STUDI APLIKASI TURBIN ACHARD SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTMH) MEMANFAATKAN ENERGI KINETIK ALIRAN

Oleh :Amir Sarlito Womal1)

Bambang Yulistiyanto2)

Prajitno3)

INTISARIPenelitian ini bertujuan untuk mengaplikasikan turbin Achard sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro

dengan memanfaatkan energi kinetik aliran. Parameter karakateristik turbin yang diuji berupa performa turbin yang terdiri dari koefisien daya turbin (Cp), tip speed ratio (TSR) dan kecepatan spesifik turbin (Ns).

Hasil pengujian turbin Achard pada penelitian ini ditunjukkan bahwa karakteristik daya keluaran dan tip speed ratio meningkat sebanding dengan perubahan kecepatan aliran air. Performa putaran turbin (N) tanpa beban mempunyai korelasi yang linear terhadap kecepatan aliran. Korelasi karakteristik daya keluaran, koefisien daya dan TSR ditunjukkan bahwa daya keluaran dengan koefisien daya maksimum yaitu ± 40 % dicapai pada nilai TSR = 3 (tiga). Kecepatan spesifik turbin diperoleh 52,45 (rpm, Hp, m) sehingga dapat dikelompokkan sebagai jenis turbin Cross Flow (Ns = 20-80 ; rpm, Hp, m). Performa turbin Achard dengan koefisien daya/efisiensi yang lebih baik jika dibandingkan turbin lainnya (Gorlov dan Darrius) sehingga sangat potensial untuk dikembangkan untuk aplikasi sistem pembangkit memanfaatkan energi kinetik aliran.

Kata kunci : Turbin Achard, koefisien daya (Cp), tip speed ratio (TSR), kecepatan spesifik (Ns).

ABSTRACT

This research intend to study for the application of Achard turbine as mikrohidro power by exploiting stream kinetic energy. Turbine characteristic parameter tested in the form of turbine performance which consist of power coefficient (Cp), tip speed ratio (TSR), and specific speed of turbine (Ns).

The testing result of Achard turbine at this research are indicated that output power characteristic and tip speed ratio increased proportional with change of water flow. Rotation turbine (N) performance without load have linear correlation to water flow. The correlation of output power characteristic, power coefficient and TSR indicated that the output power with maximum power coefficient that is ± 40 % reached at TSR value = 3 (three). Specific speed of turbine obtained 52,45 ( rpm, Hp m) so that can be grouped as Cross Flow turbine type ( Ns = 20-80 ; rpm, Hp, m). Achard turbine performance with power coefficient /efficiency is better if compared to other turbine (Gorlov and Darrius) so that very potential to be developed for the system application of generating exploit stream kinetic energy.

Keyword : Achard Turbin, power coefficient (Cp), tip speed ratio (TSR), specific speed (Ns).

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Potensi air yang tersebar di seluruh wilayah Indonesia merupakan lumbung energi yang perlu dieksplorasi sebagai sumber pembangkit baik skala besar (PLTA) maupun skala mini/pico (PLTMH). Potensi mikrohidro sebesar 450 MW dan kapasitas terpasang baru 21 MW atau sekitar 4,5 % merupakan lahan untuk berkarya guna menghasilkan energi yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat. Regulasi dan kebijakan energi nasional yang member ruang untuk berkarya merupakan tantangan yang harus dijawab baik kalangan akademisi, praktisi, investor maupun masyarakat umum.

Pengembangan mikrohidro selalu memanfaatkan potensi aliran dengan ketinggian tertentu (head) kemudian dikonversi menjadi energi listrik melalui turbin dan generator, sehingga muncul persepsi bahwa air yang mengalir dengan ketinggian sangat rendah tidak dapat digunakan sebagai sumber pembangkit (mikrohidro). Saluran irigasi yang letaknya disekitar pemukiman dan kawasan pertanian pada dasarnya juga dapat

dimanfaatkan untuk sumber pembangkit sehingga dapat mempunyai nilai tambah selain sebagi sumber pengairan juga sebagai sumber energi berupa PLTMH. Jumlah saluran irigasi yang banyak dan tersebar diseluruh wilayah Indonesia merupakan potensi energi yang perlu dimanfaatkan sehingga dapat menunjang ketahanan energi nasional.

