studi eksperimental pengaruh depth to width...

19
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 1413025 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016

Upload: dinhdung

Post on 22-Jul-2019

244 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

i

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 1413025

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2016

i

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 1413025

Telah dipertahankan dihadapan dosen penguji pada hari …….. , tanggal ….,

1. Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. ……………………….

NIP. 197106151998021002

2. D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. ……………………….

NIP. 196905141999031001

Mengetahui,

Dosen Pembimbing I

Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T.

NIP. 197106151998021002

Dosen Pembimbing II

D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 196905141999031001

Kepada Progdi Teknik Mesin

Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T.

NIP. 197106151998021002

Koordinator Tugas Akhir

DR. Nurul Muhayat, S.T., M.T.

NIP. 197003231998021001

ii

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)

iii

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.

iv

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

Email: [email protected]

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 0.29. 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 0.29. The using volt is 8.62 [volt], power output 3.447 [watt] and coefisien

power 2.73x10-2.

Key Word: Turbine, Depth to Width Ratio, Water Turbine, Pico Hydro

v

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

Email : [email protected]

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

vi

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.

vii

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

viii

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! Bookmark not defined.

1.1. Latar Belakang Masalah .......................... Error! Bookmark not defined.

1.2. Perumusan Masalah ................................. Error! Bookmark not defined.

1.3. Batasan masalah ....................................... Error! Bookmark not defined.

1.4. Tujuan Penelitian ..................................... Error! Bookmark not defined.

1.5. Manfaat Penelitian ................................... Error! Bookmark not defined.

1.6. Sistematika Penulisan .............................. Error! Bookmark not defined.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................... Error! Bookmark not defined.

2.1. Tinjauan Pustaka ...................................... Error! Bookmark not defined.

2.2. Dasar Teori............................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.2. Turbin ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.3. Jenis-Jenis Turbin Air ...................... Error! Bookmark not defined.

2.2.4. Pemilihan Turbin Air ....................... Error! Bookmark not defined.

2.2.5. Aerodinamika Turbin ....................... Error! Bookmark not defined.

2.2.6. Tip speed ratio (TSR) ...................... Error! Bookmark not defined.

2.2.7. Coefficient of Power (Cp) ................ Error! Bookmark not defined.

2.2.8. Non-dimensioned rpm ...................... Error! Bookmark not defined.

ix

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............. Error! Bookmark not defined.

3.1. Alat dan Bahan ......................................... Error! Bookmark not defined.

3.2. Desain Alat uji ......................................... Error! Bookmark not defined.

3.3. Apparatus Test ......................................... Error! Bookmark not defined.

3.5. Pra-Study ................................................. Error! Bookmark not defined.

3.6. Tujuan Penelitian ..................................... Error! Bookmark not defined.

3.7. Pelaksanaan Penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.

3.8. Diagram Alir Penelitian ........................... Error! Bookmark not defined.

BAB IV ANALISA DATA ................................... Error! Bookmark not defined.

4.1. Study Simulasi Countur Tekanan dan Kecepatan variasi Depth to Width

Ratio Sudu Turbin .................................... Error! Bookmark not defined.

4.2. Debit Aliran yang Bekerja pada Variasi Kelengkungan Turbin ...... Error!

Bookmark not defined.

4.3. Kecepatan Fluida dan Daya aliran Fluida Error! Bookmark not defined.

4.4. Tip Speed Ratio (TSR) .............................. Error! Bookmark not defined.

4.5. Daya yang Bekerja Pada Rotor Turbin .... Error! Bookmark not defined.

BAB V PENUTUP ................................................ Error! Bookmark not defined.

5.1. Kesimpulan .............................................. Error! Bookmark not defined.

5.2. Saran ........................................................ Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ............................................ Error! Bookmark not defined.

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Hubungan laju aliran terhadap power yang dihasilkan. ............ Error!

Bookmark not defined.

Gambar 2. 2 Parameter Desain............................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 3 Skema turbine hydro electric jenis Pelton (Dixon and Hall 2013)

................................................................................ Error! Bookmark not defined.

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! Bookmark not defined.

Gambar 2. 6 Turbin Turgo ..................................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 7 Turbin Francis................................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 8 Turbin Kaplan Propeler .................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 9 Turbin Pelton ..................................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 10 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan Head dan laju

aliran volume. (Dixon and Hall 2013) .......... Error! Bookmark not

defined.

