JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016

Transkripsi

1 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU DARI HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE DENGAN TIPE DRAG TERHADAP POWER GENERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : MUHAMMAD ALWAN ROSYIDI NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 HALAMAN JUDUL

2 KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS SEBEIAS MARET - FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI 51 TRANSFER TEKNIK MES]N Jl lr Sutami No. 36A Kentingan Surakarta Telp web: mesin.ft.uns.ac.id SURAT TUGAS PEMBTMBING DAN PENGUTT TUGAS AKHIR PROGRAM SARJAHA TEKNTK MESTN UNS Program Studi :51 Transfer Teknik Mesin Nomor : O61*/TA/51/O5/2O15 Nama NIM Bidang Pembimbing L Pembimbing 2 Penguji :MUH. ALWAN ROSYIDI :11412OL2 :Konversi Energi :DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT/1971O O21OO2 :D. DANARDONO, ST, MT, PhD/1969O O31OO1 : 1. Prof. Dr, DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MTI r oo1 2. BUDI KRISTIAWAN, ST,MT/ Lg71O4251g9gO31OO1 3, PURWADT WIDODO, ST, lu. KOMI 'OKO Mata Kuliah Pendukung 1. ME (ANTKA FLUTDA 2(MS ) 2.AERO DAN llldro DlltlAMll(A(MSO6o33-1O) 3. POMPA DAN KOMPRESOR(]r SO6IO3-1O) JudulTugas Akhir ''STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE DENGAN TIPE DRAG TERHADAP POWER GENERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA'' a, L4: rogram Studi 51 Te esln, Tembusal-: ' 1. Mahasiswa ybs, 2. Dosen Pembimbing TA ybs. 3. Koordinator TA. 4. Arsip. G. SYAMSUL HADI, Hal Ldari thal.

3 STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU HORIZOTTITAT AXIS WATER TURBINE DENGAI{ TIPE DRAG TERHADAP POWER GE]IIERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA Disusun Oleh WAN ROSYIDI L4r2012 Dosen Pembimbing L imbing DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT NtP. L NO,5T, MT, PhD NtP Telah dipertahankan di depan Tim Dosen Penguji pada tanggal 1O:OO:OO, bertempat di M.1O1, Gd.l FT-UNS. o4-o pukul 1. Prof. Dr. DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MT L L , BUDI KRISTIAWAN,sT,MT r971, PURWADT JOKO W DODO, 5T, M, KOM L L t 6:i;;i -\- r'* r--f /sxi" i7- {u raxc \fii i,ftr+ l?i z.\ if= *4 elty urr,,,, r,**r*l)s "fto, oi^, i'j,l l*$" Program Studi Teknik nik Universitas Se Surakarta G. SYAMSUL HADI, ST,MT N lp. L Koord inator Tugas Akhir DR. I'IURUL lfitthay, ST,MT.NtP

4 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU DARI HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE DENGAN TIPE DRAG TERHADAP POWER GENERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA Muhammad Alwan Rosyidi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia rosyidi.alwan@yahoo.com Abstrak Kondisi curah hujan dan gedung-gedung bertingkat tinggi di daerah perkotaan merupakan faktor potensial penting dalam pengembangan sebuah energi alternatif. Sebuah konsep tentang Horizontal Axis Water Turbine diajukan sebagai sarana dalam membangkitkan energi listrik dengan head yang rendah. Penelitian ini fokus pada pengaruh sudut kelengkungan sudu dari Horizontal Axis Water Turbine terhadap daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari performa maksimal yang dihasilkan dari berbagai variasi sudut kelengkungan sudu. Variasi sudut kelengkungan sudu adalah 100, 110, 120, 130, dan 140. Dengan head 2 m, performa maksimal didapat pada sudut kelengkungan sudu 140. Daya listrik dan koefisien daya pada sudut kelengkungan sudu 140 masing-masing 4,2 Watt dan 0,023. Kata kunci : sudut kelengkungan sudu, turbin tipe drag, turbin air Savonius, power generation Abstrack The high rainfall and the high-rise building in urban areas are important potential factor in developing the alternative energy. A concept of Horizontal Axis Water Turbine is proposed as a media to generate the electrical energy with low head condition. This research focuses on the effect of various blade curvature angle to power generation of Horizontal Axis Water Turbine. The purpose of this research is to find the maximum performance from a various blade curvature angle of 100, 110, 120, 130, and 140. By the head of 2 m, the maximum performance of electrical power and power coefficient were respectively 4.2 Watt and at blade curvature angle of 140. Keywords : blade curvature angle, drag-type turbine, Savonius hydroelectric turbine, power generation iv

5 KATA PENGANTAR Syukur alhamdulillah penulis panjatkan atas rahmat dan karunia yang diberikan oleh Allah SWT sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Studi Eksperimental Pengaruh Sudut Kelengkungan Sudu Dari Horizontal Axis Water Turbine Dengan Tipe Drag Terhadap Power Generation Pada Aliran Air Dalam Pipa ini dengan baik Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Skripsi ini tidap mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari pihak-pihak tertentu. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada : 1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini 2. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT, bapak Budi Kristiawan, ST, MT dan bapak Purwadi Joko Widodo, ST, M.Kom selaku dosen penguji tugas akhir yang telah memberi saran yang membangun. 4. Bapak Dr. Nurul Muhayat, ST, MT, selaku koordinator Tugas Akhir. 5. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT, selaku Kepala Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis. 6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 7. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. v