Berdasarkan uraian tersebut di atas, peneliti melakukan penelitian untuk memanfaatkan energi kinetik aliran sebagai sumber pembangkit dengan judul : Studi Aplikasi Turbin Achard sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) memanfaatkan Energi Kinetik Aliran.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah:

a. Memanfaatkan potensi energi dari arus aliran sebagai sumber pembangkit PLTMH.

1) Amir Sarlito Womal : Mahasiswa Magister Sistem Teknik Konsenetrasi Mikrohidro (Energi Terbarukan) Fakultas Teknik – UGM

2) Dr. Ir. Bambang Yulistiyanto : Dosen Jurusan Teknik Sipil UGM3) Ir. Prajitno, MT : Dosen Jurusan Teknik Mesin dan Industri UGM

b. Merancang , membuat, dan menguji model turbin Achard.

c. Memperoleh korelasi antara Koefisien Daya Turbin (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR)

d. Menentukan kecepatan spesifik turbin (Ns).

1.3. Manfaat

Penelitian Studi Aplikasi Turbin Achard memeanfaatkan energi arus aliran sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) diharapkan akan dapat memberi nilai tambah bagi fungsi saluran irigasi selain sebagai sumber pengairan kawasan pertanian, juga dapat difungsikan sebagai sumber pembangkit listrik dengan memanfaatkan kecepatan aliran air pada saluran irigasi. Turbin Achard juga dapat diaplikasikan pada aliran lain (sungai, laut) yang mempunyai arus aliran yang memadai.

II. LANDASAN TEORI

2.1. Head Energi Aliran Fluida

Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan pada hokum Newton II tentang gerak (F = ma). Persamaan ini diturunkan berdasarkan asumsi:

a. Zat cair adalah ideal.b. Inkompresibelc. Aliran kontinud. Kecepatan aliran merata.e. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan

tekanan.

Gambar 2.1. Elemen zat cair sepanjang garis arus

Untuk aliran mantap satu dimensi dan zat cair ideal, Euler merumuskan persamaan:

g dz+ dpγ

+VdV =0 ...............................(2.1)

Apabila kedua ruas persamaan (2.1) dibagi dengan g dan diintegralkan maka akan diperoleh:

z+ pγ+ v2

2g=C (konstan) .....................(2.2)

Persamaan (2.2) dikenal sebagai persamaan Bernoulli yang menunjukkan head energi total merupakan jumlah

dari head posisi (z), head tekanan ( pγ), dan head

kecepatan ( v2

2 g). Secara umum persamaan Bernoulli

dituliskan :

H=z+ pγ+ v

2 g

2

.....................................(2.3)

2.2. Energi dari Aliran Air

Dalam fisika dapat ditunjukkan bahwa energi kinetik untuk suatu massa m yang bergerak dengan kecepatan v yang nantinya akan diubah menjadi energi poros adalah:

Ek=12

m v2 .............................................(2.4)

Dengan menganggap suatu penampang melintang A, dimana arus air dengan kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut dengan aliran volume V dirumuskan:

V = v.A (m3/s)...........................................(2.5)Sedangkan aliran massa dengan kerapatan air sebagai:

m = v A (kg/s).........................................(2.6)Persamaan – persamaan di atas menunjukkan energi kinetik dan aliran massa yang melewati suatu penampang melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan dengan mensubtitusi persamaan (2.6) ke persamaan (2.4) menjadi:

P=12

ρA v3 (W).......................................(2.7)

dengan;P = daya yang tersimpan pada fluida (W)v = kecepatan arus air (m/s) = densitas air (kg/m3)A = penampang melintang fluida (m2)

2.3. Hukum Betz’

Hukum Betz’ adalah teori mengenai energi maksimum yang dapat dibangkitkan dari turbin angin, dikembangkan pada tahun 1919 oleh ahli fisika Jerman, Albert Betz.

Teori momentum Betz ini mengasumsikan jika alat konversi energi kinetik fluida bekerja tanpa rugi – rugi dimana aliran fluida dianggap tidak bergesekan. Penyederhanaan ini merupakan hitungan kasar yang sangat berguna bagi perhitungan secara praktis dan sebagai panduan dasar dalam memahami operasi berbagai jenis desain turbin arus air. Betz mengasumsikan bahwa jika tidak adanya perubahan aliran massa fluida, maka dapat disimpulkan bahwa kecepatan fluida setelah melewati alat konversi energi kinetik fluida akan menurun. Pada saat yang bersamaan, luas penampang yang dilewati fluida menjadi lebih besar sesuai dengan persamaan kontinuitas aliran fluida.

