BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

7

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Turbin Air

Turbin air merupakan alat atau mesin yang dapat merubah energi air sebagai fluida kerja yang berasal dari head maupun kecepatan aliran menjadi energi mekanik dalam bentuk rotasi. Putaran turbin ini dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Berdasarkan pengubahan momentum dari fluida kerja, turbin air dapat dikelompokkan menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. Penggunaan tipe turbin tergantung dari kondisi operasi turbin, yaitu pada head dan debit aliran.

2.1.1 Turbin Impuls

Turbin impuls merupakan turbin yang pengaplikasiannya dilakukan dengan mengkonversikan seluruh energi pada air menjadi energi kinetik melalui nozzle.

Energi kinetik yang didapat dari kecepatan digunakan sebagai penggerak turbin dengan mengarahkan nozzle pada sudu turbin yang memiliki bentuk tertentu.

Turbin bergerak akibat adanya gaya dorong dari air yang keluar dari nozzle dan mendorong turbin untuk berputar. Putaran turbin impuls bekerja pada tekanan atmosfer, sehingga tidak ada perbedaan tekanan pada sisi masuk air dan keluar air.

Gambar 2.1 Turbin Impuls (Raja dkk, 2006)

8

2.1.2 Turbin Reaksi

Turbin reaksi menggunakan kecepatan dan tekanan untuk menggerakkan turbin. Energi dari air diubah menjadi kecepatan dan juga tekanan yang akan menyebabkan sisi masuk turbin memiliki tekanan lebih tinggi dari sisi keluar turbin.

Perbedaan tekanan ini menyebabkan turbin reaksi memiliki sisi masuk yang bekerja tidak pada ruang terbuka seperti turbin impuls.

Gambar 2.2 Turbin Reaksi (Raja dkk, 2006).

2.2 Turbin Rotor Savonius

Savonius Rotor adalah turbin angin sumbu vertikal yang beroperasi pada dasarnya karena gaya seret angin pada sudu mereka, tetapi gaya angkat juga berkontribusi terhadap daya mekanis yang ditransmisikan ke poros. Gambar 2.3 menunjukkan parameter karakteristik turbin angin Savonius dengan dua profil setengah lingkaran.

9 Gambar 2.3 Karakteristik Turbin Savonius Dua Profil Setengah Lingkaran (Akwa dkk, 2012).

Turbin diilustrasikan diserahkan ke angin dengan kecepatan turbulence Vo, dan tingkat rotasi diwakili oleh ω. Berputar disepanjang sudut yang posisi diberikan ketika rotor bergerak di lintasan mereka, mereka menunjukkan kontur yang berbeda dengan angin, secara siklik mengubah koefisien drag dan lift. Dengan demikian, torsi yang dihasilkan oleh rotor, pada ω konstan, bervariasi secara siklis selama rotasi perangkat.

Pada rancangan rotor Savonius L ini, angin yang menumbuk salah satu bilah rotor sehingga rotor berputar, titik pusat gaya dorong angin pada rotor akan bergeser menjauhi poros rotor. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan torsi yang lebih besar. Rancangan rotor Savonius L terinspirasi oleh paten pengembangan rotor Savonius oleh Sadaaki dengan nomor paten JP2003293928. Dari Gambar 2.4 jelas terlihat bahwa pada bentuk rotor Savonius setengah lingkaran (Savonius U), aliran udara di kedua sisi bilah sama besar, sementara pada rancangan kedua (Savonius L) aliran udara pada sisi bilah yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran (Bahri S. dkk, 2014).

10

(a) (b)

Koefisien daya digunakan untuk mengevaluasi kinerja turbin angin. Koefisien ini mewakili fraksi daya yang diekstraksi dari total yang tersedia dalam aliran bebas aliran udara pada kecepatan tanpa turbulence Vo yang mengalir melalui area rotor yang diproyeksikan pada arah aliran, ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Proyeksi Rotor Pada Arah Aliran (Akwa dkk, 2012).

2.3 Deflector

Deflector adalah sebuah konstruksi yang bertujuan untuk mengarahkan suatu aliran fluida ke arah tertentu atau mempersempit luas ruang keluaran fluida tersebut, deflector juga bisa digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan kecepatan suatu aliran fluida. Deflector yang diterapkan pada turbin tipe Savonius maka dapat mengurangi gaya drag, meningkatkan kecepatan aliran, dan dapat meningkatkan efisiensi turbin (Abadi, 2018). Desain atau rancangan turbin Savonius menggunakan deflector pada Gambar 2.6 sebagai berikut.

Gambar 2.4 Tipe Sudu Savonius, (a) Tipe U, (b) Tipe L (Bahri S. dkk, 2014).

11 Gambar 2.6 Struktur Turbin Savonius Dengan Deflector (Abadi, 2018).

Gambar 2.6 menunjukkan bahwa (a) merupakan deflector yang berguna untuk mengarahkan aliran sesuai dengan pengarahnya dimana aliran dilambangkan oleh (c). Deflector mengarahkan aliran air kemudian membuat turbin yang dilambangkan (b) dapat berputar setelah aliran air menyentuh salah satu sudu turbin (Abadi, 2018).