6 8. Teman-teman satu Grup Riset Penelitian Prototipe Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) Untuk Green Energy di Bangunan Bertingkat atas kerja samanya dengan gagasan-gagasan yang telah dicetuskan. 9. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin (Transfer) Universitas Sebelas Maret angkatan Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Januari 2016 Penulis vi

7 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii ABSTRAK... iv KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR PERSAMAAN... xi DAFTAR NOTASI... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 BAB II DASAR TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Turbin Air Pemilihan Turbin Air Drag-type Turbine Parameter yang Digunakan Dalam Perhitungan Daya Input Daya Output Koefisien Daya (Cp) Tip Speed Ratio (TSR) vii

8 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat Penelitian Desain Alat Desain Rotor Turbin Dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu Desain Alat Uji Bahan dan Alat Penelitian Bahan Penelitian Alat Penelitian Pra-Study Garis Besar Penelitian Pelaksanaan Penelitian Diagram Alir Penelitian BAB IV DATA DAN ANALISA Simulasi Drag-type Turbine dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu Aliran Fluida Masuk Tip Speed Ratio Daya Input Performa Rotor BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin Air Tabel 4.1 Nilai torsi dari tiap-tiap variasi sudut kelengkungan sudu Tabel 4.2 Efek rotor terhadap aliran fluida masuk Tabel 4.3 Kecepatan fluida masuk pada variasi sudut kelengkungan sudu Tabel 4.4 Kecepatan putar dan Tip Speed Ratio pada masing-masing variasi sudut kelengkungan sudu Tabel 4.5 Daya input dari setiap variasi sudut kelengkungan sudu Tabel 4.6 Performa rotor dilihat dari besaran tegangan, daya listrik dan koefisien daya ix

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Modifikasi Savonius rotor tanpa poros (Kamoji et al., 2009)... 6 Gambar 2.2 Savonius rotor secara konvensional (Kamoji et al., 2009)... 6 Gambar 2.3 Modifikasi Savonius rotor dengan penambahan poros (Kamoji et al., 2009)... 7 Gambar 2.4 Skema turbine hydroelectric jenis Pelton (Dixon & Hall, 2013) Gambar 2.5 [a] Francis rotor hydroelectric turbine [b] Skema aliran pada Francis turbine (Dixon & Hall, 2013) Gambar 2.6 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan ketinggian Head dan laju aliran volume (Dixon & Hall, 2013) Gambar 2.7 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen et al., 2013) Gambar 2.8 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius wind turbine (Sarma et al., 2014) Gambar 2.9 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu (Ahmed et al., 2013) Gambar 3.1 Skema sudut busur pada sudu rotor turbin Gambar 3.2 Desain alat uji Horizontal Axis Water Turbine Gambar 3.3 Bahan uji Horizontal Axis Water Turbine dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu Gambar 3.4 Diagram alir penelitian Horizontal Axis Water Turbine dengan variasi sudut kelengkungan sudu Gambar 4.1 Simulasi Drag-type Turbine dengan variasi sudut kelengkungan sudu 120 (a) Streamline kecepatan (b) Kontur tekanan Gambar 4.2 Nilai torsi pada tiap-tiap posisi sudu dari proses simulasi Gambar 4.3 Ilustrasi aliran fluida masuk Gambar 4.4 Grafik hubungan sudut kelengkungan sudu terhadap aliran fluida masuk Gambar 4.5 Grafik hubungan antara variasi sudut kelengkungan sudu dengan kecepatan putar dan TSR Gambar 4.6 Hubungan antara sudut kelengkungan sudu terhadap performa rotor Gambar 4.7 Kesesuaian antara hasil simulasi dengan data eksperimen x

11 DAFTAR PERSAMAAN Persamaan (2.1) Daya Input Persamaan (2.2) Diferensial Daya Listrik Persamaan (2.3) Diferensial Daya Listrik (Penjabaran) Persamaan (2.4) Daya Output/ Daya Listrik Persamaan (2.5) Koefisien Daya Persamaan (2.6) Tip Speed Ratio Persamaan (4.1) Aliran Fluida Masuk xi

12 DAFTAR NOTASI Nomenclature = Aliran fluida masuk [m 3 ] = Daya input [Watt] / = Daya output / Daya listrik [Watt] = Debit Over flow [m 3 /s] = Debit pada pompa [m 3 /s] = Diameter rotor [m] = Electrical current [Ampere] = Energi listrik [Joule] = Hambatan listrik [Ohm] = Head fluida [m] = Kecepatan aliran pada Overflow [m/s] = Kecepatan fluida masuk [m/s] = Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa [m 2 ] = Percepatan gravitasi [m/s 2 ] = Voltage [Volt] = Waktu [s] Parameter tanpa dimensi = Koefisien daya = Tip Speed Ratio Greek Symbol = Blade arc angle [ ] = Kecepatan sudut [rad/s] = Massa jenis air [kg/m 3 ] xii

13 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Data Hasil Percobaan Lampiran 2 Perhitungan dan Data Perhitungan Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa Lampiran 4 Lampiran 5 Simulasi Drag-type Turbine pada sudut kelengkungan sudu 120 ditinjau dari perubahan posisi sudu Simulasi Drag-type Turbine dari berbagai sudut kelengkungan sudu Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units) xiii