Berdasarkan hasil percobaan dan analisis, Betz mengemukakan bahwa maksimum daya yang diperoleh dalam konversi energi kinetik fluida adalah 0,593. Besaran ini disebut “faktor daya ideal”, keadaan ini dapat dicapai apabila rasio kecepatan fluida setelah melewati alat konversi dan sebelum melewati alat konversi (v2/v1) = 1/3.

2.4. Airfoil

Airfoil digunakan terutama untuk menghasilkan gaya lift yang bekerja pada turbin angin ataupun air agar dapat berputar. Saat ini salah satu referensi untuk pemilihan airfoil yang populer adalah profil airfoil yang dibuat oleh National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Pengujian yang dilakukan oleh NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek kelengkungan dan distribusi ketebalan serta pengujiannya dilakukan pada berbagai bilangan Reynolds. Setiap bentuk airfoil NACA mempunyai parameter – parameter tersendiri sesuai dengan pengaplikasiannya.

Parameter-parameter yang telah ditentukan menurut standar NACA (Gambar 2.2) adalah:

a. Panjang chord (c)b. Maksimum camber (f ) atau camber ratio (f/c)

dalam %.c. Posisi maksimum camber (xf)d. Ketebalan maksimum airfoil (d)e. Posisi maksimum ketebalan (xd)f. Radius nose (rN)g. Koordinat airfoil zu (x) bagian atas dan z1 (x)

bagian bawah.

Gambar 2.2. Parameter geometri airfoil dari seri NACA airfoil. (Hau, 2005)

Parameter – parameter airfoil dapat dituliskan dalam persamaan matematis yang menunjukkan hubungan tiap parameter. Dalam bidang xOy, koordinat (x,y) dalam kerangka nondimensional yang berkaitan dengan panjang chord c, dengan x*

= 0 pada bagian leading edge dan x* = 1 pada bagian trailing edge dapat dituliskan fungsi koordinat {x*,y*}:

y¿= ys¿±

d20

¿

………........................................................ (2.8)

dengan:

ys¿= m¿

(1−p¿)2 [ (1−2 p¿)+2 p¿ x¿−x¿ 2]

untuk m* ≤ x* ≤ 1 ......................................(2.9)

ys¿= m¿

p¿2 (2 p¿−1)x¿2 ; untuk 0 ≤ x* 1

....................................................................(2.10)

Panjang chord c dapat diekspresikan atas radius runner dan garis rata-rata camber co :

c=2 Rsin(co

2 R) , ...................................(2.11)

Maksmimum upper camber (m) didefinisikan sebagai :m=R ¿, ....................................................(2.12)

2.5. Solidity Turbin (σ)

Solidity adalah parameter tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara jumlah blade (n), panjang chord (c) dengan keliling turbin. Solidity digunakan untuk menentukan dimensi blade. Secara matematis parameter solidity (σ) dirumuskan:

σ= nc2 πr

............................................(2.13)

dengan;σ = solidity n = jumlah blade (1,2,3,…)c = panjang chord (m)r = jari-jari turbin (m)

2.6. Tip Speed Ratio (TSR)

Tip Speed Ratio didefinisikan sebagai perbandingan antara kecepatan aliran fluida (vf) dengan kecepatan linear turbin yang searah dengan arah aliran (vt). Parameter TSR digunakan untuk mendesain turbin khususnya turbin angin. Secara matematis TSR dirumuskan:

λ=v t

v f

....................................................(2.14)

dengan; = tip speed ratio (TSR)vt = kecepatan linear turbin (m/s)vf = kecepatan aliran fluida (m/s)

dalam sistem konversi energi kinetik efisiensi maksimum dicapai pada rentang nilai TSR 2,5 – 3, (Grabbe, 2008).

