Desain Turbin Darrieus-Savonius pada Proses Pemanfaatan Arus Laut sebagai Pembangkit Energi Mekanik*

Transkripsi

1 Desain Turbin Darrieus-Savonius pada Proses Pemanfaatan Arus Laut sebagai Pembangkit Energi Mekanik* Syahir Mahmud 1, Stevy Thioritz 2, Victus Kolo Koten 3 1Jurusan Teknik Elektro, FT Universitas Atma Jaya 2Jurusan Teknik Sipil, FT Universitas Atma Jaya 3Jurusan Teknik Mesin, FT Universitas Atma Jaya syahir@mut.co.id, sthioritz@yahoo.com, victus_koten@yahoo.com Sari Arus laut sebagai sumber energy terbarukan, sering terjadi di Indonesia. Hingga saat ini, pemanfaatan energy sumber arus laut ini masih minim. Pemanfaatan energy arus laut untuk berbagai keperluan biasanya menggunakan turbin; sebuah alat yang digunakan untuk mengkonversi energy arus laut menjadi energy mekanik. Secara umum penelitian ini bertujuan untuk memaksimalkan fungsi sudu pada proses konversi energy arus laut menjadi energy mekanis melalui modifikasi bentuk sudu turbin Darrieus dan sudu turbin Savonius menjadi bentuk sudu yang baru; sudu Darrieus-Savonius. Secara spesifik, penelitian ini bertujuan untuk: Merancang turbin Darrieus-Savonius berdasarkan bentuk sudu hasil modifikasi teoritik dan kondisi arus laut di Indonesia. Studi pendahuluan yang dilakukan tentang perbandingan segitiga kecepatan yang terjadi pada sudu turbin Darrieus dan Savonius dengan sudu turbin yang dimodifikasi secara teoritik (sudu turbin Darrieus-Savonius) memperlihatkan sudu turbin Darrieus-Savonius lebih besar menghasilkan energy mekanis dari pada sudu turbin Darrieus dan sudu turbin Savonius. Hasil penelitian menunjukan bahwa kecepatan arus laut sebesar 1,059 m/s dapat membangkitkan energi mekanik 113,028 Watt, putaran 1,4012 rps, dan momen torsi 15,1168 N.m. Melalui daya, putaran, dan momen torsi tersebut maka diperoleh diameter poros minimal sebesar 18 mm, ukuran pasak 6 x 6 x 18 mm, tebal pelat sudu sebesar 0,25 mm, dan nomor bantalan gelinding 4vv pada standar JIS. Kata Kunci: Turbin Darrieus-Savonius, Arus Laut, Energi Mekanik PENDAHULUAN Arus laut sebagai sumber energy terbarukan, banyak terdapat di Indonesia. Setiap delapan jam, saat terjadi pasang surut dan pasang naik, arus laut dalam kapasitas tertentu bergerak melintasi berbagai selat di Indonesia. Pergerakan arus laut ini mengindikasikan adanya energy kinetic dan potensial yang terkandung di dalam arus laut tersebut. Meskipun demikian hingga saat ini pemanfaatan energy arus laut di Indonesia masih minim. Beberapa penelitian terdahulu tetang energy arus laut; menemukan kecepatan arus laut masksimum di Indonesia sebesar 3, 86 m/s terjadi di Selat Larantuka dan beda elevasi antara Samudra Pasifik dan Hindia adalah sebesar 0,305 m 1. Energi mekanik pada turbin biasanya terkonversi dari energy kinetic dan atau energy potensial yang berasal dari pergerakan fluida yang menumbuk sudu turbin. Turbin Darrieus dan Savonius sering memanfaatkan pergerakan fluida untuk menghasilkan energy mekanik. Beberapa jenis turbin yang telah ditemukan dan diuji-coba oleh para ilmuwan dan peneliti untuk memanfaatkan energy arus laut adalah turbin Darrieus, T-Files, Kobold, Royal Haskoning, Savonius, Gorlov, dan lain-lain. Di Indonesia, jenis turbin yang telah dan sedang diteliti untuk pemanfaatan energy arus laut adalah