BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka

BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Chen, dkk (2013) meneliti tentang Vertical Axis Water Turbine (VAWT) yang diaplikasikan untuk menggerakkan power generation untuk aliran air dalam pipa. Tujuannya adalah menyediakan pasokan listrik untuk dialirkan ke monitor sebagai sensor dalam upaya mengontrol kebocoran pipa air dan meningkatkan manajemen pasokan air sehingga dapat menyediakan air bersih untuk warga. Terdapat 3 generasi dalam melakukan eksperimen ini. Generasi pertama, membandingkan antara drag-type turbine dan lift-type turbine yang diaplikasikan pada sebuah VAWT dengan simulasi menggunakan CFD software. Hasilnya menunjukkan drag-type turbine lebih baik dari pada lift-type turbine. Generasi kedua, merupakan penyempurnaan dari generasi pertama yang lebih memfokuskan pada blocking system. Terdapat 4 tipe blocking system yang didesain untuk solid drag-type turbine. Vertical block merupakan blocking system pertama yang dibuat yang dapat langsung dimasukkan kedalam pipa memalui T- Joint. Blocking system yang kedua adalah a long slanted block, disusul kemudian a short slanted block dan yang terakhir adalah a slanted with eye shaped opening. Dan hasil kesimpulannya adalah blocking system dengan eye shaped opening menghasilkan daya yang maksimal. Generasi ketiga, mengembangkan sebuah drag-type turbine dengan bentuk hollow. Daya listrik yang dihasilkan jauh lebih baik dari generasi pertama maupun generasi kedua. Adapun power output maksimal yang dihasilkan adalah 88,2 Watt dengan kecepatan aliran 1,5 m/s dan penurunan tekanan kurang dari 5 m. Kamoji, dkk (2008) melakukan eksperimen yang membandingkan antara rotor Savonius tipe konvensional, modifikasi Savonius dengan penambahan poros dan modifikasi Savonius tanpa penambahan poros. 5

6 Gambar 2. 1 Modifikasi Savonius rotor tanpa poros (Kamoji et al., 2009) Aspek-aspek yang diteliti meliputi: Efek overlap ratio (m/d), efek aspect ratio (H/D), efek blade arc angle (ψ), efek blade shape factor (p/q) dan efek bilangan Reynolds. Gambar 2. 2 Savonius rotor secara konvensional (Kamoji et al., 2009)

7 Gambar 2. 3 Modifikasi Savonius rotor dengan penambahan poros (Kamoji et al., 2009) Ditinjau dari efek overlap ratio (m/d) dengan ratio 0,0, 0,10 dan 0,16 diteliti dengan membandingkan antara koefisien power, koefisien torsi dan koefisien statik torsi. Hasilnya adalah ratio (m/d) dengan 0,0 mempunyai nilai koefisien power yang paling tinggi sebesar 0,17. Efek aspect ratio (H/D) memberikan gambaran bahwa terdapat 4 jenis variasi (0,6, 0,7, 0,77 dan 0,1) yang diteliti dengan membandingkan sama seperti pada aspek rasio. Dari hasil eksperimen menghasilkan aspect ratio dengan nilai 0,7 mempunyai nilai koefisien power maksimum. Efek blade arc angle (ψ) dengan variasi sudut 110º, 124º, 135º dan 150º memberikan gambaran bahwa pada sudut 124º memberikan pengaruh terhadap koefisien power paling besar. Efek blade shape factor (p/q) dengan nilai 0,2 memberikan pengaruh sedikit lebih besar dibandingkan dengan variasi yang lain. Adapun variasi yang digunakan adalah 0,2, 0,4, 0,6. Efek bilangan Reynolds diinvestigasi dengan variasi 80000 (5,57 m/s) 150000 (10,44 m/s). Hasilnya adalah koefisien power meningkat 19% sejalan dengan peningkatan bilangan Reynolds dari 80000 150000. Biswas, dkk (2014) melakukan penelitian baik secara experimental maupun computational pada Savonius hydrokinetic turbine berkecepatan rendah yang dibandingkan dengan Savonius wind turbine pada power input yang sama. Performa conventional Savonius hydrokinetic turbine dievaluasi dengan kecepatan

