STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE

Transkripsi

1 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : RIO JEVRI APDILA NIM: I PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i

2 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION Disusun Oleh: Rio Jevri Apdila NIM. I Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. NIP Telah dipertahankan dihadapan dosen penguji pada hari.., tanggal., 1. Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T.. NIP D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D.. NIP Kepada Progdi Teknik Mesin Mengetahui, Koordinator Tugas Akhir Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP DR. Nurul Muhayat, S.T., M.T. NIP i

3 MOTTO "Orang-orang hebat di bidang apapun bukan baru bekerja karena mereka terinspirasi, namun mereka menjadi terinspirasi karena mereka lebih suka bekerja. Mereka tidak menyia-nyiakan waktu untuk menunggu inspirasi." (Ernest Newman) "Hiduplah seperti pohon kayu yang lebat buahnya; hidup di tepi jalan dan dilempari orang dengan batu, tetapi dibalas dengan buah." (Abu Bakar Sibli) "Tiadanya keyakinanlah yang membuat orang takut menghadapi tantangan; dan saya percaya pada diri saya sendiri." (Muhammad Ali) "Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan hal yang harus dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah mereka menyukainya atau tidak." (Aldus Huxley) "Kegagalan hanya terjadi bila kita menyerah." (Lessing) ii

4 HALAMAN PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati ku persembahkan tulisan ini untuk: 1. Kepada bapak ibuku tercinta yang telah memberikan doá restu, dan dukunganya. 2. Kepada kakaku Khokok Setya Pambudi yang selalu memberikan doá dan dukungannya. 3. Keluarga besar semua yang telah memberikan banyak doá dan dukungannya sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Kepada Staf Dosen dan Karyawan Universitas Sebelas Maret yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan ilmunya dan menuntun saya menjadi sarjana. 5. Kepada team riset Pico Hydro Arif Hidayat, Alwan Rosydi, Moch Aziz, Hari Prasetyo, dan Whonica yang selama ini selalu memberikan masukan dan saran yang banyak membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. 6. Kepada teman teman NR 13 yang selama ini menjadi keluarga kedua saya di Universitas Sebelas Maret. 7. Kepada Teman teman yang tidak dapat saya sebutkan satu kepada saya. iii

5 STUDY EKSPERIMENTAL INFLUENCE DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) TYPE DRAG IN THE PIPE LINE TO POWER GENERATION Rio Jevri Apdila Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstract High rainfall and building urban areas in indonesia lead to be a potential aspect to generate electrical energy. In this In this horizontal axis water turbine (HAWT) was applied in the building pipeline to produce energy. Study experimental of depth to width ratio of turbine examined in to determine optimum performance of the turbine. In this experimental study tests were carried out using test equipment with a head of 2 m and angle of bloking system 30. Variasi Depth to width ratio given was 0.06, 0.10, 0.14, 0.18, 0.22, 0.24, 0.27, and The most optimal turbine performance can be seen from the data of volt, power output, and coefisien power. The most optimal turbine on the variation of the depth to width ratio is The using volt is 8.62 [volt], power output [watt] and coefisien power 2.73x10-2. Key Word: Turbine, Depth to Width Ratio, Water Turbine, Pico Hydro iv

6 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH DEPTH TO WIDTH RATIO HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE (HAWT) DENGAN TIPE DRAG PADA ALIRAN DALAM PIPA TERHADAP POWER GENERATION Rio Jevri Apdila Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Riojevri3@gmail.com Abstrak Curah hujan tinggi di indonesia dan didukung oleh bangunan bertingkat daerah perkotaan menyebabkan potensi air hujan untuk menghasilkan energi listrik sangat besar. Sebuah horisontal axis water turbin HWAT diaplikasikan dalam pipa untuk menghasilkan energi. Studi eksperimental Depth to width ratio diteliti untuk mengetahui performa optimal sudu turbin. Pada studi eksperimental pengujian dilakukan dengan menggunakan alat uji dengan ketinggian 2 m dan sudut bloking sistem 30. Variasi depth to width ratio yang diberikan adalah 0,06, 0,10, 0,14, 0,18, 0,22, 0,24, 0,27, dan 0,29. Kinerja turbin paling optimal dapat dilihat dari data Tegangan, Daya output dan coefisien power yang didapatkan. Turbin paling optimal pada variasi Depth to width ratio adalah 0,29 dengan nilai tegangan 8,62 [volt], Daya output 3,447 [watt] dan coefisien power 2,73x10-2. Kata Kunci: Turbin, Depth to Width Ratio, Turbin Air, Pico Hydro v