2.4 Prony Brake

Frictional (Prony Break) Dynamometer cara kerjanya poros memutar piringan (disc) dan sebuah rem menekan menghasilkan gesekan pada lapisan luar piringan yang mengurangi putaran. Gaya pada pengereman sama dan berlawanan dengan gaya pada piringan. Skema frictional dynamometer ditunjukkan pada Gambar 2.7 sebagai berikut.

12

Gambar 2.7 Frictional Dynamometer (Gitano-Briggs, 2008).

2.5 Perhitungan pada Turbin

Perhitungan pada turbin diperlukan untuk menentukan variabel-variabel yang akan digunakan dalam penelitian.

2.5.1 Kontinuitas Fluida

Persamaan kontinuitas adalah persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida dari satu tempat ke tempat lain. Fluida yang mengalir masuk ke dalam suatu volume yang dilingkupi permukaan di titik tertentu akan ke luar. Fluida masuk ke dalam sebuah pipa, massa yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya walaupun memiliki diameter yang berbeda, atau dapat dikatakan bahwa massa yang masuk dan keluar adalah konstan.

Persamaan kontinuitas merupakan persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai dari debit air, persamaan kontinuitas dirumuskan pada Persamaan 2.1 sebagai berikut.

Q = vA (2.1) (Maryono, 2003).

Dimana Q adalah debit air, kemudian v adalah kecepatan aliran air (m/s) dan A adalah luas penampang (m) (Maryono, 2003).

13 2.5.2 Perhitungan Energi Air

Aliran air yang mengalir memiliki energi yang dapat digunakan untuk memutarkan rotor turbin air. Energi ini adalah Energi Mekanik yang didapatkan dengan menjumlahkan Energi Kinetik dan Energi Potensial yang terdapat pada aliran air.

A. Energi Kinetik :

Energi kinetik merupakan energi yang berhubungan dengan benda – benda bergerak. Energi ini berasal dari massa suatu objek yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Energi Kinetik dapat dirumuskan pada Persamaan 2.2 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai dari energi kinetik dalam satuan Joule.

𝐸𝐾 =¹

2𝑚𝑣² (2.2)

(Abadi, 2018).

Dimana EK adalah energi kinetik yang didapatkan dengan mengalikan massa (kg) dengan kecepatan aliran air (m/s) dipangkatkan 2, kemudian dibagi dengan 2, satuan EK adalah Joule (Abadi, 2018).

B. Energi Potensial :

Energi Potensial adalah energi yang mempengaruhi benda karena posisi (ketinggian) benda tersebut dengan arah dari gaya yang ditimbulkan dari energi potensial tersebut. Energi Potensial dapat dirumuskan pada Persamaan 2.3 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai dari energi potensial dalam satuan Joule.

𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ (2.3)

(Abadi, 2018).

Dimana EP adalah energi potensial yang didapatkan dengan mengalikan massa (kg) dengan gravitasi (m/s²), kemudian dikalikan dengan ketinggian (m), satuan EP adalah Joule (Abadi, 2018).

C. Energi Mekanik :

Energi Mekanik adalah energi yang muncul saat suatu alat menangkap Energi Kinetik dan Energi Potensial pada aliran fluida. Energi Mekanik

14

dapat dirumuskan pada Persamaan 2.4 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai energi mekanik dalam satuan Joule.

𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 + 𝐸𝑃 (2.4)

(Abadi, 2018).

Dimana EM adalah energi mekanik yang didapatkan dengan menjumlahkan energi kinetik (Joule) dengan energi potensial (Joule), satuan EM adalah Joule (Abadi, 2018).

2.5.3 Perhitungan Tip Speed Ratio (λ)

Tip Speed Ratio (λ) atau TSR pada turbin angin (untuk kasus ini pada turbin aliran air) adalah rasio antara kecepatan rotasi pada ujung sudu dan kecepatan aktual dari aliran air yang kemudian berpengaruh terhadap kecepatan putar rotor. TSR dapat dirumuskan pada Persamaan 2.5 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai TSR dan Persamaan 2.6 digunakan untuk mendapatkan nilai kecepatan sudut dalam satuan rad/s.

λ =^𝜔𝐷

2𝑣 (2.5)

𝜔 = ^2𝜋𝑛

60 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 (2.6)

(Abadi, 2018).

dengan v adalah kecepatan aliran masuk fluida (m/s), 𝜔 adalah kecepatan sudut (rad/s), n adalah kecepatan rotasi per menit (rpm) rotor dan D adalah diameter rotor (m) (Abadi, 2018).

2.5.4 Perhitungan Daya Mekanik Turbin

Daya turbin merupakan torsi yang dihasilkan oleh turbin dikalikan dengan kecepatan sudut turbin. Daya turbin dapat dirumuskan pada Persamaan 2.7 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai daya turbin dalam satuan J/s dan Persamaan 2.9 digunakan untuk mendapatkan nilai torsi dalam satuan N/m.