2.7. Daya Keluaran Turbin

Daya keluaran yang dihasilkan oleh turbin dalam menkonversi energi kinetik fluida sebanding dengan energi kinetik fluida dan dimensi luasan turbin serta efisiensi turbin. Secara matematis dirumuskan:

P=ηt12

ρA v3 ........................................(2.15)

dengan;P = daya turbin (watt)v = kecepatan arus air (m/s) = densitas air (kg/m3)A = luas penampang turbin yang memotong aliran fluida (m2)t = efisiensi turbin (%)Daya mekanik turbin juga dapat diperoleh

dengan mengukur torsi () yang dihasilkan oleh poros turbin serta putaran turbin, yang secara matematis dituliskan:

P=τ ω ...................................................(2.16)τ=F R ..................................................(2.17)

Sehingga persamaan daya mekanik turbin dapat dirumuskan:

P=F R ω ..............................................(2.18)dengan:

P = daya mekanik turbin (watt) = torsi yang dihasilkan turbin (Nm) = putaran turbin (rpm)F = gaya yang dipindahkan oleh poros (N)R = jari-jari poros/puli pengukuran gaya (m)

2.8. Efisiensi TurbinEfisiensi turbin didefinisikan sebagai

perbandingan antara daya keluaran turbin dengan daya aliran fluida, dirumuskan:

ηt=Pturbin

Pair

................................................(2.19)

2.9. Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik adalah sebuah nilai

numerik sebagai gambaran dari klasifikasi runner dihubungkan dengan tiga faktor yaitu head efektif, output turbin dan kecepatan putaran sebagai berikut:

Ns = (N x P1/2)/ H5/4 ...................................(2.20)Dengan mengambil H sebagai head kecepatan aliran fluida dari persamaan Bernoulli:

H= v2

2 g ..................................................(2.21)

Selanjutnya subtitusi persamaan (2.34) ke persamaan (2.33), diperoleh :

N s=N √P

( v2

2 g)

54

.......................................(2.22)

dengan;Ns = kecepatan spesifik turbinN = kecepatan putaran turbin (rpm)P = daya keluaran turbin (watt)v = kecapatan aliaran air (m/s)g = gravitasi (9,8 m2/s)

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Desain dan Pembuatan Model Dimensi model turbin Achard yang didesain

menyesuaikan dengan dimensi saluran pengujian yang tersedia di Laboratorium Hidrologi dan Hidraulika, PS-IT UGM. Parameter-parameter utama dalam desain turbin Achard yang dibuat yaitu : tinggi turbin (H) 36 cm, diameter turbin (D) 27 cm, panjang chord (c) 5,4 cm, jumlah blade (n) 3, solidity 0,19, sudut helical 60o, dan profil blade NACA 0020.

Gambar 3.1. Desain Model Turbin Achard dan Profil Blade NACA 0020 (tanpa skala).

Bentuk riil dari desain setelah manufaktur seperti pada gambar (3.2).

Gambar 3.2. Model Turbin Achard hasil manufaktur.

3.2. Alat dan Bahan PenelitianBenda yang diuji dalam penelitian ini adalah

Turbin Achard dengan dimensi utama:a. Jumlah Blade : 3 buahb. Diameter Turbin : 27 cmc. Tinggi Turbin : 36 cmd. Panjang Chord Blade : 5.4 cm

Alat-alat ukur dan kelengkapan yang dipergunakan dalam proses pengambilan data adalah sebagai berikut:

a. Current meter : untuk mengukur kecepatan aliran

b. Tachometer : untuk mengukur putaran turbin

c. Timbangan digital : untuk mengukur beban torsi

d. Batu : untuk beban pengujian torsi

e. Timbangan Pegas : untuk mengukur torsiSkema alat percobaan dalam proses pengambilan data serta alat ukur yang digunakan seperti pada gambar (4.1).

Gambar 4.1. Skema alat percobaan/pengujian turbin

3.3. Variabel PenelitianVariabel yang diamati dalam penelitian ini

adalah variabel bebas (independent variable) dan variabel terikat (dependent variable). Variabel bebas merupakan variabel penelitian yang tidak tergantung atau terpengaruh oleh variabel lain, sedangkan variabel terikat adalah variabel yang tegantung dari atau terpengaruhi oleh variabel lain.Variabel bebas dalam penelitian ini adalah : kecepatan aliran air, sedangkan variable terikat yang akan diteliti adalah kecepatan rotasi turbin, efisiensi turbin dan tip speed ratio dari turbin.