Gambar 2. 11 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen, et al. 2013) ........ Error!

Bookmark not defined.

Gambar 2. 12 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan Savonius

wind turbine (Sarma, et al. 2014) ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 13 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan sudu

(Ahmed, et al. 2013) ....................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 1 a.) Menentukan sudut busur,b.) Menentukan kelengkungan profil

sudu................................................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 2 Kedalaman dan lebar sudu turbin. ..... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 3 Rotor variasi depth to width ratio. .... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.4 Aparatus test ....................................... Error! Bookmark not defined.

xi

xi

Gambar 3. 5 Simulasi countur tekanan variasi depth to width ratio. ............. Error!

Bookmark not defined.

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! Bookmark not defined.

Gambar 4. 2 Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio. ........ Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 3 Grafik perbandingan torsi pada variasi depth to width ratio. .... Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 4 Ilustrasi Aliran Fluida Masuk ............ Error! Bookmark not defined.

xi

Gambar 4. 5 Grafik debit aliran terhadap variasi depth to width ratio. ......... Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 6 Turbin variasi depth to width ratio 0,29. ......... Error! Bookmark not

defined.

Gambar 4. 7 Luas penampang blocking system..... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 8 Grafik kecepatan aliran fluida (m/s) pada variasi depth to with ratio.

.......................................................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 9 Grafik daya aliran fluida (Watt) pada variasi depth to with ratio.

................................................................................ Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 10 Grafik perbandingan Tip Speed Ratio (TSR) pada variasi depth to

width ratio. ........................................ Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 11 countur tekanan terhadap variasi depth to width ratio. ........... Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 12 Simulasi kecepatan terhadap variasi depth to width ratio. ...... Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 13 Grafik power output terhadap variasi depth to width ratio. .... Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 14 Grafik coefisien power terhadap variasi depth to width ratio. Error!

Bookmark not defined.

Gambar 4. 15 Grafik tegangan terhadap variasi depth to width ratio. ........... Error!

Bookmark not defined.

xii

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! Bookmark not defined.

Tabel 4. 3 Kecepatan putar rotor turbin ................. Error! Bookmark not defined.

xiii

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2. 1) Tip Speed Ratio .......................... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (2. 2) Coefisien Power ......................... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (2. 3) Turbin ......................................... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (2. 4) Daya Listrik ................................ Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 1) Debit ........................................... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 2) Kecepatan Aliran Fluida (U) ...... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 3) Daya Fluida (Pi) ......................... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 4) Tip Speed Ratio (TSR) ............... Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 5) Daya Listrik (Po) ........................ Error! Bookmark not defined.

Persamaan (4. 6) Coefisien Daya (Cp) ................... Error! Bookmark not defined.

xiv

DAFTAR NOTASI

Nomenclature

𝐴p = Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa [m2]

𝐷 = Diameter rotor [m]

g = Percepatan gravitasi [m/s2]

𝐻f = Head fluida [m]

𝑖 = Electrical current [Ampere]

𝑃i = Daya input [Watt]

𝑃o = Daya output [Watt]

𝑄f = Aliran fluida masuk [m3]

𝑄of = Debit Over flow [m3/s]

𝑄pump = Debit pada pompa [m3/s]

𝑡 = Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume 2 liter [s]

𝑈 = Kecepatan fluida masuk [m/s]

𝑈of = Kecepatan aliran pada Overflow [m/s]

𝑣 = Voltage [Volt]

Parameter tanpa dimensi

𝐶𝑝 = Koefisien daya

𝑇𝑆𝑅 = Tip Speed Ratio

Greek Symbol

𝜓 = Blade arc angle [°]

𝜔 = Kecepatan sudut [rad/s]

𝜌 = Massa jenis air [kg/m3]

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Hasil Percobaan ....................... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan ........... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa .. Error!

Bookmark not defined.

Lampiran 4 Simulasi Kecepatan Turbin Variasi Depth to Width Ratio ...... Error!

Bookmark not defined.

Lampiran 5 Simulasi Countur Tekanan Variasi Depth to Width Ratio ....... Error!

Bookmark not defined.

Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units)Error! Bookmark not

defined.

xvi

xvi

1