8 antara 0,3 m/s sampai 0,9 m/s dalam sebuah saluran air terbuka. Dengan kondisi air yang memiliki sifat berat jenis dan momemtum yang lebih besar dari pada udara, membuktikan bahwa hasil yang didapat pada Savonius hydrokinetic turbine lebih baik dibandingkan dengan Savonius wind turbine. Perbandingan antara power input dan power extracted oleh turbin disajikan untuk melihat performa dari kedua jenis turbin tersebut. Hasilnya adalah power extracted pada Savonius hydrokinetic turbine meningkat 61,32% pada power input yang sama dengan Savonius wind turbine. Ahmed, dkk (2013) meneliti tentang blade curvature pada Savonius rotor yang diaplikasikan dalam sebuah wave channel untuk mencari berapa sudut kelengkungan sudu (blade curvature) yang paling optimal. Beberapa variasi yang dijadikan bahan penelitian adalah 60, 65, 70, 75, 80, 85 dan 90. Beberapa variasi sudut kelengkungan tersebut kemudian dihasilkan sebuah data berupa rpm. Data-data rpm tersebut akan dibandingkan dengan nilai rpm minimum pada salah satu variasi dari sudut kelengkungan, yang disebut dengan non-dimensioned rpm. Hasilnya adalah pada sudut kelengkungan 70 menghasilkan nilai dari nondimensioned rpm maksimal yaitu 1,3. Pada sudut kelengkungan 90 dikatakan bahwa rotor tidak sepenuhnya berputar meskipun dengan frekuensi yang lebih tinggi. 2.2. Dasar Teori 2.2.1. Turbin Air Dalam bahasan turbomachine, turbin air merupakan salah satu perangkat yang dikategorikan sebagai mesin-mesin turbo tersebut. Turbomachine didefinisikan sebagai sebuah perangkat dimana energi yang ditransfer baik atau dari sebuah fluida yang mengalir secara terus menerus oleh aksi dinamis dari satu atau lebih pergerakan barisan sudu. Ada 2 kategori utama dalam pengidentifikasian turbomachine. Pertama, perangkat yang menyerap daya untuk meningkatkan tekanan fluida atau head. Kedua, sebuah perangkat yang menghasilkan daya dengan mengekspansi fluida sehingga menghasilkan tekanan atau head yang rendah (Dixon & Hall, 2013).

9 Sejarah tentang turbin air memiliki perkembangan beberapa periode. Salah satunya dengan bentuk yang tertua dan paling sederhana adalah kincir air, pertama kali digunakan di Yunani kuno dan kemudian diadopsi di seluruh eropa pada abad pertengahan untuk menggerinda gandum. Seorang engineer asal Perancis, Benoit Fourneyron, mengembangkan turbin air untuk dikomersialkan pertama kali (sekitar tahun 1830). Kemudian Fourneyron membangun sebuah turbin untuk keperluan industri yang mencapai kecepatan putar 2300 putaran/ menit, mampu membangkitkan daya 50 kw dengan efisiensi lebih dari 80 %. James B. Francis, seorang engineer asal Amerika, mendesain radial-inflow hydraulic turbine (dikenal dengan turbin Francis) pertama kali. Turbin ini menjadi populer karena memberikan hasil yang sagat baik. Dalam bentuk aslinya digunakan untuk head kisaran 10 sampai 100 m. Pada pertengahan abad ke- 19, seorang penemu Amerika bernama Lester A. Pelton berhasil menemukan sebuah turbin impuls dimana air di dalam pipa pada tekanan yang tinggi dilewatkan pada sebuah nosel kemudian berekspansi sempurna menuju ke tekanan atmosfer. Akibatnya muncul jet impact keluar dari nosel yang menyembur menuju blade dari turbin, sehingga menghasilkan torsi, dan power output. Pada era sekarang, turbin ini dinamakan dengan turbin Pelton (Dixon & Hall, 2013). Secara umum turbin air dibedakan menjadi 2 jenis yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Perbedaan dari kedua turbin ini terletak dari cara kerjanya. Turbin impuls menggunakan sebuah nosel untuk mengubah energi kinetik, energi potensial dan tekanan fluida menjadi sebuah kerja yang dapat menggerakkan rotor dari turbin tersebut. Sementara turbin reaksi bekerja dengan aliran air yang penuh pada sebuah saluran. Menggunakan semacam diffuser atau draft tube untuk mendapatkan kembali sebagian kecil dari energi kinetik yang tersisa ketika air meninggalkan rotor (Munson, Young, & Okiishi, 1990). Selain itu, perbedaan dari kedua jenis turbin ini dapat dilihat dari ketinggian head-nya. Seperti yang ditunjukkan dalam tabel berikut.

