unjuk kerja kincir air savonius 2 tingkat poros...

UNJUK KERJA KINCIR AIR SAVONIUS 2 TINGKAT POROS

HORIZONTAL DENGAN VARIASI RASIO OVERLAP

Skripsi

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh :

STEVANUS BIMANTARA

NIM : 155214122

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2019

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

PERFORMANCE OF HORIZONTAL AXIS SAVONIUS WATER

TURBINE 2 STAGE WITH OVERLAP VARIATIONS

Thesis

Presented as Partitilal Fulfilment of the Requirement

As to Obtain the Degree of Sarjana Teknik

Mechanical Engineering Study Program

Written by :

STEVANUS BIMANTARA

Student ID : 155214122

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2019


ix

INTISARI

Energi listrik yang terdapat di Indonesia ini dominan menggunakan

sumber energi dengan bahan baku fosil. Sumber energi yang berasal dari fosil ini

merupakan energi tidak terbarukan (non renewable energy) dalam artian energi ini

akan habis jika dipakai terus menerus dan tidak diciptakannya energi terbarukan.

Untuk mengatasi masalah energi maka digunakan energi terbarukan (renewable

energy) sebagai alternatif energi yang tidak akan habis. Salah satu energi

terbarukan yang bisa digunakan adalah energi yang terdapat pada air. Untuk

memanfaatkan energi yang terdapat pada air maka digunakanlah alat yang

bernama kincir air. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kinerja kincir air

Savonius 2 tingkat poros horisontal, dan untuk mengetahui pengaruh dari rasio

overlap terhadap kincir air Savonius.

Kincir air yang digunakan berjenis Savonius dengan 2 tingkat poros

horizontal. Dengan tinggi Rotor (H) 0,1 m, diameter rotor (D) 0,081 m, diameter

luar (Df) 0,089 m, diameter sudu 0,045 m, aspect ratio (α) 1,23, dengan variasi

ratio overlap 0.2, 0.25, 0.3. Kecepatan aliran yang digunakan adalah 0,9 m/s, 1

m/s, dan 1,1 m/s di dalam saluran air buatan. Penelitian ini bertujuan untuk

mencari koefisien torsi (Cm), koefisien daya (Cp), tip speed ratio (TSR) (λ) , dan

daya yang dihasilkan (P), serta pengaruh variasi ratio overlap pada rotor

Savonius.

Hasil dari penelitian unjuk kerja kincir air Savonius 2 tingkat poros

horizontal adalah efisiensi terbesar terdapat pada ratio overlap 0,25. Koefisien

daya tertinggi sebesar 0,197 (19%) dengan tip speed ratio (TSR) 0,654 pada

kecepatan aliran 0,9 m/s. hasil tertinggi untuk koefisien torsi (Cm) sebesar 0,376

(0,37 %) dengan tip speed ratio (TSR) 0,471 pada kecepatan aliran 0,9 m/s. Hasil

daya (P) tertinggi sebesar 0,733 watt dengan 140 rpm pada kecepatan aliran 1,1

m/s.

Kata kunci :

energi terbarukan ; kincir air Savonius ; rasio overlap


x

ABSTRACK

Electrical energi in Indonesia using energy sources with fossil raw

materials. Energy sources derived from these fossils are non-renewable energy in

the sense that this energy will be used up if used continuously and will run out. To

overcome the energy problem, renewable energy is used as an alternative energy

that will not run out. One of the renewable energy that can be used is energy

contained in water. To utilize the energy contained in water, a tool called a water

turbine is used. This study aims to determine the performance of water turbine .

The water turbine used is Savonius type with horizontal shaft and 2 stages.

With rotor height (H) 0.1 m, rotor diameter (D) 0.081 m, outer diameter (Df)

0,089 m, blade diameter 0,045 m, aspect ratio (α) 1.23, with variations overlap

ratio 0.2, 0.25, 0.3. Using flow rates of 0.9 m/s, 1 m/s, and 1.1 m/s in artificial

drains. This study aims to find the torque coefficient (Cm), power coeficient (Cp),

tip speed ratio (TSR)(λ), and the resulting power (P), as well as the influence of

the variation overlap ratio in the Savonius rotor.

The results of the study are the greatest efficiency found in the overlap

ratio of 0.25. The highest power coefficient is 0.197 (19%) with tip speed ratio

(TSR) 0.654 at a flow speed of 0.9 m/s. The highest yield for the torque

coefficient (Cm) is 0.376 (37%) with tip speed ratio (TSR) 0.471 at a flow speed

of 0.9 m/s. The highest power (P) results at 0.733 watts with 140 rpm at a flow

speed of 1.1 m/s.

