STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT
KELENGKUNGAN SUDU DARI
HORIZONTAL AXIS WATER
TURBINE
DENGAN TIPE
DRAG
TERHADAP
POWER
GENERATION
PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
MUHAMMAD ALWAN ROSYIDI NIM. I 1412012
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016
KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS SEBEIAS MARET - FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM
STUDI
51
TRANSFER
TEKNIK
MES]N
Jl lr Sutami No. 36A Kentingan Surakarta Telp. 0271 632163 web: mesin.ft.uns.ac.id
Nama
NIM
Bidang
Pembimbing L
Pembimbing 2
Penguji
SURAT TUGAS PEMBTMBING DAN PENGUTT TUGAS AKHIR
PROGRAM SARJAHA TEKNTK MESTN UNS Program Studi :51 Transfer Teknik Mesin
Nomor : O61*/TA/51/O5/2O15
:MUH. ALWAN ROSYIDI :11412OL2
:Konversi Energi
:DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT/1971O6151998O21OO2
:D. DANARDONO, ST, MT, PhD/1969O5141999O31OO1
: 1. Prof. Dr, DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MTI
r97403262000031OO1
2. BUDI KRISTIAWAN, ST,MT/ Lg71O4251g9gO31OO1
3, PURWADT
'OKO
WIDODO, ST, lU. KOMI
197301261997021001 Mata Kuliah Pendukung
1. ME|(ANTKA FLUTDA 2(MS56012-10)
2.AERO DAN lllDRO DlltlAMll(A(MSO6o33-1O) 3. POMPA DAN KOMPRESOR(]r|SO6IO3-1O)
JudulTugas Akhir
''STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT
KELENGKUNGAN SUDU HORIZONTAL
AXIS
WATER
TURBINE
DENGAN
TIPE
DRAG
TERHADAP
POWER
GENERATION
PADA
ALIRAN
AIR
DALAM
PIPA''
a,
2015-05-29 L4:rogram Studi 51 Te esln,
G. SYAMSUL HADI,
9710615199802 1002
Tembusal-: '
1. Mahasiswa ybs,
2. Dosen Pembimbing TA ybs.
3. Koordinator TA.
4. Arsip.
STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU
HORIZOTTITAT AXIS WATER TURBINE DENGAI{ TIPE DRAG TERHADAP
POWER GE]IIERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
Disusun Oleh
WAN ROSYIDI L4r2012
Dosen Pembimbing L
DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT
NtP. L9710615199802 1002
Telah dipertahankan di depan Tim Dosen Penguji pada tanggal
1O:OO:OO, bertempat di M.1O1,
Gd.l
FT-UNS.1.
Prof. Dr. DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MT L97 40326200003L001o4-o2-2016 pukul
BUDI KRISTIAWAN,sT,MT r971,04251999031001
PURWADT JOKO W|DODO, 5T, M, KOM L97 30126L997 02100t
2.
3,
imbing
NO,5T, MT, PhD
NtP. 195905141999031001
6:i;;i
-- -\- r'*r--f
/sXi"i7-
{u
raxc
\fiI
"fto, urr, ,,, r,**r*l)S
i,ftr+
l ?i
z.\ iF=*4
elty
oi^, i'J,l l*$"
Program Studi Teknik
nik Universitas Se
Surakarta
G. SYAMSUL HADI, ST,MT
N lP. L97 10615199802 1002
Koord inator Tugas Akhir
iv
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT
KELENGKUNGAN SUDU DARI
HORIZONTAL AXIS WATER
TURBINE
DENGAN TIPE
DRAG
TERHADAP
POWER
GENERATION
PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
Muhammad Alwan Rosyidi Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
e-mail : rosyidi.alwan@yahoo.com
Abstrak
Kondisi curah hujan dan gedung-gedung bertingkat tinggi di daerah perkotaan merupakan faktor potensial penting dalam pengembangan sebuah energi alternatif. Sebuah konsep tentang Horizontal Axis Water Turbine diajukan sebagai sarana dalam membangkitkan energi listrik dengan head yang rendah. Penelitian ini fokus pada pengaruh sudut kelengkungan sudu dari Horizontal Axis Water Turbine terhadap daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari performa maksimal yang dihasilkan dari berbagai variasi sudut kelengkungan sudu. Variasi sudut kelengkungan sudu adalah 100°, 110°, 120°, 130°, dan 140°. Dengan head 2 m, performa maksimal didapat pada sudut kelengkungan sudu 140°. Daya listrik dan koefisien daya pada sudut kelengkungan sudu 140° masing-masing 4,2 Watt dan 0,023.