10 Tabel 2. 1 Pengelompokan Turbin Air High Head Medium head Low Head Turbin Impuls Pelton, Turgo Cross-Flow Mult-jet Pelton Turgo Turbin Reaksi Cross-Flow Propeller Kaplan 2.2.1.1. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang terdiri dari energi potensial dan tekanan yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Gambar 2. 4 Skema turbine hydroelectric jenis Pelton (Dixon & Hall, 2013)

11 Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer sekitarnya. Semua energi baik berupa tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu, jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. 2.2.1.2. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. 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. [a] [b] Gambar 2. 5 [a] Francis rotor hydroelectric turbine [b] Skema aliran pada Francis turbine (Dixon & Hall, 2013) Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Contoh dari turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Kaplan.

12 2.2.2. Pemilihan Turbin Air Setiap jenis turbin air mempunyai performanya sendiri-sendiri. Seperti halnya turbin jenis impuls, yang akan mempunyai efisiensi maksimum pada head yang tinggi dengan laju aliran volume yang relatif rendah. Sebaliknya dengan turbin reaksi, dimana efisiensinya akan maksimal pada laju aliran volume yang besar dan head yang tidak terlalu tinggi. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6, pemilihan berbagai jenis turbin disajikan dalam bentuk grafik. Gambar 2. 6 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan ketinggian Head dan laju aliran volume (Dixon & Hall, 2013) Grafik diatas menunjukkan sebuah hasil plot dari perbandingan antara debit (Q) dan ketinggian head (H) dengan garis-garis konstan yang menunjukkan sebuah ketentuan daya listrik yang diasumsikan mempunyai efisiensi ( ). Turbin Pelton membutuhkan head yang paling tinggi supaya mendapatkan efisiensi yang maksimal. Sebuah turbin Pelton tipe standart saja membutuhkan ketinggian head berkisar 300 500 meter dengan laju aliran volume yang relatif kecil. Berbeda