Keywords :

renawable energi ; Savonius water turbine ; ratio overlap


xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................................... i

TITLE PAGE…………………………………………………………………………………………………………………ii

HALAMAN PENGESAHAN DOSEN PEMBIMBING ................................................... iii

HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................................iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ................................................................. v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI..............................................vi

KATA PENGANTAR ....................................................................................................... vii

INTISARI ........................................................................................................................... ix

ABSTRACK ......................................................................................................................... x

DAFTAR ISI ....................................................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ xiii

DAFTAR TABEL .............................................................................................................. xv

BAB I .................................................................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................... 2

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................................ 2

1.4 Manfaat Penelitian .............................................................................................. 3

1.5 Batasan Masalah ................................................................................................. 3

BAB II ................................................................................................................................. 5

2.1 DASAR TEORI .................................................................................................. 5

2.1.1. AIR .............................................................................................................. 5

2.1.2. Energi Air .................................................................................................... 5

2.1.3. Teori Kontinuitas Aliran ............................................................................. 7

2.1.4. Kincir Air .................................................................................................... 7

2.1.5. Grafik Hubungan Cp dan TSR .................................................................... 9

2.1.6. Kincir Air Tipe Savonius .......................................................................... 10

2.1.7. Ratio Overlap Kincir Air Savonius ........................................................... 13

2.1.8. Aliran Air Tertutup ................................................................................... 15

2.2 TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................... 18


xii

BAB III ............................................................................................................................. 20

3.1. Penelitian........................................................................................................... 20

3.2. Diagram Alir penelitian .................................................................................... 22

3.3. ALAT DAN BAHAN ....................................................................................... 23

3.3.1 Skema set up alat eksperimen ................................................................... 23

3.3.2 Spesifikasi dan bagian-bagian utama alat ................................................. 25

3.4. Alat-alat pendukung Penelitian ......................................................................... 31

3.5. Langkah-langkah pengambilan Data................................................................. 32

3.6. Analisis Data ..................................................................................................... 33

BAB IV ............................................................................................................................. 34

4.1 Data Hasil Penelitian ......................................................................................... 34

4.2 Grafik Hasil Pengolahan Data ........................................................................... 35

4.2.1 Grafik hubungan antara Kecepatan Putaran Poros dengan Torsi .............. 36

4.2.2 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros ............... 38

4.2.3 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio.................. 40

4.2.4 Grafik Hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio ................. 42

4.3 Pembahasan Hasil Pengolahan Data ................................................................. 43

4.4 Perbandingan Hasil Penelitian .......................................................................... 44

BAB V .............................................................................................................................. 46

6.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 46

6.2 Saran ................................................................................................................. 48

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................... 49

LAMPIRAN ...................................................................................................................... 50


xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011) ................................ 9

Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011) .... Error! Bookmark

not defined.

Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U.......... 10

Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U.......... 10

Gambar 2. 3 Dimensi Kincir Savonius (Sumber. Omar, 2013, hal 201) .............. 11

Gambar 2. 3 Dimensi Kincir Savonius (Sumber. Omar, 2013, hal 201) .............. 11

Gambar 2. 4 Penerapan rasio overlap ................................................................... 14

Gambar 2. 4 Penerapan rasio overlap ................................................................... 14

Gambar 2. 5 Saluran air persegi tertutup sama sisi ............................................... 17

Gambar 3. 1 Ratio Overlap………………………………………………… ……21

Gambar 3. 2 Diagram Alir Penelitian ................................................................... 22

Gambar 4. 2 Grafik hubungan antara Kecepatan Putar Poros dan Torsi pada

kecepatan aliran 0,9 M/S……..…………………………………………………..36


kecepatan aliran 1 M/S .......................................................................................... 36


kecepatan aliran 1,1 M/S ....................................................................................... 37

Gambar 4. 5 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros pada






Gambar 4. 8 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio pada





kecepatan aliran 1,1 M/S ...................................................................................... 41


xiv

Gambar 4. 11 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio pada



kecepatan aliran 1 M/S ......................................................................................... 42




xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1 Pengambilan data Rasio Overlap 0,2 ................................................... 34

Tabel 4. 2 Pengambilan data Rasio overlap 0,25 .................................................. 34

Tabel 4. 3 Pengambilan data rasio overlap 0,3 ..................................................... 35

Tabel 4. 4 Dimensi kincir air Savonius ................................................................. 44