Kata kunci : sudut kelengkungan sudu, turbin tipe drag, turbin air Savonius,
power generation
Abstrack
The high rainfall and the high-rise building in urban areas are important potential factor in developing the alternative energy. A concept of Horizontal Axis Water Turbine is proposed as a media to generate the electrical energy with low head condition. This research focuses on the effect of various blade curvature angle to power generation of Horizontal Axis Water Turbine. The purpose of this research is to find the maximum performance from a various blade curvature angle of 100°, 110°, 120°, 130°, and 140°. By the head of 2 m, the maximum performance of electrical power and power coefficient were respectively 4.2 Watt and 0.023 at blade curvature angle of 140°.
v
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan atas rahmat dan karunia yang
diberikan oleh Allah SWT sehingga penulis dapat melaksanakan dan
me-nyelesaikan Skripsi “Studi Eksperimental Pengaruh Sudut Kelengkungan
Sudu Dari Horizontal Axis Water Turbine Dengan Tipe Drag Terhadap Power Generation Pada Aliran Air Dalam Pipa” ini dengan baik Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan
Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Skripsi ini tidap mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari pihak-pihak
tertentu. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang
sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan
Skripsi ini, terutama kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT selaku Pembimbing I yang
senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam
menyelesaikan skripsi ini
2. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing II yang telah turut
serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT , bapak Budi Kristiawan,
ST, MT dan bapak Purwadi Joko Widodo, ST, M.Kom selaku dosen penguji
tugas akhir yang telah memberi saran yang membangun.
4. Bapak Dr. Nurul Muhayat, ST, MT, selaku koordinator Tugas Akhir.
5. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT, selaku Kepala
Laboratori-um Perpindahan Panas dan Termodinamika UNS yang telah memberikan
izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis.
6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do’a restu, motiv
a-si, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas
vi
8. Teman-teman satu Grup Riset Penelitian “Prototipe Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) Untuk Green Energydi Bangunan Bertingkat” atas kerja
samanya dengan gagasan-gagasan yang telah dicetuskan.
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 mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi
ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan
ber-manfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Januari 2016
vii DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN SURAT PENUGASAN ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
ABSTRAK ... iv
KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR PERSAMAAN ... xi
DAFTAR NOTASI ... xii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 3
1.3. Batasan Masalah... 3
1.4. Tujuan ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 4
1.6. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI... 5
2.1. Tinjauan Pustaka ... 5
2.2. Dasar Teori ... 8
2.2.1. Turbin Air ... 8
2.2.2. Pemilihan Turbin Air ... 12
2.2.3. Drag-type Turbine ... 13
2.3. Parameter yang Digunakan Dalam Perhitungan ... 15
2.3.1. Daya Input ... 15
2.3.2. Daya Output ... 15
2.3.3. Koefisien Daya (Cp) ... 16
viii
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 17
3.1. Tempat Penelitian... 17
3.2. Desain Alat ... 17
3.2.1. Desain Rotor Turbin Dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu ... 17
3.2.2. Desain Alat Uji ... 18
3.3. Bahan dan Alat Penelitian ... 19
3.3.1. Bahan Penelitian ... 19
3.3.2. Alat Penelitian ... 20
3.4. Pra-Study ... 20
3.5. Garis Besar Penelitian ... 20
3.6. Pelaksanaan Penelitian ... 20