turbin Darrieus (Oleh BPPT) dan T-Files (Oleh ITB). Studi pendahuluan yang telah dilakukan pada ke-3 bentuk sudu turbin (Darrieus, Savonius, dan Darrieus-Savonius) menemukan bahwa sudu turbin Darrieus-Savonius lebih banyak menghasilkan energy mekanik dari pada turbin Darrieus dan Savonius. Sudu turbin Darrieus-Savonius adalah sudu turbin yang dimodifikasi secara teoritik dari perpaduan bentuk sudu Darrieus dan Savonius. METODA Penelitan ini diawali dengan pengambilan data kecepatan arus laut maksimal yang terjadi di Selat Larantuka, Flores Timur, Nusa Tenggara Timur. Kecepatan maksimum yang diperoleh dari pengukuran sebesar 1,059 m/s. Melalui data kecepata arus laut tersebut, bentuk sudu teoritik Darrieus- Saavonius, dan beberapa data teknis lainnya maka proses perhitungan dan penentuan model dari tiap elemen tubin dapat dilakukan. HASIL DAN DISKUSI A. HASIL 1. Desain Turbin. a. Konstruksi sudu turbin dan posisi efektif turbin 144

2 Kontruksi sudu turbin Darrieus-Savonius diperlihatkan pada gambar 1a dan posisi efektif turbin diperlihatkan pada gambar 1b. = [(5,1 x K t x C b x M t ) / (τ a )] 1/3 = [(5,1 x 1,4 x 2,3 x 1,4012) / (5)] 1/3 = 17,12 mm Diamater poros dinormalisasikan untuk keperluan pemasangan bantalan maka diameter poros tingkat berikutnya adalah 20 mm. e. Perencanaan tebal sudu Gambar 1. Konstruksi sudu dan posisi efektif turbin b. Perhitungan gaya pada sudu Perhitungan gaya pada sudu berdasarkan kecepatan dan kontruksi sudu yang terbentuk. Besarnya gaya yang terkandung pada arus laut yang mengalir dengan kecepatan 1,059 m/s adalah: F AL = m v = ρ x A x v 2 = 1027 x (0,35 x 0,15) x 1,0592 = 60,46 N. A adalah luas penampang sudu 1 turbin. Momen pada Turbin (M t ), M t = F AL x r = 60,46 x 0,25 = 15,1168 N.m Daya pada turbin (Pt) Aluminium dipilih sebagai bahan sudu oleh karena ringan dan tahan terhadap korosi. Kekutan tarik aluminium (τ Al ) sebesar 480 GPa atau 48,929 kg/mm2. Luas penampang geser aluminium (A Al ) yang harus mampu menahan gaya (F Al ) yang terkandung dalam arus laut adalah: AAl = τ Al / F Al = (48,929 x 9,81 / 12) / 60,46 = 0,69 mm 2 Untuk lebar sudu (L) 150 mm maka tebal sudu yang dibutuhkan adalah 4,6x10-3 mm. f. Perencanaan lengan turbin Bahan yang dipilih adalah aluminium paduan dengan kekuatan tarik 60 kg/mm2. Untuk jari-jari turbin 250 mm maka lebar (Llt) lengan turbin adalah, P t = M t x ω n = Mt x π x d x n = 1540,9646 x 3,14 x 0,5 x 1,4012 = 133,028 Waat L lt x r = τ Al / F Al = (60 x 9,81 / 12) / (60,46 x 250) Bila efisiensi turbin 85 % maka daya turbin (Pt) adalah = 113,073 Waat. c. Penentuan arah dan besar segitiga kecepatan Kecepatan arus laut (v) diperoleh dari pengukuran sedangkan kecepatan relativ (w) dan kecepatan linier turbin (u) diperoleh berdasarkan metode grafis segitiga kecepatan. Dengan demikian dari gambar 1b pada sudu 1 diperoleh u = 2,2 m/s dan w = 2,5 m/s. kecepatan linier turbin (u) pada sudu 2 dan 3 sama dengan kecepatan linier turbin pada sudu 1 = 2,2 m/s. d. Perencanaan poros Bila bahan poros adalah aluminium paduan dengan kekuatan tarik sebesar 60 kg/mm2. Daya desain poros Pd, Pd = Pt x Fc = 113,074 x 1 = 113,074 Waat Diameter poros, d = 3,254 mm g. Perencanaan spie Berdasarkan diameter poros maka ukuran spie dapat dipilih dari tabel elemen mesin, Sularso