Tabel 4. 5 Data dari Refrensi 1 ............................................................................. 44

Tabel 4. 6 Data dari Refrensi 2 ............................................................................. 44

Tabel 4. 7 Data dari penelitian .............................................................................. 45


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada zaman modern seperti saat ini penggunaan listrik menjadi kebutuhan

yang sangat penting bagi seluruh dunia terutama di Indonesia. Energi listrik yang

dibutuhkan manusia terutama di Indonesia tahun ke tahun terus meningkat dan

akan terus meningkat. Peningkatan ini disebabkan karena bertambahnya akses

listrik atau elektrifikasi serta perubahan gaya hidup masyarakat. Saat ini di

Indonesia sebagian besar energi listrik dihasilkan masih menggunakan energi fosil

seperti batubara sebagai bahan bakunya. Bertambahnya konsumsi listrik yang

terjadi saat ini tidak dibarengi dengan pertambahan jumlah energi fosil sebagai

bahan bakar utama pembangkit listrik. Karena energi fosil merupakan non

renewable energy yang artinya suatu saat pasti akan habis karena dipakai terus

menerus. Cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia saat ini masih bisa untuk

memenuhi kebutuhan-kebutuhan energi setiap harinya. Untuk menghindari

masalah akan habisnya energi fosil yang dimiliki oleh Indonesia maka diperlukan

alternatif energi Terbarukan (renewable energy).

Negara Indonesia memiliki banyak potensi yang sangat besar untuk

menciptakan energi Terbarukan. Salah satu energi Terbarukan yang dapat

digunakan adalah dengan menggunakan energi Air. Saya sebagai mahasiswa yang

mempunyai misi untuk mengembangkan energi terbarukan dan konversi energi,

mempunyai pemikiran untuk membuat alat pembangkit listrik menggunakan

energi Air atau bisa disebut sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro


2

(PLTMH). PLTMH merupakan pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan

energi air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran irigasi, sungai, air terjun

dengan memanfaatkan tinggi terjunannya (head) dan jumlah debit air. Mikrohidro

merupakan suatu istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro

yang berarti air. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu

air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Turbin air atau banyak sekali

kita menyebutnya Kincir air. Kincir Air Savonius merupakan salah satunya, kincir

ini dapat menggubah energi air menjadi energi listrik. Kincir air Savonius dapat

menghasilkan torsi yang besar dalam keadaan aliran air yang rendah.

1.2 Rumusan Masalah

Permasalahan yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah :

1. Bagaimana pengaruh variasi Rasio Overlap pada kincir air Savonius 2

tingkat poros horizontal terhadap Cp ( Coeffisient Power)?


tingkat poros horizontal terhadap Cm ( Coeffisient Torque)?


tingkat poros horizontal terhadap TSR ( Tip Speed Ratio)?


tingkat poros horizontal terhadap η Kincir ( Effisiensi Kincir)?

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah:

1. Membuat model kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.


3

2. Mengetahui efek rasio overlap terhadap koefisien daya (Cp) maksimal

yang dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.

3. Mengetahui efek rasio overlap terhadap Koefisien Torsi (Cm) yang

dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.

4. Mengetahui efek rasio overlap terhadap Tip Speed Ratio (TSR) yang

dihasilkan oleh kincir air Savonius horizontal 2 tingkat.

5. Mengetahui efek rasio overlap terhadap efisiensi maksimal yang

dihasilkan oleh kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Menjadikan sumber informasi mengenai kinerja kincir air Savonius 2

tingkat poros horizontal.

2. Mengetahui potensi koefisien daya (Cp) yang dihasilkan kincir air

Savonius 2 tingkat poros horizontal.

3. Menjadikan referensi bagi masyarakat di daerah dimana potensi airnya

melimpah untuk memberdayakan energi terbarukan.

4. Menambah literatur mengenai kincir air Savonius yang dapat digunakan

untuk pembangkit listrik dan bagi perkembangan tekhnologi terbarukan.

1.5 Batasan Masalah

1. Penelitian dilakukan dengan mengoperasikan model kincir air di dalam

lorong air persegi dengan ukuran lorong 20x20 cm.

2. Kincir air yang digunakan kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal

dengan variasi Ratio Overlap 0,2, 0,25, dan 0,3.


4

3. Material yang digunakan tidak membahas masalah korosi dan kekerasan

material.

4. Kecepatan aliran air tergantung pada kondisi sungai di lapangan.

5. Pengoperasian kincir air dilakukan pada lorong air tertutup tanpa adanya

pemandu arah aliran.


