,47 0,16 0,71 0,9
0,25 138,75 0,58 0,19 0,65 0,9
0,30 156,25 0,49 0,16 0,73 0,9
46 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan
Setelah melakukan pengujian dengan menggunakan variasi rasio overlap dengan tidak menggunakan deflektor, dan juga menggunakan variasi kecepatan 0,9 m/s, 1 m/s, dan 1,1 m/s dapat diambil kesimpulan bahwa :
1. Telah dibuatnya kincir air Saavonius 2 tingkat poros horizontal dengan variasi rasio overlap 0,2, 0,25, 0,3.
2. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan efek rasio overlap berpengaruh pada koefisien daya, terjadi peningkatan koefisien daya dari rasio overlap 0,2 ke rasio overlap 0,25 dan koefisien daya turun pada rasio overlap 0,3 di semua variasi kecepatan aliran. Koefisen daya terbesar bernilai 0,197 pada kecepatan 0,9 m/s.
3. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa efek rasio overlap mempengaruhi nilai koefisien torsi, ini terjadi karena adanya peningkatan koefisien torsi pada rasio overlap 0,25 di semua kecepatan aliran. Dengan nilai maksimal koefisien torsi 0,376 (37%) pada kecepatan air 0,9 m/s.
4. Dari data penelitian ini dapat disimpukan bahwa efek dari rasio overlap mempengaruhi Tip Speed Rasio (TSR), TSR mengalami peningkatan pada rasio overlap 0,25 di semua variasi kecepatan.
5. Setelah data diolah maka dapat ditarik kesimpulan bahwa efek rasio overlap mempengaruhi effisiensi kincir, efisiensi kincir akan meningkat
47
pada rasio overlap 0,25 pada semua kecepatan aliran. Efisiesi maksimal terdapat pada rasio overlap 0,25 pada kecepatan 0,9 m/s dengan nilai 19%.
48 6.2 Saran
1. Penelitian kincir air savonius harus dilakukan di aliran yang memiliki aliran air dan bersih terbebas dari sampah agar memudahkan dalam melakukan penelitian.
2. Amatilah kondisi lapangan yang akan digunakan untuk penelitian agar memudahkan saat set alat di lapangan.
3. Poros kincir dan poros pembebenan (pengereman) harus sangat benar- benar lurus karena akan berakibat pada rugi-rugi akibat suatu gesekan yang akan mempengaruhi kecepatan putar poros.
4. Lorong dan bak air harus benar-benar sejajar, dan diusahakan tidak ada yang bocor karena akan berakibat pada kecepatan aliran.