13 dengan turbin Kaplan yang hanya membutuhkan ketinggian 2 meter saja sudah mampu membangkitkan daya listrik. Dengan ketinggian 2 meter, sebenarnya turbin Kaplan sangat cocok digunakan sebagai bahan penelitian ini. Namun, pemasangan rotor turbin yang mengharuskan berada dalam pipa mempersulitkan dalam proses instalasi. Sebuah penelitian dari Chen (2013) menerapkan sebuah drag-type turbine yang diinstalasi didalam pipa saluran air mendatar. Pada penelitiannya mampu menghasilkan power maksimal 88,2 Watt dengan kecepatan aliran air 1,5 m/s. Gambar 2. 7 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen et al., 2013) 2.2.3. Drag-type Turbine Dalam pengkajian turbin angin, istilah drag-type turbine adalah sebutan lain dari Savonius rotor turbine. Ada 2 jenis tipe turbin angin modern. Pertama, turbin dengan tipe drag dimana memanfaatkan gaya drag untuk menggerakkan rotor. Turbin angin yang termasuk jenis tipe drag adalah Savonius rotor. Kedua, turbin dengan tipe lift dimana mengandalkan gaya lift untuk menggerakkan rotor. Turbin angin yang termasuk jenis lift turbine adalah Darius rotor. Walaupun Savonius rotor turbine adalah salah satu jenis dari turbin angin, namun ternyata perkembangannya banyak diterapkan juga pada turbin air. Bahkan, Savonius hydraulic turbine menghasilkan power output yang lebih baik dibandingkan dengan Savonius wind turbine. Sebuah penelitian yang dilakukan oleh Biswas (2014) dengan mengevaluasi performa Savonius hydrokinetic turbine yang akan dibandingkan dengan Savonius wind turbine baik secara eksperimental

14 maupun komputasional. Sebuah skema perbandingan antara Savonius water turbine dan Savonius wind turbine diperlihatkan pada grafik dibawah ini. Gambar 2. 8 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius wind turbine (Sarma et al., 2014) Dengan input power yang sama, Savonius water turbine dan Savonius wind turbine dibandingkan. Hasilnya, power yang di ekstraksi oleh turbin pada Savonius water turbine lebih baik dibandingkan dengan Savonius wind turbine. Suatu skema yang disajikan sebagai perbandingan antara blade curvature dengan non-dimensioned rpm dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Ahmed (2013) diperlihatkan pada grafik dibawah ini. Gambar 2. 9 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu (Ahmed et al., 2013)

15 Beberapa variasi sudut kelengkungan sudu pada Savonius turbine menghasilkan suatu trend dimana pada keadaan tertentu kecepatan putar akan mencapai maksimal kemudian apabila ditambah lagi sudut kelengkungannya, performanya akan menurun. 2.3. Parameter yang Digunakan Dalam Perhitungan 2.3.1. Daya Input Pengertian daya input disini adalah daya maksimal yang dihasilkan akibat potensial dari air yang jatuh dari tangki atas. Daya input dicari dengan persamaan:... (2.1) Dimana adalah daya input, [Watt] ; adalah massa jenis fluida air, [kg/m 3 ] ; adalah gravitasi, [m/s 2 ] ; adalah laju aliran fluida air, [m 3 /s] ; dan adalah head yang ditentukan (dihitung dari batas level air sampai sudu yang terkena fluida), [m] (Ikeda, Iio, & Tatsuno, 2010). 2.3.2. Daya Output Daya output pada penelitian ini merupakan daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Daya listrik adalah waktu rata-rata saat melepas atau menyerap energi, diukur dalam satuan watt (Alexander, Alexander, & Sadiku, 2006)....... (2.2) Dimana adalah daya listrik dalam satuan watt (W), adalah energi dalam satuan joule (J), dan adalah waktu dalam satuan detik.... (2.3) Jadi,... (2.4) Dimana adalah daya output, [Watt] ; adalah tegangan, [Volt] ; adalah kuat arus, [ampere]

16 2.3.3. Koefisien Daya (Cp) Koefisien power didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktual yang dihasilkan oleh sudu rotor dengan daya yang bekerja pada fluida. C p P o... (2.5) P i Dimana; adalah koefisien daya. 2.3.4. Tip Speed Ratio (TSR) Tip speed ratio merupakan faktor utama dalam pengujian turbin Savonius. Tip speed ratio didefinisikan sebagai rasio dari tangential speed pada blade tip dengan kecepatan aktual fluida (Sarma et al., 2014). 5 ωd TSR... U (2.6) Dengan adalah kecepatan sudut sudu [rad/s], ; diameter rotor [m] dan ; kecepatan aktual fluida [m/s].