5

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1 DASAR TEORI

2.1.1. AIR

Air merupakan senyawa kimia yang terdiri dari dua unsur, yaitu unsur H2

(hidrogen) yang berkaitan dengan unsur 𝑂2 (oksigen) yang kemudian

menghasilkan senyawa air 𝐻2𝑂. Air sangat penting bagi kehidupan makhluk

hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan manusia tidak dapat digantikan oleh

senyawa lain. Terdapat 1,4 triliun kilometer kubik (330 juta mil3) tersedia di

bumi. Air dapat berupa air tawar dan air asin (air laut) yang merupakan bagian

terbesar di bumi.

2.1.2. Energi Air

Air merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, mudah didapat dan

tidak akan habis dalam penggunaannya. Air menyimpan energi di dalamnya yaitu

energi potensial (air jatuh) dan energi kinetik (air mengalir). Energi kinetik yang

dimiliki air dapat dikonversi menjadi energi mekanik menggunakan alat. Salah

satu alat itu adalah kincir air.

2.1.2.1 Energi Kinetik

Energi Kinetik merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat

pergerakan benda tersebut. Energi kinetik dipengaruhi oleh massa fluida air dan

kecepatan gerakan air, yang dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :

𝐸𝐾 =1

2𝑚𝑣2…….……………….……………………………………………..(2.1)

Keterangan :


6

EK : Energi Kinetik

m : Massa Fluida

v : Kecepatan Fluida

2.1.2.2 Energi Potensial

Energi Potensial merupakan energi yang dimiliki suatu benda (materi)

karena kedudukan atau keadaan benda tersebut. Energi potensial ada karena

adanya gaya gravitasi bumi. Energi potensial dipengaruhi oleh densitas massa,

percepatan gravitasi bumi, dan ketinggian, dan dapat dituliskan dengan persamaan

sebagai berikut :

EP = ρ g h………………………………………..…………………………...(2.2)

Keterangan :

EP : Energi Potensial

ρ : Massa Jenis Fluida

g : Percepatan Gravitasi

h : Ketinggian

2.1.2.3 Energi Mekanik

Energi Mekanik merupakan energi yang akan muncul saat suatu alat dapat

menangkap energi kinetik atau energi potensial pada suatu aliran fluida. Energi

mekanik memiliki persamaan :

EM = EK + EP……………………………………………………………….(2.3)

Keterangan :

EM : Energi Mekanik

EK : Energi Kinetik


7

EP : Energi Potensial

2.1.3. Teori Kontinuitas Aliran

Debit (Q) adalah volume fluida yang mengalir per satuan waktu. Apabila

suatu fluida ideal bergerak atau mengalir di dalam satuan pipa, maka massa fluida

yang masuk ke dalam pipa sama dengan massa yang keluar pipa. Adapun

persamaan untuk debit adalah sebagai berikut :

Q = 𝑉

𝑡…………………………………………………………………………...(2.4)

Keterangan :

v : Volume

t : Waktu

Dalam persamaan kontinuitas aliran dijelaskan bahwa kecepatan fluida

lebih besar pada penampang yang luasnya lebih kecil atau setidaknya kecepatan

fluida lebih kecil pada penampang yang luasnya lebih besar. Dari pernyataan

tentang persamaan kontinuitas aliran maka didapatkan rumus sebagai berikut :

𝐴1 𝑣1= 𝐴2𝑣2……………………...…………………………………………….(2.5)

Keterangan :

𝐴1 : Luas Penampang input

𝑣1 : Kecepatan aliran fluida input

𝐴2 : Luas penampang output

𝑣2 : Kecepatan aliran fluida output

2.1.4. Kincir Air

Kincir air merupakan sebuah alat yang digerakkan dengan menggunakan

energi air yang menghasilkan energi mekanik langsung dari air yang mengalir di


8

sungai ataupun selokan kecil karena adanya energi potensial dan energi kinetik

pada aliran air. Air yang digunakan adalah air yang mengalir sehingga air dapat

menggerakkan kincir karena air akan menabrak suatu bagian pada sudut-sudut

baling-baling kincir sehingga kemudian membuat kincir tersebut menjadi

berputar. Biasanya kincir akan tersambung langsung dengan generator, generator

ini akan menghasilkan listrik dan tenaga listrik inilah yang akan digunakan oleh

manusia untuk memenuhi kebutuhan hidupnya sehari-hari. Berdasarkan arah

alirannya, kincir air dibedakan menjadi kincir air poros horizontal dan poros

vertikal.

