5
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Air
Sumber energi air di Indonesia memiliki potensi yang menjanjikan untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga air. Hal itu disebabkan oleh kondisi topografi Indonesia yang berbukit dan bergunung dimana daerah tersebut banyak dialiri oleh sungai dan di daerah – daerah tertentu terdapat danau atau waduk yang memiliki potensi untuk dijadikan potensi sumber energi air. Pembangunan setiap jenis pembangkit listrik didasarkan pada kelayakan teknis dan ekonomis dari pusat listrik serta hasil studi analisi mengenai dampak lingkungan yang dapat ditimbulkan akibat dari aktivitas pembangkit listrik. Dalam praktiknya kita harus dapat mempertimbangkan ketersedian sumber energi tertentu, adanya kebutuhan (permintaan) energi listrik oleh masyarakat di berbagai sektor kehidupan, biaya pembangunan dan perawatan pembangkit listrik, serta karakteristrik setiap jenis pembangkit untuk dapat diberi beban dasar (base load) dan beban puncak (peak load) selama pembangkit tersebut beroperasi (Lubis, 2007).
2.2 Turbin Air
Energi listrik menjadi kebutuhan primer bagi kehidupan masyarakat kini terutama dalam penggunaan segala macam teknologi yang membutuhkan sumber energi listrik sebagai energi penggeraknya. Untuk menghasilkan listrik manusia menciptakan pembangkit listrik yang sumber energinya didapat dari energi fossil yang kemudian diolah untuk diubah menjadi energi listrik. Namun penggunaan energi fossil sendiri memunculkan masalah sosial yaitu polusi lingkungan.
Penggunaan energi baru terbarukan merupakan salah satu solusi bagi masalah tersebut. Energi ini tersedia di alam dalam jumlah tak terbatas dan dapat diperbarui.
Salah satu energi baru terbarukan yang umumnya kita ketahui adalah energi air.
Energi air meliputi energi kinetik dan energi potensial yang dimiliki oleh air yang kemudian dimanfaatkan untuk dijadikan energi gerak yang dapat memutarkan turbin. Turbin air adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran air. Turbin umumnya memiliki rotor yang terdiri dari beberapa sudu yang berfungsi
6
sebagai lintasan yang dilalui oleh aliran air yang kemudian akan menggerakkan poros turbin.
Adapun keuntungan yang dapat diperoleh dengan menggunakan turbin dalam instalasi sistem pembangkit listrik tenaga air antara lain :
1. Ruang instalasi yang diperlukan turbin air cukup kecil dan ringkas.
2. Dapat dioperasikan dengan variasi debit aliran air rendah maupun debit aliran air tinggi.
3. Mampu menghasilkan daya yang kebih besar dengan nilai masukan yang relatif kecil.
4. Mampu memanfaatkan beda ketinggian permukaan air dari yang tinggi sampai yang relatif rendah.
5. Dapat bekerja dengan baik walaupun terendam didalam air.
6. Dapat dikonstruksikan dengan sumbu poros vertikal maupun sumbu horizontal.
7. Mempunyai efisiensi yang relatif baik dan stabil.
2.3 Turbin Sumbu Vertikal
Turbin Sumbu vertikal (TSV) merupakan turbin yang memiliki sumbu yang tegak lurus dengan gerakan poros dan rotor yang sejajar dengan arah datangya fluida kerja. TSV dapat diaplikasikan pada fluida kerja berupa air dan angin.
Umumnya TSV diaplikasikan untuk turbin angin, namun tidak menutup kemungkinan bahwa TSV dapat diaplikasikan pada fluida kerja berupa air.
Beberapa jenis TSV dapat dilihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut.
Gambar 2.1 Turbin Sumbu Vertikal (Hau, 2006)
Turbin jenis ini memiliki struktur yang sederhana dan ringkas. TSV merupakan turbin yang dapat digunakan pada kondisi kecepatan fluida yang
7 bervariasi serta arah aliran fluida yang berbeda – beda. Turbin ini berbeda dibandingkan turbin sumbu horizontal (TSH) dimana memiliki kecepatan putar yang relatif rendah namun memiliki torsi yang cukup tinggi (Putranto dkk, 2011).