dan Kiyokatsu Suga. Dari tabel diperoleh ukuran spie sebesar p x l x t = 6 x 6 x 18 mm. h. Perencanaan bantalan Jenis banatalan yang dipilih berdasarkan dimeter poros dan kondisi operasional turbin. Jenis bantalan yang dipilih adalah bantalan gelinding, nomor bantalan 04vv, kapasitas nominal dinamik spesifik 735 kg, dan kapasitas nominal static spesifik 465 kg. 2. Model tiap elemen gturbin Darrieus-Savonius Model tiap elemn turbin Darrieus-Savonius ini diperlihatkan pada gambar 2. B. DISKUSI 145

3 Berdasarkan data input berupa kecepatan arus laut dan beberapa pertimbangan teknis lainnya maka diperoleh data output berupa segitiga kecepatan pada sudu turbin, ukuran poros, ukuran sudu, spie, dan bantalan. Diameter poros yang diperoleh sebesar 18 mm dan untuk keperluan pemasangan bantalan maka didesain menjadi poros bertingkat. Dimeter poros bertingkat berikutnya sebesar 20 mm. Pemilihan tingaktan poros sebesar 20 mm ini dilakukan untuk memenuhi persyaratan diameter bantalan yang ada di pasaran. Tinggi dan lebar sudu (0,35 dan 0,15 m) diperoleh berdasarkan kemampuan peralatan laboratorium. Bentuk sudu turbin (Darrieus-Savonius) diperoleh berdasarkan kajian teoritik grafis pada studi pendahuluan). Analisis segitiga kecepatan pada bentuk cekungan di sudu memberikan efek yang berbeda dari pada sudu-sudu turbin yang selaama ini diteliti dan diaplikasikan. Tebal pelat sudu 0,25 mm yang dipilih ini lebih besar dibandingkan dengan hasil desain; 0,0003 mm. Hal ini dilakukan karena berdasarkan tebal pelat aluminium yang paling tipis yang ada di pasaran saat ini. Perbedaan tebal ini tidak memperlemah kekuatan sudu namun sebaliknya. Ukuran Spie dan bantan dipilih berdasarkan diameter poros. Ukuran spie, panjang x lebar x tebal (6 x 6 x 18 mm) ini dipilih berdasarkan tabel yang dibuat oleh Sularso dan Kiyokatsu Suga. Nomor bantalan 04vv ini dipilih berdasarkan tabel yang dibuat oleh Sularso dan Kiyokatsu Suga. Bentuk lengan turbin didesain agar tidak memberikan gaya drag yang besar terhadap system. Pengambilan data kecepatan arus laut ini masih dilakukan secara manual pada daerah pesisir. Dalam jangka panjang, output dari teknologi ini diharapkan dapat dinikmati secara mandiri oleh penduduk di pesisir pantai. Selain itu pengambilan data secara manual ini juga memungkinkan peneliti lebih mengetahui karakteristik arus laut. Kecepatan angin dapat mempengaruhi kecepatan arus laut di permukaan. Arah arus lautpun akan berubah arah saat terjadi pergantian dari pasang surut ke pasang naik maupun sebaliknya. Dengan adanya karakteristik arus laut seperti ini maka dapat dikatakan bahwa kecepatan minimal arus laut sebesar nol m/s dan akan bergerak mengikuti bentuk gelombang hyperbolic. Karakteristik arus laut hasil temuan ini sangat berbeda dengan apa yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu. Hal ini terjadi karena pengukuran peneliti terdahulu dilakukan pada kedalaman 20 m dan jauh dari daerah pesisir. Penelitian terdahulu ini lebih mengutamakan pada nilai komersil. Penelitian yang dilakukan ini lebih menitikberatkan pada pemanfaatan bagi masyarakat pesisir. Meskipun data kecepatan arus laut diambil selama 24 jam dan memiliki variasi kecepatan, hanya kecepatan maksimum arus laut saja yang digunakan dalam perhitungan. Hal