2.1.3.1. Kincir Air Poros Horizontal

Kincir Air Poros Horizontal merupakan kincir air dimana poros utamanya

sejajar dengan permukaan tanah atau sejajar dengan aliran fluida itu sendiri.

Keunggulan kincir air poros horizontal adalah saat dipergunakannya deflektor

atau pengarah aliran, deflektor akan menerima tekanan ke bawah sehingga tidak

perlu adanya penopang karena deflektor sudah menerima tekanan ke bawah.

2.1.3.2. Kincir Air Poros Vertikal

Kincir Air Poros Vertikal merupakan kincir air dimana poros utamanya

tegak lurus dengan aliran fluida. Kincir air poros vertikal memiliki kekurangan

yaitu kebalikan dari kincir poros horizontal, di saat kincir ini diberi deflektor

maka perlu ditambahkan penopang tersendiri untuk menopang deflektor, karena

tekanan yang diterima deflektor tidak ke bawah melainkan ke samping sehingga

berakibat deflektor atau kincir dapat bergeser.


9

2.1.5. Grafik Hubungan Cp dan TSR

Albert Betz merupakan fisikawan asal Jerman yang menyimpulkan bahwa

tidak ada turbin yang dapat mengkonversikan energi kinetik fluida ke dalam

bentuk energi yang menggerakkan rotor (kinetik) lebih dari 59,3%. Diagram Betz

merupakan diagram yang diteliti dengan aliran fluida angin sebagai mediumnya,

akan tetapi pada penelitian ini menggunakan aliran fluida yaitu air sebagai

mediumnya.

Kincir air poros horizontal, terutama kincir air Savonius dapat beroperasi

pada kecepatan air rendah. Dalam kecepatan rendah putaran poros yang dihasilkan

juga akan rendah sehingga TSR juga akan rendah atau kecil nilainya. Daya yang

dihasilkan kincir angin, dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2. 1 Diagram Betz Limit (Ragheb & Ragheb, 2011)


10

2.1.6. Kincir Air Tipe Savonius

Pada mulanya kincir air Savonius merupakan pengembangan dari kincir

angin Savonius yang telah ditemukan oleh Sigurd J. Savonius dari Finlandia

(1922). Dari situlah muncul ide untuk mengembangkan kincir angin Savonius

menjadi kincir air Savonius. Kincir air Savonius masih perlu diteliti agar

menghasilkan efisiensi terbaik. Kincir air Savonius menggunakan sudu dengan

cara memotong silinder Flettner menjadi 2 paruhan sepanjang garis pusat dan

kemudian 2 paruhan dari silinder yang terpotong tadi diposisikan menjadi 1 dan

membentuk seperti huruf S yang diletakkan pada lingkaran batas sudu. Pada pusat

sudu tersebut diberikan poros yang sejajar dengan tinggi dari sudu untuk

mentransmisikan energi yang didapat pada kincir Savonius. Kincir air Savonius

merupakan kincir air yang dapat bekerja atau berputar pada aliran air yang rendah

atau potensi ketinggian yang rendah tanpa harus memakan banyak ruang. Kincir

air Savonius dapat menghasilkan koefisien daya yang lumayan tinggi dengan

kondisi tersebut.

Gambar 2. 2 Rotor Savonius dengan gaya drag celah sudu tertutup tipe U.

(Wenehenubum, Saputra, & Sutanto, 2015)


11

Kincir air Savonius memiliki sudu bagian cekung (concave) dan bagian

cembung (convex) pada bladenya. Untuk sudu bagian yang berbentuk cekung

yang menghadap langsung dengan arah datangnya air akan menangkap tenaga air

untuk memaksa sudu berputar pada porosnya dan untuk bagian cembung yang

terdorong oleh aliran air akan menyebabkan berputarnya sudu walaupun ada

beban yang ditimbulkan oleh bagian cembung saat terdorong oleh aliran air.