3.4. Tahapan Penelitian Tahapan penelitian seperti pada diagram alir

berikut:

Gambar 4.2. Flow Chart Penelitian

Secara rinci proses pelaksanaan penelitian yang ditempuh adalah sebagai berikut:

1. Studi literatur.Pengumpulan data, studi pustaka dan landasan teori. Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data dan studi pustaka juga melakukan studi dari berbagai literatur tentang teori-teori yang relevan sehingga dapat dijadikan acuan

2. Analisis data teknis pembuatan alat dan bahan penelitian.Setelah data-data yang terkait dengan penelitian ini terkumpul, tahap selanjutnya adalah melakukan analisis data teknis pembuatan alat dan menginventarisasi kebutuhan bahan untuk penelitian ini. Termasuk dalam proses ini adalah pengecekan kapasitas saluran pengujian yang digunakan.

3. Perancangan dan pembuatan turbinDari hasil analisis data teknis pembuatan turbin dilanjutkan dengan menginventarisasi kebutuhan bahan penelitian, langkah selanjutnya adalah perancangan dan pembuatan turbin. Pada tahap ini turbin dibuat disesuaikan dengan rancangan yang ada dan disesuaikan dengan fasilitas pengujian laboratorium.

4. Pengujian turbinProses pengujian kinerja turbin pada model saluran di Laboratorium Hidraulik. Pengujian yang dilakukan melingkupi pengujian performa putaran turbin pada berbagai variasi kecepatan aliran dan pengujian torsi untuk memperoleh daya keluaran turbin.

5. Pengambilan dataPada pengujian turbin diperoleh data putaran turbin (RPM), torsi (N.m) pada berbagai variasi kecepatan aliran.

6. Analisis Hasil

Data hasil pengujian turbin selanjutnya dianalisis untuk melihat performa dan karakteristik turbin Achard dengan menggunakan analisis-analisis sebagai berikut:a. Analisis Grafik Laju Aliran terhadap

Putaran Turbinb. Menghitung torsi turbin dengan

menggunakan persamaan :τ=mg x R dengan: = torsi turbin (N.m)m = pembacaan pada skala timbangan pegas (kg)g = percepatan gravitasi bumi (9,8 m/s2)r = jari-jari benang beban ke pusat poros turbin (m)

c. Menghitung daya mekanik turbin dengan menggunakan persamaan :Pt=τω Dengan:Pt = daya mekanik turbin (watt) = torsi turbin (N.m) = putaran turbin (rad/s)

d. Analisis Grafik Laju Aliran terhadap Daya Mekanik Turbin

e. Analisis Grafik Putaran Turbin terhadap Daya Mekanik Turbin

f. Pengaruh Laju Airan Air terhadap Putaran Turbin, Laju Aliran terhadap Daya Mekanik Turbin, Putaran Turbin terhadap Daya Mekanik Turbin.

g. Menentukan titik operasi Turbin Achardh. Menghitung Efisiensi Turbin Achard

Daya teoritis :Pf = ½ A v3 (watt)dimana:Pf = daya yang tersimpan dalam aliran fluida (watt) = massa jenis fluida (kg/m3)A = luas penampang saluran (m2)v = kecepatan arus air (m/s)Efisiensi Turbin dihitung dengan menggunakan persamaan :

= Poutput

Pf

X 100 %

i. Menentukan Tip Speed Ratio Turbin AchardTip Speed Ratio () menggunakan persamaan :

¿ uvw

, dengan u kecepatan tangensial

turbin dan vw kecepatan aliran fluida.j. Menentukan kecepatan spesifik turbin

dengan menggunakan persamaan:

N s=NP

12

( v2

2 g)

54

dengan:Ns = kecepatan spesifik turbin (rpm)

N = putaran turbin (rpm)P = daya turbin pada efisiensi maksimum (watt)v = kecepatan aliran fluida (m/s0g = percepatan gravitasi bumi (9,8 m/s2)

7. Pembahasan dan KesimpulanBerdasarkan hasil analisis data, selanjutnya dibahas berdasarkan perbandingan dengan kerangka teoritis yang diacu serta beberapa penelitian yang relevan. Selanjutnya ditarik kesimpulan berdasarkan kerangka tujuan penelitian yang dilakukan.

3.5. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan di Laboratorium

Hidrologi dan Hidraulika, Pusat Studi Ilmu Teknik, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta pada November s/d Desember 2009.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Performa Putaran Turbin

Hasil pengujian performa putaran turbin tanpa beban untuk berbagai variasi kecepatan aliran, diperoleh korelasi antara putaran turbin dengan kecepatan aliran seperti pada gambar (5.1).