Berdasarkan pada bentuk rotornya, TSV dapat digolongkan menjadi beberapa jenis yaitu Crossflow, Darrieus, Giromill, dan Savonius. Turbin Crossflow merupakan turbin yang dapat memanfatkan ketinggian terjun (head) untuk memutarkan rotor turbin yang terdiri dari banyak sudu yang berukuran kecil.
Turbin Darrieus merupakan turbin yang memanfaatkan gaya angkat (lift force) untuk dapat memutarkan rotor turbin, sedangkan turbin Giromill merupakan turbin yang telah dimodifikasi dari turbin Darrieus dimana bentuk sudu dibuat menjadi airfoil. Turbin Savonius sendiri merupakan turbin yang memanfaatkan gaya dorong (drag force) sebagai tenaga untuk memutarkan rotornya (Nahkoda, 2013).
2.4 Turbin Savonius
Turbin Savonius merupakan temuan seorang insinyur yang berkebangsaan Finlandia bernama Sigurd J. Savonius dimana pertama kali diperkenalkan pada tahun 1922. Turbin Savonius adalah turbin yang memiliki kontruksi dan bentuk yang sangat sederhana dan ringkas sehingga dalam proses pembuatannya pun tidak memerlukan biaya yang besar. Turbin Savonius memanfaatkan energi gaya dorong (drag force) untuk dapat memutarkan rotornya. Umumnya turbin Savonius terdiri atas dua hingga tiga sudu yang disusun sedemikian rupa sehingga jika dilihat dari atas maka akan membentuk huruf S (Latif, 2013). Berikut merupakan ilustrasi konstruksi turbin Savonius.
Gambar 2.2 Konstruksi Turbin Savonius (Ali, 2013)
Sudu turbin Savonius didesain sedemikian rupa sehingga dapat menimbulkan adanya perbedaan gaya dorong (drag force) antara sudu satu dengan
8
sudu lainnya dan membuat rotor dapat berputar. Sudu pada turbin Savonius seringkali disebut sebagai Bucket yang berfungsi untuk memanipulasi gaya dorong akibat tubrukan fluida yang mengalir sehingga dapat dikonversikan menjadi torsi (Teja, 2017). Pada Gambar 2.3 menunjukkan bentuk aliran fluida yang mengalir pada bucket turbin Savonius.
Gambar 2.3 Aliran yang Melintasi Bucket Turbin Savonius (Akwa dkk, 2012) Turbin Savonius diketahui memiliki koefisien daya yang relatif rendah dengan torsi awal yang tinggi. Kontruksi yang sederhana membuatnya sangat mudah untuk dibuat namun memiliki tip speed ratio (TSR) yang cukup rendah.
Oleh karena itu, apabila kita membutuhkan turbin yang memiliki torsi awal tinggi dengan kecepatan fluida yang relatif rendah maka turbin Savonius merupakan pilihan yang tepat untuk kebutuhan tersebut (Mathew, 2006).
Turbin sumbu vertikal tipe rotor Savonius memiliki beberapa parameter yang dapat mempengaruhi performa turbin secara keseluruhan. Performa turbin yang dapat diukur diantaranya:
1) Tip Speed Ratio (TSR) 2) Koefisien Daya (CP) 3) Koefisien Torsi (CT)
Secara umum beberapa parameter yang mempengaruhi turbin adalah sebagai berikut.
9 2.4.1 Sudut Kelengkungan Sudu
Performa turbin Savonius dengan parameter sudut kelengkungan sudu merupakan konfigurasi turbin Savonius untuk meningkatkan kinerja turbin Savonius.
Gambar 2.4 Sudut Kelengkungan Sudu (a) Kelengkungan 1R ; (b) Kelengkungan 1,5 R ; (c) Kelengkungan 2R (Jamal, dkk, 2019)
Penelitian yang dilakukan dalam jurnal “Pengaruh Kelengkungan Sudu Terhadap Kinerja Turbin Angin Savonius”, dimana penelitian tersebut dilakukan dengan pengujian laboraturium. Turbin yang diuji adalah turbin Savonius dua sudu yang memiliki tinggi sudu dan diameter turbin 90mm. Variasi yang dilakukan adalah kelengkungan sudu turbin yaitu 1R; 1,5R dan 2R (Gambar 2.4). Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja turbin angin Savonius dengan variasi kelengkungan sudu turbin serta variasi kecepatan angin.