Dalam merancang sebuah kincir air Savonius memerlukan nilai-nilai

rasio tertentu dalam perancangannya agar meningkatkan kinerja dari kincir air

Savonius. Menurut (Ushiyama, Nagai, & Shinoda, 1986) nilai rasio paling

optimum untuk rotor Savonius adalah 4,29. Aspek rasio (α) dapat dirumuskan

sebagai berikut:

α = 𝐻

𝐷……………………………………………………………………………(2.6)

Keterangan :

α : Aspek Rasio

H : Tinggi Rotor

D : Diameter rotor Savonius

Gambar 2. 4 Dimensi Kincir Savonius (Omar, 2013)


12

Untuk meningkatkan performa kincir air Savonius agar mendapatkan

effisiensi yang tinggi maka harus menggunakan diameter Df 10% lebih besar dari

D pada koefisien kecepatan apapun (Menet & Bourabaa, 2014). Maka dapat

dilihat pada persamaan sebagai berikut :

Df = (10%D)+D………………………………………………………………..(2.7)

Keterangan :

Df : Diameter luar dari rotor

Performa kincir air Savonius dapat ditentukan dengan persamaan-

persamaan seperti di bawah :

2.1.5.1. Tip Speed Rasio atau TSR (λ)

TSR pada turbin aliran merupakan rasio antara kecepatan rotasi pada ujung

sudu dan kecepatan aktual dari aliran air yang akan kemudian berpengaruh

terhadap kecepatan putar rotor.

𝜆 =𝜔𝐷

2𝑉…………………………………………………………………………(2.8)

𝜔 =2𝜋𝑛

60 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘…………..………………………………………………………...(2.9)

Keterangan :

V : Kecepatan aliran masuk fluida

𝝎 : Kecepatan sudut

n : Kecepatan putar

D : Diameter rotor

2.1.5.2. Daya Kincir (P)

Untuk dapat mengetahui daya yang dihasilkan oleh kincir maka dapat

dilakukan perhitungan menggunakan persamaan :


13

P = T × 𝝎 ……………………………………………………………………(2.10)

Keterangan :

P : Power / Daya

T : Torsi pada Kincir

2.1.5.3. Koefisien Torsi (Cm) dan Koefisien Daya (Cp)

Koefisien Torsi dan Koefisien daya memiliki persamaan seperti di bawah

𝐶𝑚 = 𝑇

1

4𝜌𝐴𝑆𝐷𝑣2

………………………………………………………………..(2.11)

𝐶𝑝 = 𝑃

1

2𝜌𝐴𝑠𝑣3

…………………………………………………………………..(2.12)

Keterangan :

𝐴𝑆 : Luas sudu (ketinggian rotor dikali luas rotor)

2.1.5.4. Efisiensi Kincir Air Savonius

Efisiensi kincir air Savonius merupakan sebuah parameter yang digunakan

untuk mengetahui seberapa baik kinerja kincir itu bekerja, dan nilai efisiensi itu

dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut :

𝜂𝑘𝑖𝑛𝑐𝑖𝑟 = Cp × 100%........................................................................................(2.13)

Keterangan :

𝜂𝑘𝑖𝑛𝑐𝑖𝑟 : Efisiensi kincir air Savonius

2.1.7. Ratio Overlap Kincir Air Savonius

Ratio overlap kincir air Savonius merupakan rasio tumpang tindih antar

sudu pada kincir air Savonius yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi atau

kinerja dari kincir air Savonius itu sendiri. Dengan memanfaatkan rasio tumpang

tindih ini kincir air Savonius akan memanfaatkan sebagian kecil energi air yang


14

mendorong bagian sudu concave untuk mendorong bagian sudu convex, sehingga

akan mengurangi beban yang menghambat pada sudu sudu bagian convex saat

kincir air Savonius bekerja. Ratio overlap (β) pada kincir air Savonius memiliki 2

jenis yaitu primary ratio overlap (e) dan secondary ratio overlap (e’). Nilai

optimum dari rasio tumpang tindih pertama (primary ratio overlap) adalah 0,2

sampai 0,25 dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

β = 𝑒

𝑑…………………………………………………………………………..(2.14)

Keterangan:

β : Rasio overlap

e : Jarak antar sudu

d : Diameter Sudu

Gambar 2. 6 Penerapan ratio overlap

(Masramon, 2015)


15

Gambar 2.4 Terambil dari referensi yang meneliti kincir angin, cara kerja

dari penggunaan Ratio Overlap kincir angin bisa diterapkan pada kincir air,

perbedaannya hanya fluida yang dipakai. Untuk kincir angin menggunakan fluida

angin sedangkan kincir air menggunakan fluida air

2.1.8. Aliran Air Tertutup

Penelitian yang kami lakukan menggunakan saluran air yang terbuat dari

bahan akrilik, saluran kami ini merupakan saluran tertutup penuh, ini diharapkan

agar aliran fluida yang mengalir pada lorong stabil dan fully develop. Dalam ujung

lorong terdapat bak yang digunakan untuk menstabilkan aliran dari sungai yang

kami pakai, sehingga dari sungai yang beraliran tidak stabil atau bisa juga

turbulen akan menjadi Laminer.