7 KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas rahmat, barokah, dan ridho-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir Studi Eksperimental Pengaruh Depth To Width Ratio Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) Dengan Tipe Drag Pada Aliran Dalam Pipa Terhadap Power Generation ini dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini selain merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk menambah wawasan di bidang pembangkit listrik tenaga air yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang sangat besar saat ini. Pada kesempatan ini ijinkan penulis untuk mengucapkan terima kasih dan ras hormat atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, yaitu kepada: 1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku ketua progdi dan dosen pembimbing I Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. 2. Bapak D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing II dalam penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir. 3. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik Universitas Sebelas Maret atas jasa jasanya selama penulis menuntut ilmu. 4. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini. 5. Bapak yang memberikan motifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini. vi

8 6. Khokok Setya Pambudi sebagai kakak yang selalu mendukung dalam bidang apapun sehingga penulis dapat menyelesaikan study dan Tugas Akhir ini. 7. Teman teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini. 8. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan, kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu sebelumnya penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya. Penulis juga mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat membangun atas laporan ini. Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama. Surakarta, maret 2016 Penulis vii

9 DAFTAR ISI MOTTO... ii HALAMAN PERSEMBAHAN... iii Abstract... iv Abstrak... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR PERSAMAAN... xiiiv DAFTAR NOTASI... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I PENDAHULUAN... Error! 1.1. Latar Belakang Masalah... Error! 1.2. Perumusan Masalah... Error! 1.3. Batasan masalah... Error! 1.4. Tujuan Penelitian... Error! 1.5. Manfaat Penelitian... Error! 1.6. Sistematika Penulisan... Error! BAB II TINJAUAN PUSTAKA... Error! 2.1. Tinjauan Pustaka... Error! 2.2. Dasar Teori... Error! Turbin... Error! Jenis-Jenis Turbin Air... Error! Pemilihan Turbin Air... Error! Aerodinamika Turbin... Error! Tip speed ratio (TSR)... Error! Coefficient of Power (Cp)... Error! Non-dimensioned rpm... Error! viii

10 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... Error! 3.1. Alat dan Bahan... Error! 3.2. Desain Alat uji... Error! 3.3. Apparatus Test... Error! 3.5. Pra-Study... Error! 3.6. Tujuan Penelitian... Error! 3.7. Pelaksanaan Penelitian... Error! 3.8. Diagram Alir Penelitian... Error! BAB IV ANALISA DATA... Error! 4.1. Study Simulasi Countur Tekanan dan Kecepatan variasi Depth to Width Ratio Sudu Turbin... Error! 4.2. Debit Aliran yang Bekerja pada Variasi Kelengkungan Turbin... Error! 4.3. Kecepatan Fluida dan Daya aliran Fluida Error! 4.4. Tip Speed Ratio (TSR)... Error! 4.5. Daya yang Bekerja Pada Rotor Turbin... Error! BAB V PENUTUP... Error! 5.1. Kesimpulan... Error! 5.2. Saran... Error! DAFTAR PUSTAKA... Error! ix