𝑃_𝑡 = 𝑇 𝜔 (2.7)

𝑃_𝑡 = 𝑇 ^{2 𝜋 𝑛}

60

(2.8)

𝑇 = 𝐹𝐿 (2.9)

(Abadi, 2018).

15 dimana 𝑃_𝑡 adalah daya turbin (J/s) dan 𝑇 adalah momen gaya turbin (N.m), F adalah gaya yang dihasilkan oleh beban dikalikan gravitasi, L adalah panjang lengan torsi (Abadi, 2018).

2.5.5 Perhitungan Koefisien Torsi

Koefisien torsi dari turbin air dapat dirumuskan pada Persamaan 2.10 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai koefisien torsi dari rotor.

𝐶_𝑚 = ^4𝑇

𝜌𝐻𝐷²𝑈² (2.10) (Abadi, 2018).

Dimana Cm adalah koefisien torsi dari rotor dengan 𝜌 adalah massa jenis air (kg/m3), H adalah ketinggian head dalam satuan meter dan D adalah diameter rotor dalam satuan meter (Abadi, 2018).

2.5.6 Perhitungan Koefisien Daya

Koefisien daya dari turbin air dapat dirumuskan pada Persamaan 2.11 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai koefisien daya dari rotor.

𝐶_𝑝 = ^2𝑃𝑡

𝜌𝐻𝐷𝑈³ (2.11)

(Abadi, 2018).

Dimana 𝐶_𝑝 adalah koefisien dari daya rotor (Abadi, 2018).

2.5.7 Perhitungan Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin didapatkan dari membandingkan daya dari turbin dengan daya dari air, sehingga rumus untuk efisiensi turbin (𝜂_𝑡)yang digunakan adalah pada Persamaan 2.12 dimana persamaan ini digunakan untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin yang dinyatakan dalam %.

𝜂_𝑡 = 𝐶_𝑝× 100% (2.12) (Abadi, 2018).

16

2.6 Penelitian Terdahulu

Nama dan Tahun Publikasi

Judul

Referensi Variasi Hasil

Joao Vicente Akwaa, Horacio Antonio Vielmo dan

Adriane Prisco Petry

(2012)

A Review on the Performance

of Savonius Wind Turbines

Konfigurasi Rotor dan

Pengarah Aliran

1. Keuntungan kinerja hingga 50% untuk rasio kecepatan tip dari koefisien daya rata- rata maksimum juga dilaporkan dengan penggunaan pengarah aliran.

Rosmin, dkk (2015)

Studi eksperimental

untuk turbin ukuran mikro Savonius dua tahap dan dua

tingkat berbilah untuk

sistem pemanenan air

hujan (RWH) sistem

Konfigurasi Rotor

1. Rotor Savonius dapat digunakan untuk digunakan sebagai turbin RWH karena rotor ini dapat berputar dengan cepat, sederhana dan mudah dirancang dan digunakan.

Jamal (2019)

Pengaruh Jumlah Sudu

Terhadap Kinerja Turbin

Savonius

Jumlah Sudu

1. Turbin 2 sudu

menghasilkan putaran yang lebih besar dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu, tetapi turbin 2 sudu memiliki momen torsi yang rendah dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu.

Nadhief (2019)

. Studi Eksperimental

Pengaruh Variasi Sudut

Blade Arc Terhadap Performa Savonius Horizontal Axis Water Turbine Tipe L

Pada Aliran Dalam Pipa

Bentuk Sudu dan Sudut Blade Arc

1. Turbin tipe L dengan sudut blade arc 135º memiliki power coefficient paling tinggi sebesar 27% dengan TSR sebesar 1,320 dibandingkan turbin dengan sudut blade arc 120º dan 150º

Abadi (2018) Kincir Air Poros Vertikal

Kecepatan Aliran dan

1. Koefisien daya tertinggi yang dihasilkan sebesar

17 Nama dan

Tahun Publikasi

Judul

Referensi Variasi Hasil

Tipe Savonius Dua Sudu

Terbuka dengan Menggunakan

Deflector

Pengarah Aliran

0.715 (71,5%) pada kecepatan aliran air 0,75 m/s dan daya sebesar 1,509 W.

2. penggunaan deflector dapat meningkatkan koefisien daya (CP), koefisien torsi (CM), dan (TSR) pada turbin air tipe Savonius.

Irawan (2014)

Pengaruh Profil dan Jumlah

Sudu pada Variasi Kecepatan Angin terhadap Performa Turbin

Angin Vertikal Axis Savonius

Profil dan Jumlah Sudu

1. Turbin angin Savonius profil L baik pada jumlah sudu 2, 3 maupun 4 sudu mampu berputar pada kecepatan lebih rendah dibandingkan dengan profil U. Akan tetapi profil L menghasilkan daya yang lebih rendah dari profil U.

18

(Halaman ini sengaja dikosongkan)