Aliran laminer merupakan aliran fluida yang bergerak dengan kondisi

lapisan-lapisan yang membentuk garis-garis alir dan tidak berpotongan satu sama

lain. Alirannya relatif mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak

sejajar (laminae) dan mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida. Aliran

laminer merupakan aliran fluida tanpa arus turbulen (pusaran air). Partikel fluida

mengalir atau bergerak dengan bentuk garis lurus dan sejajar. Laminer adalah ciri

khusus dari arus yang memiliki kecepatan rendah. Pada laju aliran rendah, aliran

laminer tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran.

Aliran laminer memiliki bilangan Reynold lebih kecil dari 2300.

Seperti yang dapat kita ketahui bahwa berdasarkan Reynold Number aliran

fluida dibagi menjadi 3 jenis, di antaranya ; Aliran Laminer (Re < 2300), aliran

turbulen (Re > 4000), dan aliran transisi (2300 < Re < 4000). Dalam penelitian


16

harus memperhitungkan panjang saluran agar menghindari turbulen. Dengan teori

yang sudah ada maka didapatkan sebuah persamaan yang dapat menghitung

Reynold’s Number (Re) sebagai berikut :

Re =𝜌 𝑈 𝐷𝐻

µ…………………………………………………………………….(2.15)

Keterangan :

Re : Bilangan Reynold

ρ : Masa Jenis Fluida

U : Kecepatan aliran fluida

𝐷𝐻 : Diameter hidrolik penampang saluran air

µ : Viskositas fluida

Karena fluida dialirkan pada saluran air yang tertutup, maka didapatkan

persamaan untuk panjang aliran turbulen sebagai berikut :

𝐿𝐻 Turbulen = 1,359 𝐷𝐻 𝑅𝑒1/4….……………………………………............(2.16)

𝐿𝐻 = 𝐿𝐻Turbulen – 10 𝐷𝐻…………...……………………………………….(2.17)

Keterangan :

𝐿𝐻 : Panjang aliran air fully develop

𝐷𝐻 : Luas penampang saluran air


17

Untuk 𝐷𝐻 pada saluran tertutup sama sisi dapat menggunakan persamaan

seperti di bawah :

𝐷𝐻 = 4𝑎𝑎

4𝑎 = a………………………………………………………………..…(2.18)

Untuk panjang saluran air (𝐿𝐻) dengan aliran air laminer maka dapat

dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

𝐿𝐻= 0,05𝐷𝐻Re………………………………………………………………..(2.19)

a

a Gambar 2. 8 Saluran air persegi tertutup

sama sisi


18

2.2 TINJAUAN PUSTAKA

Penelitian kincir air yang pernah dilakukan oleh Manet dan Bourabaa

(2014) yang memiliki judul “Increase in The Savonius Rotors Efficiency Via a

Parametric Investigation”. Penelitian ini meneliti variasi overlap (𝑒

𝑑) dengan nilai

0,1, 0,129, 0,160, 0,220, 0,242, 0,280, 0,320, dan 0,5. Variasi tersebut diterapkan

pada Kincir Savonius tipe U dan menggunakan simulasi. Hasil pada penelitian ini

adalah koefisien torsi (Cm) bernilai 0,33 pada nilai rasio overlap adalah 0,242, itu

merupakak torsi yang terbesar yang didapat dari penelitian ini, dan jika

dihubungkan ke rumus koefisien daya (Cp) maka didapatkan hasil yang sama juga

untuk nilai paling maksimal.

Khan, dkk (2009) dalam penelitian yang berjudul “Performance of

savonius Rotors As a Water Current Turbine”, melakukan sebuah variasi kincir

dengan 1 tingkat, 2 tingkat, dan 3 tingkat . Tiap-tiap tingkat memiliki sudu 2. Pada

kincir dengan 1 tingkat menggunakan sudut 180° untuk jarak kedua sudunya.

Pada kincir 2 tingkat menggunakan sudut 90° untuk jarak pada sudu di tingkat

pertama dan sudu di tingkat kedua. Pada kincir 3 tingkat menggunakan sudut 60°

untuk jarak sudu pada tingkat pertama, kedua, dan ketiga. Dari penelitian ini

mereka mendapatkan hasil bahwa koefisien daya (Cp) maksimal adalah 0,049 dan

koefisien torsi maksimal adalah 0,12 Nm pada kincir air Savonius 2 tingkat

dengan sudut 90° untuk jarak sudu pada tingkat pertama dan kedua.