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

50

100

150

200

250

f(x) = 401.074202214765 x − 35.8470468022934R² = 0.99364921518575

RPM vs Vf

Kecepatan Aliran, v (m/s)

Puta

ran

Turb

in, N

(RPM

)

Gambar 4.1. Hubungan Performa Putaran Turbin dan Kecepatan Aliran untuk berbagai variasi kemiringan (slope) saluran.

Berdasarkan hubungan putaran untuk variasi kemiringan (gambar 4.1), diperoleh gambaran bahwa putaran turbin cenderung tetap pada berbagai variasi kemiringan (slope) saluran. Dari hasil regresi untuk berbagai kemiringan saluran diperoleh hubungan linear antara putaran turbin dan kecepatan aliran dengan koefisien determinasi 0,993 serta koefisien korelasi 0,996. Berdasarkan hasil regresi tersebut ditunjukkan persamaan yang mengeksperisikan hubungan antara puataran turbin dan kecepatan aliran:

N=401 v−35,84 .........................(4.1)dengan;

N = putaran turbin (RPM)

v = kecepatan aliran (m/s)

Dari persamaan (5.1), ditunjukkan bahwa pada kecepatan aliran 0 (nol) maka putaran turbin menjadi bernilai negatif sehingga nilai putaran (N) diberi batasan N 0. Berdasarkan persamaan tersebut dapat diperoleh nilai pendekatan untuk kecepatan aliran dimana turbin dapat dimungkinkan untuk berputar yaitu pada rentang nilai kecepatan aliran v > 0,9 m/s. Nilai ini dikenal dengan cut in speed dimana dalam proses pengujian, turbin mulai berputar pada kecepatan aliran 0,28 m/s.

4.2. Torsi Turbin, Analisis Daya, Efisiensi dan Tip Speed Ratio (TSR)

Hasil pengujian torsi dengan menggunakan metode pembebanan mekanik, diperoleh hubungan antara torsi yang dihasilkan turbin dengan tip speed ratio pada berbagai kecepatan aliran seperti pada gambar (4.2).

0 1 2 3 4 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8v = 0,667Logarithmic (v = 0,667)v = 0,625Polynomial (v = 0,625)v = 0,583Polynomial (v = 0,583)Tip Speed Ratio (TSR)

Tors

i (N

.m)

Gambar 4.2. Hubungan antara torsi yang dihasilkan turbin dan TSR pada berbagai variasi kecepatan aliran.

Gambar (4.2) yang menggambarkan hubungan antara TSR dengan torsi yang dihasilkan turbin. Torsi turbin meningkat seiring dengan penurunan TSR untuk tiap kecepatan aliran. Informasi ini akan menjadi landasan awal dalam melihat rentang nilai TSR turbin sebagai perbandingan antara kecepatan linear turbin dan kecepatan aliran dimana turbin akan bekerja secara optimal. Variasi kecepatan aliran menunjukan peningkatan torsi yang dihasilkan oleh turbin, dimana torsi maksimum dihasilkan pada kecepatan aliran 0,667 m/s.

Selanjutnya, berdasarkan data torsi yang diperoleh dapat dianalisis daya keluaran turbin dengan menggunakan persamaan (2.16). Pada berbagai kecepatan aliran dengan data putaran dan torsi diperoleh karakteristik daya keluaran hubungannya denga tip speed ratio seperti pada gambar (4.3)

0 1 2 3 4 50

0.5

1

1.5

2

2.5V = 0,667Polynomial (V = 0,667)V = 0,625Polynomial (V = 0,625)v = 0,583Polynomial (v = 0,583)v = 0,5417

Tip Speed Ratio (TSR)

Daya

Kel

uara

n Tu

rbin

(watt

)

Gambar 4.3. Hubungan antara daya yang dihasilkan turbin dan TSR pada berbagai variasi kecepatan aliran.

Berdasarkan gambar(4.3), tampak bahwa kecepatan aliran yang semakin besar menghasilkan daya keluaran turbin yang semakin besar. Sebagaimana dijelaskan bahwa daya turbin yang dihasilkan sebanding dengan fungsi pangkat 3 (tiga) dari kecepatan aliran (Pt v3). Titik kerja turbin dapat menghasilkan daya yang optimal tampak dari gambar berada pada rentang TSR 2-4.