Kesimpulan yang didapatkan dari penelitian tersebut adalah hubungan beban gaya dengan daya output dan efisiensi turbin adalah membentuk kurva parabolik. Dimana semakin besar beban gaya pada poros turbin maka torsi pada poros turbin juga semakin besar. Untuk kecepatan angin yang sama turbin dengan variasi 2R memiliki putaran, daya output dan efisiensi terendah bila dibandingkan turbin 1R dan 1,5R. Efisiensi maksimum diperoleh sebesar 89,56 % pada turbin kelengkungan 1R dengan kecepatan angin 8,5 m/s (Jamal, dkk, 2019).
2.4.2 Aspect Ratio
Aspect ratio pada turbin Savonius adalah salah satu parameter yang sangat berpengaruh terhadap daya yang dapat dihasilkan oleh turbin. Rotor pada turbin
(a) (b) (c)
10
Savonius dengan aspek rasio yang tinggi dapat mengurangi kerugian – kerugian yang biasa dihasilkan oleh efek yang terjadi pada ujung sudu.
Hal tersebut yang menyebabkan peningkatan aspek rasio pada turbin Savonius dapat menambah nilai koefisien daya yang dihasilkan oleh turbin Savonius (Akwa, 2012). Adapun persamaan yang digunakan seperti Persamaan 2.1 untuk mengetahui nilai aspek rasio adalah sebagai berikut.
𝐴𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 (𝛼) = 𝑇𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 (𝐻)
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 (𝐷) (2.1) Dapat diketahui bahwa H merupakan tinggi turbin dan D merupakan diameter turbin.
Gambar 2.5 Variasi Aspek Rasio pada Turbin Savonius (Akwa, 2012) Penelitian yang telah dilakukan dalam jurnal “A Revies Study on Savonius Wind Rotors for Accesing the Power Performance” yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh aspek rasio terhadap koefisien daya yang dihasilkan dengan melakukan variasi aspek rasio mulai dari 0,5 hingga 5. Didapatkan hasil dari penelitian tersebut dapat ditunjukkan pada Gambar 2.6 sebagai berikut.
Gambar 2.6 Grafik Perbandingan Aspek Rasio Terhadap Koefisien Daya (CP) (Kadam, 2013)
11 Hasil yang didapatkan dari penelitian adalah adanya peningkatan koefisien daya seiring dengan peningkatan aspek rasio dimana variasi aspek rasio yang digunakan adalah 0,5 sampai dengan 5 (Kadam, 2013).
2.4.3 Jumlah Sudu
Penelitian yang berjudul “Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Kinerja Turbin Tipe Savonius” yang dilakukan oleh Jamal pada tahun 2019 dengan variasi sudu turbin yaitu 2,3 dan 4 sudu ditunjukkan pada gambar 2.7 sebagai berikut.
Gambar 2.7 Variasi Jumlah Sudu Turbin Savonius (Jamal, 2019)
Hasil dari penelitian didapatkan bahwa turbin 2 sudu menghasilkan putaran yang lebih besar dibandingkan turbin bersudu 3 dan 4. Tetapi pada turbin bersudu 2 memiliki efisiensi yang rendah bila dibandingkan dengan turbin bersudu 3 dan 4.
Hal ini terjadi pada turbin saat dijalankan pada kecepatan angin yang rendah dengan pembebanan yang tinggi (Jamal, 2019).
2.4.4 Profil Bucket Sudu
Penelitian yang dilakukan oleh Roy dan Saha yang berjudul “Wind Tunnel Experiments of a Newly Developed Two-Bladed Savonius-Style Wind Turbine”
menyelidiki berbagai macam bentuk sudu turbin Savonius yang memiliki 2 buah sudu dan mengembangkan desain sudu turbin yang baru.
