5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Air
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai (Hendarto, 2012)
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pergerakan benda tersebut (Nasional, 2014). Energi kinetik dipengaruhi oleh massa fluida air dan kecepatan gerak air, yang dapat dituliskan pada Persamaan 2.1 sebagai berikut.
𝐸𝐾 =1
2. 𝜌.𝑉2
(Abadi, 2018) 2.2 Turbin Air
Turbin air merupakan salah satu komponen utama dari sebuah PLTMH, berfungsi untuk mengubah energi hidrolis (baik energi potensial maupun energi kinetis) menjadi gerakan mekanis, yaitu gerakan berputar. Gerakan putar yang dihasilkan turbin nantinya digunakan untuk menggerakan generator, dari putaran generator akan dihasilkan suatu tegangan listrik (Kemendikbud, 2015).
Perkembangan turbin air tidak hanya berhenti di kincir air, berbagai penemuan dan penelitian dilakukan untuk mendapatkan turbin air yang lebih efisien, lebih mudah dibuat, dan dapat membangkitkan daya yang besar walaupun dengan ukuran turbin yang relatif lebih kecil. Saat ini terdapat beberapa jenis turbin air modern yang sangat umum dipakai, dengan keunggulan dan kelemahan masing-masing, yang dapat mencakup daya sekitar mulai puluhan Watt hingga (2.1)
6
puluhan megawatt. Turbin modern dapat dibagi dalam dua klasifikasi utama, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
2.2.1 Turbin Impuls
Turbin impuls memanfaatkan energi kinetik fluida, terutama dipengaruhi tekanan air (beda tinggi). Air yang jatuh bekerja hanya pada beberapa bagian runner. Seluruh energi hidrolis diubah menjadi energi kinetik. Pada turbin impuls tidak terjadi perubahan tekanan pada air sebelum dan sesudah melewati runner.
Runner adalah bagian utama turbin yang mengubah energi hidrolis menjadi energi kinetik (Kemendikbud, 2015). Klasifikasi dari turbin impuls dapat dilihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut.
Gambar 2.1 Klasifikasi Turbin Impuls (Kemendikbud, 2015)
7 2.2.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi memanfaatkan energi gravitasi pada fluida, terutama dipengaruhi oleh debit air. Seluruh bagian runner ditenggelamkan / dipenuhi oleh air. Turbin reaksi memiliki perbedaan tekanan air, dimana tekanan sebelum melewati runner lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan air setelah melewati runner. Klasifikasi dari turbin reaksi dapat dilihat pada Gambar 2.2 sebagai berikut.
Gambar 2.1 Klasifikasi Turbin Reaksi (Kemendikbud, 2015)
8
2.3 Turbin Savonius
Turbin Savonius diciptakan oleh Sirgurd Johannes Savonius pada tahun 1992. Sebagai turbin vertikal sederhana, turbin Savonius bekerja karena terjadinya perbedaan gaya antara masing-masing sudu. Turbin Savonius 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 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 terdiri dari dua sudu dengan membentuk seperti huruf S jika dilihat dari atas (Ali, 2014). Prinsip kerja rotor Savonius vertikal yaitu ketika turbin berputar sekitar sepertiga dari revolusinya, sudu yang memiliki cekungan terbuka akan menerima aliran fluida dan akan berada dibelakang, 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 2.3 sebagai berikut.
Gambar 2.3 Turbin Savonius (Frederikus W, 2014)
Turbin air Savonius memiliki rasio-rasio tertentu dalam proses perancangannya agar dapat menghasilkan output yang paling optimal. Sesuai Gambar 2.3 aspek rasio (α) dapat dituliskan sebagai berikut
9
α =
𝐻𝐷
(Fendiyatma, 2018) Aspek rasio adalah perbandingan antara tinggi dari rotor turbin dan jarak pusat turbin terhadap jarak terluar sudu rotor (Teja, 2017). Skema dari turbin Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.4 sebagai berikut.
Gambar 2.4 Skema Turbin Savonius (Menet, 2004)
2.4 Deflektor
Deflektor adalah sebuah konstruksi yang bertujuan untuk mengarahkan suatu aliran fluida ke arah tertentu atau mempersempit luas ruang keluaran fluida (2.2)
10
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 deflektor terlihat pada Gambar 2.5 sebagai berikut.
Gambar 2.5 Struktur Turbin Savonius dengan Deflektor (Abadi, 2018) Gambar 2.5 menunjukkan bahwa (a) merupakan deflektor yang berguna untuk mengarahkan aliran sesuai dengan pengarahnya dimana aliran dilambangkan oleh (c). Deflektor mengarahkan aliran air kemudian membuat turbin yang dilambangkan (b) dapat berputar setelah aliran air menyentuh salah satu sudu turbin (Abadi, 2018).
2.5 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 di titik lain.
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 massa yang ke luar adalah konstan (Maryono, 2003). Kontinuitas fluida dapat dituliskan pada Persamaan 2.3 sebagai berikut.