Korelasi antara koefisien daya/efisiensi dengan tip speed ratio ditunjukkan pada gambar (4.4).

0 1 2 3 4 5 60

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

0.450.5

f(x) = − 0.0160581 x³ + 0.0415544 x² + 0.161989 x − 0.00029722R² = 0.843425667859884

Cp vs TSRPolynomial (Cp vs TSR)

Tip Speed Ratio, TSR ()

Koefi

sien

Daya

()

Gambar 4.4. Hubungan antara koefisien daya (Cp) turbin dan TSR pada berbagai variasi kecepatan aliran.

Berdasarkan gambar (4.4), diperoleh gambaran koefisien daya maksimum dicapai pada rentang nilai TSR 2-4. Pada nilai cut in speed, efisiensi turbin = 0 (nol), nilai koefisien daya semakin meningkat pada tingkatan kecepatan aliran yang semakin besar. Besaran koefisien daya pada kecepatan aliran yang makin besar, tentunya dikuti dengan performa putaran turbin yang makin besar pula sesuai dengan persamaan empiris (4.1). Berdasarkan ke tiga gambar (4.2, 4.3, dan 4.4) diberikan gambaran bahwa torsi yang besar dihasilkan turbin pada kecepatan aliran yang besar yang menyebabkan putaran turbin

tinggi. Dari torsi yang dihasilkan serta besaran putaran yang dihasilkan menyebabkan daya turbin juga semakin besar dan mencapai titik operasi maksimum. Kondisi kinerja turbin optimal, dimana daya keluaran tubin yang dihasilkan terbesar serta efisiensi tertinggi berdasarkan hasil pengukuran yaitu pada kecepatan aliran 0,667 m/s, putaran turbin 150,9 rpm, torsi yang dihasilkan 0,413 N.m, efisiensi 0,45 dan TSR 3,18. Berdasarkan hasil regresi pada gambar (4.4) diperoleh koefisien determinasi (r2) 0,8434 dan koefisien korelasi (r) 0,918 serta fungsi yang merepresentasikan hubungan antara koefisien daya () dan tip speed ratio () yaitu:

η=−0,0202 χ3+0,0762 χ2+0,0896 χ−0,0007 .(4.2)dengan;

= efisiensi = tip speed ratio (TSR)

4.3. Analisis Kecepatan Spesifik Turbin (Ns)Sesuai dengan definisi kecepatan spesifik dimana

kecepatan spesifik adalah kecepatan putar turbin yang sejenis secara geometris untuk menghasilkan satu satuan daya dengan satu satuan head pada efisiensi maksimum. Dari data pengukuran dan analisis, kondisi efisiensi dan daya maksimum dapat diperoleh dari gambar (4.4), serta persamaan (4.2).

Nilai maksimum fungsi pada persamaan (4.2) diperoleh dengan mendiferensialkan persamaan tersebut untuk mendapatkan nilai-nilai ekstrim, dimana diperoleh dua fungsi yaitu turunan pertama dan turunan ke dua :

= -0,06062 + 0,1524 + 0,0896.................(4.3)’ = -0,1212 + 0,1524...................................(4.4)

Untuk mendapatakan nilai – nilai ekstrim persamaan (4.3), maka = 0, sehingga persamaan tersebut dapat dituliskan;

0 = -0,06062 + 0,1524 + 0,0896...................(4.5)selanjutnya diperoleh akar – akar persamaan (4.5) yaitu:1 = 3,007 dan 2 = -0,492 yang kemudian disubtitusi ke persamaan (4.4) untuk memperoleh nilai ekstrim maksimum atau minimum. Nilai ekstrim maksimum jika ”() < 0 dan minimum jika ”() > 0.

Untuk 1 = 3,007; ” = -0,212 (ekstrim maksimum)Untuk 2 = -0,492; ” = 0,212 (ekstrim minimum)

Nilai ekstrim maksimum (1) diambil sebagai nilai TSR maksimum kemudian disubtitusi ke persamaan (4.2) diperoleh nilai koefisien daya 0,409. Selanjutnya dengan koefisien daya 0,409 maka daya turbin yang dihasilkan adalah 5,98 watt. Sesuai dengan nilai TSR, diperoleh kecepatan linear turbin pada kecepatan aliran 0,67 m/s sebesar 2,01 m/s, putaran turbin 142,58 RPM. Berdasarkan persamaan (22) diperoleh nilai kecepatan spesifik turbin (Ns) 52,45 (rpm,HP,m). Sesuai dengan klasifikasi turbin berdasarkan kecepatan spesifik, maka turbin Achard dapat diklasifikasikan sebagai turbin Cross Flow (Ns = 20 – 80; rpm,HP,m).