3.7. Diagram Alir Penelitian ... 21
BAB IV DATA DAN ANALISA ... 22
4.1. Simulasi Drag-type Turbine dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu ... 22
4.2. Aliran Fluida Masuk ... 25
4.3. Tip Speed Ratio ... 28
4.4. Daya Input ... 30
4.5. Performa Rotor ... 31
BAB V PENUTUP ... 35
5.1. Kesimpulan ... 35
5.2. Saran ... 35
DAFTAR PUSTAKA ... 36
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin Air ... 10
Tabel 4.1 Nilai torsi dari tiap-tiap variasi sudut kelengkungan sudu ... 25
Tabel 4.2 Efek rotor terhadap aliran fluida masuk ... 26
Tabel 4.3 Kecepatan fluida masuk pada variasi sudut kelengkungan sudu ... 28
Tabel 4.4 Kecepatan putar dan Tip Speed Ratio pada masing-masing variasi sudut kelengkungan sudu... 29
Tabel 4.5 Daya input dari setiap variasi sudut kelengkungan sudu. ... 30
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Modifikasi Savonius rotor tanpa poros (Kamoji et al., 2009) ... 6
Gambar 2.2 Savonius rotor secara konvensional (Kamoji et al., 2009) ... 6
Gambar 2.3 Modifikasi Savonius rotor dengan penambahan poros
(Kamoji et al., 2009) ... 7
Gambar 2.4 Skema turbine hydroelectric jenis Pelton (Dixon & Hall, 2013) ... 10 Gambar 2.5 [a] Francis rotor hydroelectric turbine [b] Skema aliran pada
Francis turbine (Dixon & Hall, 2013) ... 11 Gambar 2.6 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan ketinggian
Head dan laju aliran volume (Dixon & Hall, 2013) ... 12 Gambar 2.7 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen et al., 2013) ... 13 Gambar 2.8 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan
Savonius wind turbine (Sarma et al., 2014) ... 14 Gambar 2.9 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan
sudu (Ahmed et al., 2013) ... 14
Gambar 3.1 Skema sudut busur pada sudu rotor turbin ... 17
Gambar 3.2 Desain alat uji Horizontal Axis Water Turbine ... 18 Gambar 3.3 Bahan uji Horizontal Axis Water Turbine dengan berbagai variasi
sudut kelengkungan sudu ... 19
Gambar 3.4 Diagram alir penelitian Horizontal Axis Water Turbine dengan variasi sudut kelengkungan sudu ... 21
Gambar 4.1 Simulasi Drag-type Turbine dengan variasi sudut kelengkungan sudu 120° (a) Streamline kecepatan (b) Kontur tekanan ... 22 Gambar 4.2 Nilai torsi pada tiap-tiap posisi sudu dari proses simulasi ... 24
Gambar 4.3 Ilustrasi aliran fluida masuk ... 26
Gambar 4.4 Grafik hubungan sudut kelengkungan sudu terhadap aliran fluida masuk ... 27
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara variasi sudut kelengkungan sudu dengan kecepatan putar dan TSR ... 29
Gambar 4.6 Hubungan antara sudut kelengkungan sudu terhadap performa rotor ... 32
xi
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan(2.1) Daya Input ... 15
Persamaan (2.2) Diferensial Daya Listrik ... 15
Persamaan (2.3) Diferensial Daya Listrik (Penjabaran) ... 15
Persamaan (2.4) Daya Output/ Daya Listrik ... 15
Persamaan (2.5) Koefisien Daya ... 16
Persamaan (2.6) Tip Speed Ratio ... 16
xii
DAFTAR NOTASI
Nomenclature
= Aliran fluida masuk [m3]
= Daya input [Watt]
/ = Daya output / Daya listrik [Watt]
= Debit Over flow [m3/s]
= Debit pada pompa [m3/s]
= Diameter rotor [m]
= Electrical current [Ampere]
= Energi listrik [Joule]
= Hambatan listrik [Ohm]
= Head fluida [m]
= Kecepatan aliran pada Overflow [m/s]
= Kecepatan fluida masuk [m/s]
= Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa [m2]
= Percepatan gravitasi [m/s2]
= Voltage [Volt]
= Waktu [s]
Parameter tanpa dimensi
= Koefisien daya
= Tip Speed Ratio
Greek Symbol
= Blade arc angle [°]
= Kecepatan sudut [rad/s]
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data Hasil Percobaan ... 39
Lampiran 2 Perhitungan dan Data Perhitungan ... 42
Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa ... 45
Lampiran 4 Simulasi Drag-type Turbine pada sudut kelengkungan sudu 120° ditinjau dari perubahan posisi sudu ... 47
Lampiran 5 Simulasi Drag-type Turbine dari berbagai sudut kelengkungan sudu ... 52