5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Air
Energi air (Water Energy) merupakan salah satu jenis energi kinetik. Karena besar kecilnya energi ini dipengaruhi oleh gerakan partikel tersebut (Nelson, 2011).
Energi air dapat didefinisikan sebagai energi yang dihasilkan dari air yang bergerak.
Energi air sering disebut juga sebagai energi hidro. Contoh dari energi air dapat dilihat ketika ada ombak di laut atau pada air terjun (Richards, 2009).
a) Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pergerakan benda tersebut. Energi kinetik dipengaruhi oleh massa fluida air dan kecepatan gerak air. Energi kinetik dinyatakan dalam Persamaan 2.1 sebagai berikut:
𝐸𝐾 =1
2𝑚𝑉2
2.2 Turbin Air
Turbin air merupakan mesin yang berputar diakibatkan oleh energi kinetik dan potensial dari aliran fluida. Fluida yang bergerak menjadikan blade pada turbin berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air terletak pada komponen. Komponen pada turbin lebih optimal dan dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat serta dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Komponen kincir lebih sederhana dengan biaya peralatan dan perawatan yang lebih murah. Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial dan kinetik menjadi energi mekanik. Gaya air yang mendorong blade menyebabkan turbin berputar. Komponen utama pada turbin air terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang berputar pada sistem turbin air. Stator merupakan bagian yang diam pada turbin air.
a. Bagian Rotor:
1. Sudu pengarah berfungsi untuk mengontrol kapasitas aliran masuk turbin.
(2.1)
6
2. Poros berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu.
3. Bantalan berfungsi sebagai perapat komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.
4. Runner berfungsi untuk merubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik.
b. Bagian Stator:
1. Pipa pengarah/nozzle berfungsi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan aliran fluida yang digunakan di dalam sistem besar.
2. Rumah turbin berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen – komponen dari turbin.
Berdasarkan bentuknya, turbin air dibagi atas turbin implus dan turbin reaksi.
Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air 4 (yang terdiri dari energi potensial, tekanan, kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Contoh dari turbin impuls adalah turbin cross-flow. Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar.
Turbin reaksi terdiri dari turbin Francis dan Kaplan.
2.2.1 Turbin Savonius
Turbin Savonius diciptakan oleh Sirgurd Johannes Savonius pada tahun 1992.
Sebagai turbin vertikal sederhana, Savonius bekerja karena terjadinya perbedaan gaya antara masing – masing sudu. Turbin ini dapat dimanfaatkan pada aliran sungai dengan kecepatan aliran yang rendah dan potensi ketinggian yang rendah tanpa harus memakan banyak ruang dan turbin ini mampu mendapat koefisien daya
7 yang cukup tinggi pada aliran air dengan kondisi tersebut. Bagian cekung sudu ini menangkap dan mengkonversikan energi kinetik yang dihasilkan oleh aliran fluida yang berupa udara atau air. Selanjutnya energi yang ditangkap dijadikan energi gerak untuk menggerakkan turbin Savonius dengan arah gerakan rotasi. Turbin Savonius ini terdiri dari dua sudu dengan membentuk seperti huruf S jika dilihat dari atas. Prinsip kerja rotor Savonius vertikal yaitu ketik turbin berputar sekitar sepertiga dari revolusinya, sudu yang memiliki cekungan terbuka akan menerima aliran fluida dan akan berada di belakang, kemudian sudu selanjutnya akan berputar dan menerima aliran fluida yang sama dari depan, proses ini akan terus berulang – ulang selama ada aliran fluida. Turbin Savonius terdiri dari tiga bagian utama yaitu:
plat, poros, dan sudu yang dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Turbin Angin Savonius (Frederikus W, 2014)
Turbin air Savonius memiliki rasio tertentu dalam proses perancangannya agar dapat menghasilkan output yang paling optimal. Rumus Aspek rasio (α) dinyatakan dalam Persamaan 2.2 sebagai berikut:
α = 𝐻
𝐷
Rumus 2.2 menunjukkan H adalah tinggi turbin dan D adalah diameter turbin, dan skema dari turbin Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.2
(2.2)
8
Gambar 2.2 Skema Turbin Savonius (Menet, 2004)
2.3 Deflektor
Deflektor adalah sebuah konstruksi yang bertujuan untuk mengarahkan suatu aliran fluida ke arah tertentu atau mempersempit luas ruang keluaran fluida tersebut, deflektor juga bisa digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan kecepatan suatu aliran fluida. Deflektor 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 desain sederhana seperti terlihat pada Gambar 2.3
9 Gambar 2.3 Struktur turbin Savonius dengan Deflektor pada Aliran Air
(Abadi, 2018)
Gambar 2.3 menunjukkan bahwa a) adalah deflektor. Deflektor adalah sebuah konstruksi yang bertujuan untuk mengarahkan suatu aliran fluida ke arah tertentu atau mempersempit luas ruang keluaran fluida tersebut, deflektor juga bisa digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan kecepatan suatu aliran fluida.
Keterangan b) adalah turbin Savonius yang digunakan untuk dan keterangan c) adalah aliran fluida berupa air yang mengalir.