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian turbin, analisis data

dan pembahasan dapat disimpulkan antara lain sebagai berikut:

1. Turbin Achad dapat diaplikasikan sebagai turbin arus aliran.

2. Putaran Turbin Achard tanpa beban : 232 rpm pada kecepatan aliran 0,67 m/s. Cut In Speed 0,21 m/s.

3. Pada kondisi optimum diperoleh hubungan antara koefisien daya turbin, dengan tip speed ratio, (TSR):

¿−0,0202❑3+0,0762❑2+0,0896−0,0007 dengan koefisien determinasi (r2) 0,8434 serta

koefisien korelasi (r) 0,918.4. Kecepatan spesifik turbin (Ns) 52,45 (rpm, Hp,

m), sehingga turbin Achard dapat digolongkan sebagai turbin Cross Flow (Ns = 20-80 ; rpm, Hp, m).

5.2. SaranBerdasarkan pengalaman dalam proses

pembuatan dan pengujian kinerja turbin Achard serta analisis dimensi, maka disarankan:

1. Perlu diuji turbin Achard dengan profil NACA yang lain agar diperoleh optimasi profil NACA yang paling bagus diaplikasikan dalam desain turbin Achard.

2. Perlu dilakukan pengujian skala lapangan untuk melihat efisiensi elektrikal, karena dalam skala model yang dapat teruji hanya efisiensi mekanikal.

3. Perlu dicari optimasi perbandingan diameter dan tinggi turbin agar dapat diperoleh efisiensi yang optimal.

4. Perlu dilakukan optimasi luasan blade (solidity) turbin Achard dimana turbin dapat bekerja dengan efisiensi maksimum.

UCAPAN TERIMA KASIHPenulis menyampaikan terima kasih yang mendalam kepada :

1. Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph.D atas dukungannya dengan mendanai riset ini.

2. Dr.-Ing. Ir. Kusnanto atas koreksi dan masukannya dalam penyempurnaan penulisan naskah.

3. Ir. Zulkifflih Saleh atas bantuan dan kebersamaanya dalam penyiapan dan pelaksanaan riset serta penyusunan naskah.

4. Alvie Puspitaningrom, ST atas motivasi dan dukungannya dalam proses pelaksanaan riset dan penyusunan naskah.

DAFTAR PUSTAKA

Antheaume, S., Maître,T., and Achard, J. L, 2007. Hydraulic Darrieus Turbines Efficiency For Free Fluid Flow Conditions Versus Power Farms Conditions. Renewable Energy 33 (2008) 2186–2198.

Betz, A. 1919. Das Maximum der Theoretisch Moglichen Ausnutzung des Windes durc Windmotoren. Zeitscrift fitr das gas ante Turbinenwensen

Gorlov, A.M. 1998. Development of The Helical Reaction Hydraulic Turbine (Final Techincal Report). MIME Departement, Northearsten University, Boston, USA.

Grabbe, M. 2008. Marine Current Energy Conversion. Thesis, Division of Electricity, Departement of Engineering Sciences, Uppsala Universitet. Uppsala.

Hansen, M. O. L., 2008. Aerodynamics of Wind Turbine 2nd Edition. Earthscan in the UK, London.

Hau, E. 2005. Wind Turbine (Fundamental, Technology, Applications, Economics) 2nd Edition. Springer – Verlag Berlin Heidelberg

Munson, B.R, Young, D.F, dan Okishi, T.H, 2005. Mekanika Fluida Jilid II Edisi 4. Erlangga, Jakarta.

Shiono,M., Suzuki,K., and Kiho,S.,2002. Output Characteristic of Darrius Water Turbine with Helical Blades for Tidal Current Generation. Proceedings of the Twelfth (2002) International Offshore and Polar Engineers Conference, pp 859-864

Triatmojo, B. 2008. Hidraulika I & II, BETA OFFSET, Yogyakarta

Zanette, J., Imbault, D., and Tourabi, A., 2007. Fluid-Structure Interaction and Design of Water Current Turbines. 2ndIAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems Timisoara, Romania.