Gambar 2.8 Profil Sudu Turbin Savonius (a)Konvensional, (b)Semi-Elliptic (c)Benesh-Type dan (d) Modified Bach Type (Roy, 2015)
12
Gambar 2.8 menunjukkan bentuk sudu konvensional yang masih bisa dimodifikasi untuk meningkatkan performanya. Hasil desain sudu baru yang dikembangkan yang dapat dilihat pada Gambar 2.9 dengan melakukan perubahan pada arcgeometry mengatasi efek torsi negatif dan meningkatkan koefisien torsi (CT) sebesar 31,6 % (Roy, 2015).
Gambar 2.9 Desain Turbin Savonius Setelah Penelitian (Roy, 2015) 2.5 Perhitungan Pada Turbin
Perhitungan pada turbin diperlukan dalam menentukan variabel-variabel yang akan digunakan selama penelitian berlangsung.
2.5.1 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. Untuk menghitung Energi Kinetik dapat menggunakan Persamaan 2.2 sebagai berikut:
𝐸𝐾 =1
2𝑚𝑣2 (2.2)
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. Karena turbin air Savonius memanfaatkan aliran air yang memiliki ketinggian yang rendah (ℎ = 0), sehingga dapat dirumuskan untuk Energi Potensial turbin air Savonius pada Persamaan 2.3 sebagai berikut.
13
𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ (2.3)
𝐸𝑃 = 𝑚𝑔 × (0) (2.4)
𝐸𝑃 = 0 (2.5)
C. Energi Mekanik :
Energi Mekanik adalah energi yang muncul saat suatu alat menangkap Energi Kinetik dan Energi Potensial pada aliran fluida. Untuk menghitung Energi Mekanik menggunakan Persamaan 2.6 sebagai berikut.
𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 + 𝐸𝑃 (2.6)
𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 + (0) (2.7)
𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 (2.8)
2.5.2 Parameter Performa Turbin Air
Parameter performa pada turbin air model Savonius dapat ditentukan dengan persamaan – persamaan berikut
A. 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. Untuk menghitung TSR dapat digunakan persamaan 2.9 sebagai berikut.
λ =𝜔𝐷
2𝑣 (2.9)
𝜔 =2𝜋𝑛
60 (2.10)
Dimana 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).
B. Daya Mekanik Turbin
Daya Turbin merupakan torsi yang dihasilkan oleh turbin dikalikan dengan kecepatan sudut turbin. Daya Turbin dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.11 sebagai berikut.
𝑃𝑡 = 𝑇 𝜔 (2.11)
14
𝑃𝑡 = 𝑇 2 𝜋 𝑛
60 (2.12)
𝑇 = 𝐹𝐿
(2.13)
Dimana 𝑃𝑡 adalah daya turbin (Watt) dan 𝑇 adalah momen gaya turbin (Nm), F adalah gaya (Newton) dan L adalah panjang lengan torsi (m).
C. Koefisien Torsi Turbin (Cm) dan Koefisien Daya Turbin (Cp)
Koefisien daya dan koefisien torsi dari performa turbin air dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.14 dan Persamaan 2.15 sebagai berikut.
𝐶𝑚 = 4𝑇
𝜌𝐻𝐷2𝑣2 (2.14)
𝐶𝑝 = 2𝑃𝑡
𝜌𝐻𝐷𝑣3 (2.15)
Dimana Cm adalah koefisien torsi dari rotor dan Cp adalah koefisien dari performa rotor (daya) dengan 𝜌 adalah massa jenis air (kg/m3), HT adalah ketinggian sudu rotor turbin (m) dan D adalah diameter rotor (m).
D. Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin didapatkan dengan membandingkan daya yang dihasilkan oleh turbin dengan daya yang dihasilkan oleh air, sehingga untuk menghitung efisiensi turbin dapat menggunakan Persamaan 2.16 sebagai berikut.
𝜂𝑡 = 𝐶𝑝 × 100 % (2.16) 2.6 Deflector
Deflector adalah sebuah kotruksi yang bertujuan untuk mengarahkan suatu fluida ke arah tertentu. Dengan menggunakan Deflector pada turbin air tipe Savonius maka dapat mengurangi gaya drag, meningkatkan kecepatan aliran, dan dapat meningkatkan efisiensi turbin air (Abadi, 2018).