𝑄 = 𝑉 . 𝐴 (2.3) (Maryono, 2003)
11 2.6 Tip Speed Ratio (TSR)
Tip speed ratio (
𝜆
) yaitu rasio kecepatan sudu terhadap kecepatan angin pada kasus ini diterapkan pada air (Purnama, 2013). Rasio kecepatan ini merupakan parameter penting untuk analisa pada turbin air,𝜆
dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan 2.4 sebagai berikut.λ =
𝜔.𝐷2.𝑉 (2.4) (Manwell, 2009)
2.7 Daya
Daya turbin adalah daya yang dihasilkan oleh turbin akibat adanya angin (pada kasus ini pada air) yang menghantam sudu turbin sehingga ujung sudu turbin mulai bergerak melingkar (Trikurniawan, 2017). Daya dapat dituliskan pada Persamaan 2.5 sebagai berikut
𝑃𝑡 = 𝑇. 𝜔 (2.5)
(Abadi, 2018) Adapun kecepatan sudut dapat dituliskan dengan persamaan lain sehingga menjadi Persamaan 2.6 dan Persamaan 2.7 sebagai berikut.
𝜔 =2.𝜋.𝑛
60 (2.6)
𝑃𝑡 = 𝑇.2 .𝜋 .𝑛
60 (2.7)
(Abadi, 2018) atau persamaan untuk mencari torsi juga dapat dituliskan pada Persamaan 2.8 sebagai berikut.
𝑇 = 𝐹. 𝐿 (2.8) (Abadi, 2018)
2.8 Koefisien Daya Turbin (Cp) dan Koefisien Torsi Turbin (Cm)
Koefisien daya merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya yang diterima turbin. Koefisien torsi merupakan perbandingan antara torsi yang dihasilkan turbin dengan torsi yang diterima turbin (Putra, 2018).
12
Koefisien daya dan koefisien torsi dari performa turbin air dapat dituliskan dalam Persamaan 2.9 dan Persamaan 2.10 sebagai berikut.
𝐶𝑚 = 4.𝑇
𝜌.𝐻𝑇.𝐷2.𝑉2 (2.9)
𝐶𝑝= 2.𝑃𝑡
𝜌.𝐻𝑇.𝐷.𝑉3 (2.10)
(Putra, 2018) .
2.9 Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin didapatkan dengan membandingkan daya yang dihasilkan oleh turbin dengan daya yang dihasilkan oleh air (Muliawan, 2016), sehingga efisiensi turbin dinyatakan dalam Persamaan 2.11 sebagai berikut.
𝜂𝑡 = 𝐶𝑝 . 100 % (2.11)
(Abadi, 2018) 2.10 Penelitian Terdahulu
Penelitian yang akan dilakukan memerlukan pengkajian tehadap penelitian- penelitian sebelumnya yang serupa sebagai bahan referensi atau acuan. Penelitian terdahulu yang dijadikan referensi pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 2.1 sebagai berikut
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu Nama dan
Tahun Publikasi Variasi Judul Referensi Hasil
Mahmoud, N.H, dkk. (2012)
Variasi Jumlah Sudu
An experimental study on improvement of Savonius rotor performance
Hasil dari eksperimen menunjukkan bahwa dengan menaikkan nilai aspek rasio pada turbin Savonius, maka unjuk kerja yang dihasilkan oleh turbin dengan jumlah sudu 3 dan 4 dapat naik, tapi performa turbin terbaik yaitu pada turbin dengan 2 sudu.
13 Nama dan
Tahun Publikasi Variasi Judul Referensi Hasil
Imron Hamzah, dkk (2016)
Variasi Jumlah Sudu
Studi Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk
Kerja Savonius Water Turbine pada Aliran Air
Dalam Pipa
Hasil dari simulasi menunjukkan jumlah sudu turbin berpengaruh pada unjuk kerja turbin Savonius, semakin banyak jumlah sudu, nilai torsi yang dihasilkan semakin kecil. Jumlah sudu terbaik adalah 2 sudu.
Prasetyo (2016)
Variasi Sudut Deflektor
Studi Simulasi Pengaruh Sudut
Deflektor Pada Savonius Water Turbin Dengan Sumbu Horizontal
Terhadap Power Generation Aliran
Air Dalam Pipa
Hasil dari simulasi 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.
Fendiyatma (2018)
Variasi Jumlah Sudu dan Kecepatan
Aliran
Pengaruh dari jumlah sudu untuk kinerja
Turbin Air Savonius Poros Vertikal dengan
Menggunakan Deflektor
Hasil dari eksperimen menujukkan bahwa dari data yang dihasilkan yaitu jumlah sudu turbin air Savonius poros vertikal berpengaruh pada torsi yang dihasilkan, semakin banyak jumlah sudu maka nilai torsi yang dihasilkan akan semakin kecil. Jumlah sudu terbaik pada turbin air Savonius dengan pemasangan deflektor yaitu berjumlah 2 sudu.