2.4 Tip Speed Ratio (TSR)
Tip Speed Ratio atau TSR pada turbin angin (pada kasus ini pada turbin aliran air) adalah rasio antara kecepatan rotasi pada ujung sudu dan kecepatan aktual dari aliran air yang akan kemudian berpengaruh terhadap kecepatan putar rotor. Tip Speed Ratio dinyatakan dalam Persamaan 2.3 sebagai berikut:
TSR = 𝜆 =2𝜋𝑟𝑛
60𝑉
(Manwell, 2009) 2.5 Persamaan Kontiunitas
Persamaan kontinuitas adalah persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida dari satu tempat ke tempat lain. Pada aliran tunak, kecepatan aliran fluida di suatu titik sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu.
Karenanya massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada pipa yang berdiameter besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang berdiameter kecil dengan massa yang tetap. Persamaan kontiunitas dinyatakan dalam Persamaan 2.4 sebagai berikut:
(2.3)
10
𝑄 = 𝑉𝐴 (2.4) (Maryono, 2003) 2.6 Daya
Daya mekanik turbin merupakan torsi yang dihasilkan turbin dikalikan dengan kecepatan sudut turbin. Daya mekanik turbin dinyatakan dalam Persamaan 2.5 sebagai berikut:
𝑃𝑡 = 𝑇 𝜔 (2.5)
Kecepatan sudut dinyatakan dalam Persamaan 2.6 sebagai berikut:
𝑃𝑡 = 𝑇2 𝜋 𝑛
60 (2.6)
Torsi dinyatakan dalam Persamaan 2.7 sebagai berikut:
𝑇 = 𝐹𝐿 (2.7)
2.7 Koefisien Daya Turbin (Cp) dan Koefisien Torsi Turbin (Cm)
Koefisien daya dan koefisien torsi dari performa turbin air dinyatakan dalam Persamaan 2.8 dan 2.9 sebagai berikut:
𝐶𝑚 = 4𝑇
𝜌𝐻𝑇𝐷2𝑣2 (2.8) 𝐶𝑝= 2𝑃𝑡
𝜌𝐻𝑇𝐷𝑣3 (2.9)
Cm adalah koefisien torsi dari rotor dan Cp adalah koefisien dari performa rotor (daya) dengan 𝜌 adalah massa jenis air. HT adalah ketinggian sudu rotor turbin dan D adalah diameter rotor.
2.8 Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin didapatkan dengan membandingkan daya yang dihasilkan oleh turbin dengan daya yang dihasilkan oleh air. Rumus untuk efisiensi turbin (𝜂𝑡) dinyatakan dalam Persamaan 2.10 sebagai berikut:
𝜂𝑡 = 𝐶𝑝 × 100 % (2.10)
11 2.9 Turbin Sumbu Vertikal
Turbin Sumbu vertikal (TSV) merupakan turbin yang memiliki sumbu yang tegak lurus dengan gerakan poros dan rotor yang sejajar dengan arah datangnya 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 2.4 sebagai berikut
Gambar 2.4 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 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 rotor, 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 rotor (Nakhoda, 2013).
12
2.10 Penelitian Terdahulu
Penelitian yang dilakukan, diperlukan pengkajian tehadap penelitian sebelumnya yang serupa sebagai bahan referensi atau acuan. Penelitian terdahulu yang dijadikan referensi pada penelitian ini ditunjukan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu
Nama Variasi Judul Referensi Hasil
Jamal, 2019 Variasi Jumlah Sudu
Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap
Kinerja Turbin Savonius
Pada eksperimen yang dilakukan oleh Jamal menujukkan bahwa
Turbin 2 sudu
menghasilkan putaran yang lebih besar dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu, tetapi turbin 2 sudu memiliki momen gaya/torsi yang rendah dibandingkan turbin 3 dan 4 sudu, hal ini terlihat pada rendahnya efisiensi turbin 2 sudu pada kecepatan angin rendah dengan pembebanan tinggi.
Petrus Sampelawang,
2012
Variasi Jumlah Sudu
Study Eksperimen Savonius dengan Tiga Pelat Lengkung
Kincir angin Savonius dengan tiga sudu pelat lengkung merupakan salah satu alternatif alat konversi energi yang efisiensinya lebih baik pada kecepatan angin diatas 1,8 m/s.
Prasetyo (2016) Variasi Sudut Deflektor
Studi Simulasi Pengaruh Sudut
Deflektor Pada Savonius Water
Turbin Dengan Sumbu Horizontal
Terhadap Power Generation Aliran
Air Dalam Pipa
Pada simulasi yang dilakukan oleh Prasetyo menunjukkan bahwa dengan menggunakan variasi sudut deflektor sebesar 20o, 30o, 40o, 50o yang berjarak 10o tiap variasinya. Sudut deflektor paling optimal yaitu 30° dengan menghasilkan torsi rata – rata tertinggi.
13
Nama Variasi Judul Referensi Hasil
Imron Hamzah dkk, 2018
Variasi Jumlah Sudu
Pengaruh jumlah sudu terhadap kinerja
turbin air Savonius dalam pipa
Pada eksperimen yang dilakukan oleh Imron Hamzah dkk menujukkan bahwa dari data yang dihasilkan dapat disimpulkan bahwa Turbin Savonius 3 sudu berkinerja terbaik.
Koefisien kinerja adalah 0,23 pada TSR 1.7