15 Gambar 2.10 Kontruksi Deflector (Abadi, 2018)
2.7 Penelitian Terdahulu
Dalam pelaksanaan penelitian, perlu dilakukan pengkajian terhadap penelitian-penelitian sebelumnya agar dapat dijadikan acuan dan referensi dalam mengambil keputusan selama melakukan penelitian. Data-data yang merupakan hasil dari penelitian yang sebelumnya pernah dilakukan dapat dijadikan acuan dalam menentukan variabel penelitian maupun pengoptimalan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Penelitian terdahulu yang dapat dijadikan acuan dalam penelitian turbin air sumbu vertikal tipe Savonius ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu
No
Nama dan Tahun Publikasi
Judul Hasil
1
A.A. Kadam, S.S. Patil
(2013)
A Review Study on Savonius Wind
Rotors For Accesing the
Power Performance
Setelah dilakukan eksperimen pengaruh aspek rasio terhadap koefisien daya (CP) dengan variasi 0,5 sampai dengan 5 maka didapatkan hasil
bahwa adanya
peningkatan nilai koefisien daya (CP) seiring dengan
16
No
Nama dan Tahun Publikasi
Judul Hasil
bertambahnya aspek rasio.
2
J. Vicente Akwaa, H.
Antonio Vielmo dan
Adriane Prisco Petry
A Review on the Performance of Savonius Wind
Turbines
Turbin Savonius dengan aspek rasio yang tinggi memiliki losses rendah dikarenakan efek ujung bucket turbin.
3
Jamal Jamal, A.M. Shiddiq Yunus dan
Lewi Lewi(2019)
Pengaruh Kelengkungan
Sudu Terhdap Kinerja Turbin Angin Savonius
1. Untuk kecepatan angin yang sama maka turbin 2R memiliki putaran, daya output dan efisiensi terendah dibandingkan turbin 1R dan 1,5R.
2. Pada kecepatan angin yang sama turbin 1R menghasilkan putaran yang lebih tinggi tetapi cenderung memiliki torsi yang lebih rendah dibandingkan turbin 1,5R.
4 Jamal (2019)
Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Kinerja Turbin
Savonius
1. Turbin 2 sudu menghasilkan putaran yang lebih besar dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu, tetapi turbin 2 sudu memiliki momen torsi 2.
17 No
Nama dan Tahun Publikasi
Judul Hasil
3. yang rendah
dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu.
Pada kecepatan angin 3,5 m/s turbin 2 sudu memiliki efisiensi yang cenderung sama dengan turbin 3 dan 4 sudu, turbin 2 sudu memiliki efisiensi yang lebih rendah, sedangkan pada kecepatan angin 4,5 – 6,5 m/s turbin 2 sudu memiliki efisiensi yang lebih besar dari turbin 3 dan 4 sudu, tetapi jika beban ditambah maka efisiensi turbin 2 sudu dapat lebih kecil dari efisiensi 3 dan 4 sudu.
5 Reza Perdana Abadi (2018)
Kincir Air Poros Vertikal Tipe Savonius Dua Sudu Terbuka
dengan Menggunakan
Deflector
1. Rotor Savonius pada aliran air yang rendah menggunakan Deflector dapat menghasilkan koefisien daya yang tinggi.
2. Penggunaan Deflector dapat meningkatkan koefisien daya (CP), koefisien torsi (CM), dan Tip Speed Ratio (TSR) pada turbin air tipe Savonius.
18
No
Nama dan Tahun Publikasi
Judul Hasil
6
Sukanta Roy, Ujjwal K.
Saha (2015)
Wind Tunnel Experiments of a Newly Developed
Two-Bladed Savonius-Style
Wind Turbine
1. Desain baru dapat meningkatkan koefisien daya turbin tipe Savonius dua sudu.
2. Desain baru mampu meningkatkan koefisien torsi dengan melakukan modifikasi arcgeometry.