ini dilakukan untuk keamanan operasional turbin saat terjadi kecepatan arus laut maksimum. Pada saat proses pengambilan data kecepatan arus laut, kecepatan angin sebesar 0 m/s. Dengan kondisi ini memungkinkan keakuratan data yang diperoleh saat pengukuran. Kecepatan angin diambil dengan anemometer. Meskipun efek angin dan gelombang dalam penelitian ini diabaikan, turbin perlu ditenggelamkan pada kedalaman tertentu saat akan diaplikasikan untuk menghindari efek angin dan gelombang yang timbul. Posisi sudu turbin dalam desain ini berada pada kondisi efektif; posisi dimana sudu-sudu turbin menerima gaya maksimum dan menghasilkan energi mekanik maksimal. Dalam kondisi ini, sudu-sudu turbin lebih banyak menerima debit arus laut yang mengalir dan menghasilkan momen torsi terbesar pada sumbu poros turbin. Dalam kondisi seperti ini pulah penentuan segitiga kecepatan, penentuan diameter poros, dan penentuan ukuran elemen turbin lainnya dilakukan. Analisis segitiga kecepatan dilakukan pada tiap sudu. Hasil analisis segi tiga kecepatan pada tiap sudu ini akan memperlihatkan adanya variasi besaran kecepatan pada tiap sudu baik itu kecepatan linier turbin dan kecepatan relativnya. Posisi cekungan sudu ditempatkan sedimikian rupa agar menghindari gaya resistan yang berlebihan pada turbin. Secara teoritik penempatan posisi cekungan harus setelah ujung bebas. Meskipun demikian ujung bebas dalam desain ini diabaikan oleh karena bilangan Reynol yang sangat kecil. Dengan diabaikannya jarak ujung bebas ini maka penempatan cekungan sudu berdasarkan analisis segitiga kecepatan yang memberikan dampak yang lebih besar terhadap kinerja turbin. Analisis segitiga kecepatan memperlihatkan satu kecepatan input (kecepatan arus laut) menghasilkan dua kecepatan ouput; kecepatan linier turbin dan kecepatan relatif turbin. Ketiga jenis kecepatan ini akan memberikan efek yang berbeda terhadap karakteristik turbin. Meskipun demikian, dalam penentuan ukuran poros, hanya kecepatan linier poros saja yang digunakan dalam perhitungan karena memberikan momen torsi maksimum terhadap poros. Kecepatan relativ dan kecepatan arus laut maupun gabungan keduanya memberikan momen torsi yang lebih kecil terhadap poros. Gaya yang terkandung dalam arus laut biasanya terdistribusi secara merata sepanjang sudu turbin namun dalam perhitungan perencanaan poros, gaya terdistibusi diubah menjadi gaya titik yang bekerja pada poros. Perubahan gaya dari gaya terdistibusi menjadi gaya titik ini tidak mempengaruhi ukuran poros yang didapatkan karena momen lentur maksimum yang ditimbulkan oleh ke dua bentuk gaya ini adalah sama. Daya yang digunakan dalam perhitungan ini tentu berbeda dengan daya yang akan dihasuilkan pada kondisi georgafis dan jenis turbin yang berbeda. Untuk kondisi geografis yang berbeda dan turbin yang sama, teknik penentuan 146

4 ukuran poros dan ukuran lainnya dapat mengikuti pinsip perhitungan yang dilakukan pada penelitian ini. Seperti yang diuraikan pada studi pendahuluan bahwa satusatunya yang menjadi pembeda anatara bentuk sudu ini dengan bentuk sudu turbin sebelumnya adalah kontruksi cekung pada ujung tiap sudu turbin. Bentuk cekung ini memberikan efek kecepatan lebih besar ketika berada pada posisi tegak lurus terhadap arah kecapata arus laut. Meskipun pada digram benda bebas terlihat poros terbebani dengan banyak gaya namun gaya-gaya ini akan tereliminasi akibat gaya apung yang akan terjadi ketika turbin ditenggelamkan ke dalam laut. Satu-satunya gaya yang menjadi input perhitungan ini adalah gaya yang timbul akibat pergerakan linier poros yang berseumber dari pergerakan arus laut. Gambar 2. Model tiap elemen turbin Darrieus Savonius 147