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Hubungan laju aliran terhadap power yang dihasilkan.... Error! Gambar 2. 2 Parameter Desain... Error! Gambar 2. 3 Skema turbine hydro electric jenis Pelton (Dixon and Hall 2013)... Error! Gambar 2. 4 [a] Francis rotor hydro electric turbine [b] Skema aliran pada Francis turbine (Dixon and Hall 2013)... Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 5 Turbin Crossflow... Error! Gambar 2. 6 Turbin Turgo... Error! Gambar 2. 7 Turbin Francis... Error! Gambar 2. 8 Turbin Kaplan Propeler... Error! Gambar 2. 9 Turbin Pelton... Error! Gambar Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan Head dan laju aliran volume. (Dixon and Hall 2013)... Error! Bookmark not defined. Gambar Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen, et al. 2013)... Error! Gambar Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius wind turbine (Sarma, et al. 2014)... Error! Gambar Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu (Ahmed, et al. 2013)... Error! Gambar 3. 1 a.) Menentukan sudut busur,b.) Menentukan kelengkungan profil sudu... Error! Gambar 3. 2 Kedalaman dan lebar sudu turbin.... Error! Gambar 3. 3 Rotor variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 3.4 Aparatus test... Error! x

12 xi Gambar 3. 5 Simulasi countur tekanan variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 3. 6 Simulasi kecepatan depth to width ratio.... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 1 Simulasi countur tekanan terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 4. 2 Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 4. 3 Grafik perbandingan torsi pada variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 4. 4 Ilustrasi Aliran Fluida Masuk... Error! xi

13 Gambar 4. 5 Grafik debit aliran terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar 4. 6 Turbin variasi depth to width ratio 0, Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 7 Luas penampang blocking system... Error! Gambar 4. 8 Grafik kecepatan aliran fluida (m/s) pada variasi depth to with ratio.... Error! Gambar 4. 9 Grafik daya aliran fluida (Watt) pada variasi depth to with ratio.... Error! Gambar Grafik perbandingan Tip Speed Ratio (TSR) pada variasi depth to width ratio.... Error! Gambar countur tekanan terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar Grafik power output terhadap variasi depth to width ratio.... Error! Gambar Grafik coefisien power terhadap variasi depth to width ratio. Error! Gambar Grafik tegangan terhadap variasi depth to width ratio.... Error! xi

14 DAFTAR TABEL Tabel 4. 1 Hasil simulasi torque variasi depth to width ratio.... Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 2 Pengaruh rotor terhadap aliran fluida... Error! Tabel 4. 3 Kecepatan putar rotor turbin... Error! xii

15 DAFTAR PERSAMAAN Persamaan (2. 1) Tip Speed Ratio... Error! Persamaan (2. 2) Coefisien Power... Error! Persamaan (2. 3) Turbin... Error! Persamaan (2. 4) Daya Listrik... Error! Persamaan (4. 1) Debit... Error! Persamaan (4. 2) Kecepatan Aliran Fluida (U)... Error! Persamaan (4. 3) Daya Fluida (Pi)... Error! Persamaan (4. 4) Tip Speed Ratio (TSR)... Error! Persamaan (4. 5) Daya Listrik (Po)... Error! Persamaan (4. 6) Coefisien Daya (Cp)... Error! xiii

16 DAFTAR NOTASI Nomenclature A p = Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa [m 2 ] D = Diameter rotor [m] g = Percepatan gravitasi [m/s 2 ] H f = Head fluida [m] i = Electrical current [Ampere] P i = Daya input [Watt] P o = Daya output [Watt] Q f = Aliran fluida masuk [m 3 ] Q of = Debit Over flow [m 3 /s] Q pump = Debit pada pompa [m 3 /s] t = Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume 2 liter [s] U = Kecepatan fluida masuk [m/s] U of = Kecepatan aliran pada Overflow [m/s] v = Voltage [Volt] Parameter tanpa dimensi C p TSR = Koefisien daya = Tip Speed Ratio Greek Symbol ψ = Blade arc angle [ ] ω = Kecepatan sudut [rad/s] ρ = Massa jenis air [kg/m 3 ] xiv

17 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Data Hasil Percobaan... Error! Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan... Error! Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa.. Error! Lampiran 4 Simulasi Kecepatan Turbin Variasi Depth to Width Ratio... Error! Lampiran 5 Simulasi Countur Tekanan Variasi Depth to Width Ratio... Error! Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units)Error! Bookmark not defined. xv

18 xvi xvi

19 1