5 KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN 1. Kecepatan maksimum arus laut yang digunakan untuk mendesain turbin ini adalah 1,059 m/s. 2. Daya, putaran, dan momen torsi yang sampai di turbin akibat kecepatan arus laut 1,059 m/s secara berturut-turut adalah sebesar 113,028 Watt, 1,4012 rps, 15,1168 N.m. Berdasarkan daya, putaran, dan momen torsi yang timbul pada turbin maka ukuran elemen-elemen lainnya dapat ditentukan. 3. Jenis poros yang dipilih untuk didesain adalah poros pejal bertingkat dengan bentuk dan ukuran poros diperlihatkan pada gambar 2a. 4. Sudu turbin hasil desain ini adalah sudu turbin Darrieus-Savonius dengan bentuk dan ukuran sudu turbin diperlihatkan pada gambar 2b. 5. Jenis spie yang dipilih adalah spie benam segi empat dengan bentuk dan ukuran diperlihatkan pada gambar 2c. 6. Nomor bantalan yang dipilih adalah 4vv bantalan gelinding dengan rol ganda tertutup. Bentuk dan ukuran bantalan ini diperlihatkan pada gambar 2d. 7. Bentuk lengan turbin yang dipilih adalah elips untuk menghindari restitan pada saat turbin beroperasi. Bentuk dan ukuran bantalan ini diperlihatkan pada gambar 2e. B. SARAN 1. Perlu diteliti karakteristik arus laut untuk jangka waktu minimal 1 tahun agar dapat mendukung kinerja turbin yang lebih baik. 2. Pada saat turbin akan diterapkan di daerah pesisir, karakteristik geografis pesisir dan pasang surut serta pasang naik harus diketahui agar kinerja turbin lebih maksimal. Daftar Pustaka Ai Yuningsih dan Achmad Masduki, Potensi Energi Arus Laut untuk Pembangkit Tenaga Listrik di Kawasan Pesisir Flores Timur, NTT. Jurnal Ilmu dan Teknologi Kelautan Tropis, Vol. 3, No. 1. Duma Hasan, Kaji Eksperimen dan Teoritis Terhadap Hubungan Defleksi Lateral dan Radial Poros Pada Berbagai Jenis Tumpuan. Hasil penelitian hibah fundamental DIKTI. Fritz Dietzel Turbin, pompa, dan kompresor. Terjemahan oleh Dakso Sriyono. Jakarta. Erlangga. Hamrock, Schmid, Jacobson Fundamentals of Machine Elments. New York:McGRAW-HILL. International editions. Jac. Stolk, C. Kros Elemen mesin. Terjemahan Hendarsin dan Abdul Rachman A Jakarta. Erlangga. Ray et al A Brief Overview of tides in the Indonesia Sea. Sularso, Suga Kiyokatsu, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin Jakarta: PT. Pradnya paramita. Spotts, M. F. Design of Mechine Elements. New Jersey: Englewood Cliffs. Syahir Mahmud, Pembuatan Modul PLTA Sederhana Sebagai Sarana Pembelajaran Mata Kuliah Pembangkitan Energi Elektrik. Hasil penelitian LPPM Universitas Atma Jaya Makassar. Victus Kolo Koten, Syahir Mahmud, Analisis Pemanfaatan Multi Energi Terbarukan Sebagai Pembangkit Listrik Skala Ruma Tangga di Kota Makassar. Hasil penelitian LITBANG Sulawesi Selatan. Victus Kolo Koten, Kaji Ekperimen Dan Teoritis Terhadap Hubungan Defleksi Lateral Dan Radial Poros Brlubang Pada System Cantilever Beam. Hasil penelitian dosen muda, DIKTI. 148