Mobrouki, dkk (2014) dalam penelitian yang berjudul “Performance

Analysis of a Water Savonius Rotor : Effect of the Internal Overlap” melakukan

sebuah variasi pada primary ratio overlap (e) dan secondary ratio overlap (e’),


19

dengan nilai variasi itu adalah (e-e’)/d = 0, (e-e’)/d = 0,2, (e-e’)/d = 0,3. Variasi

ini dilakukan pada kincir air Savonius vertikal sudu tipe U. Pada penelitian ini

kincir air diletakkan pada lorong dengan saluran tertutup. Hasil dari penelitian ini

adalah Cp tertinggi dihasilkan oleh (e-e’)/d = 0,3 dengan hasil Cp adalah 0,327.

Hasil ini merupakan hasil Cp yang paling tinggi dari variasi lainnya.

Penelitian yang dilakukan Khuluqi (2014) yang berjudul “Analisis

pengaruh rasio overlap sudu terhadap unjuk kerja Savonius horizontal axis water

turbine”. Penelitian ini menggunakan variasi rasio overlap sudu 0, 0,1, 0,2, 0,3,

dan 0,4. simulasi dilakukan dengan menggunakan software Solidwork 2013,

penelitian ini menggunakan Computational Fluid Design (CFD). Hasil dari

simulasi yang diambil ialah distribusi tekanan pada sudu turbin Savonius, aliran

air dan torsi. Torsi yang terbesar pada penelitian ini terjadi pada rasio overlap 0,3

dengan nilai 5,22 Nm, dan torsi terkecil terjadi pada rasio non overlap 0 dengan

nilai 4,91 Nm.

Dari semua penelitian yang sudah diteliti oleh beberapa peneliti masih

belum meneliti kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal dengan

menggunakan rasio overlap. Oleh sebab itu peneliti membuat kincir air Savonius

2 tingkat dengan 2 sudu dan menggunakan rasio overlap. Dengan melihat hasil

peneliti sebelumnya kedepannya hasil dari penelitian ini akan mendapatkan hasil

yang lebih baik.


20

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada kondisi lingkungan yang terbatas, oleh sebab

itu memperlukan skema dan perancangan alat yang mendukung berjalannya

penelitian. Perlu pengambilan data dari lingkungan yang akurat selaras dengan

skema alat yang akan digunakan untuk menghasilkan hasil yang maksimal dan

mengurangi persentase kesalahan dari alat ukur.

Penelitian ini menggunakan kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal

dengan 2 sudu pada tingkat pertama dan 2 sudu pada tingkat kedua. Setiap

tingkatannya menggunakan jarak 90° antar sudu baik pada sudu tingkat pertama

dan sudu di tingkatan kedua. Variasi yang digunakan pada penelitian ini adalah

variasi rasio overlep (e/d) = 0,2, (e/d) = 0,25, (e/d) = 0,30. Penelitian ini juga

menggunakan kecepatan aliran air yang berbeda-beda yaitu pada kecepatan aliran

air 0,8 m/s, 0,9 m/s, dan 1 m/s yang mengalir pada lorong air saluran tertutup

setelah melewati bak penampung air yang berfungsi untuk mengukur kecepatan

air dan membuat aliran air menjadi laminer.

Pada penelitian ini akan mencari nilai TSR (tip speed ratio), Cp

(coeffisient power), Cm (coeffisient torque), dan Efisiensi Kincir (η Kincir) untuk

mengetahui seberapa efisienkah kincir air Savonius 2 tingkat poros horizontal


21

yang dipasang pada sungai yang memiliki kecepatan aliran air rendah.

Rasio Overlap 0,2

Rasio Overlap 0,25

Rasio Overlap 0,3

Gambar 3. 1 Rasio Overlap


22

3.2. Diagram Alir penelitian

Diagram alir untuk penelitian ini adalah sebagai berikut :

Studi Pustaka

Konsultasi

Perancangan Alat Penelitian

Pembuatan Alat Penelitian

Perakitan Alat Penelitian

Pengambila Data

Melakukan penelitian dengan variasi :

1. Ratio Overlap = 0.2



4. Variasi kecepatan aliran air 0,9 m/s, 1

m/s, dan 1,1 m/s pada semua variasi

e.

Mulai

Pengolahan

Data

Kesimpulan

Selesai

Hasil Bagus

Hasil Tidak Bagus

Gambar 3. 2 Diagram Alir Penelitian


23

3.3. ALAT DAN BAHAN

3.3.1 Skema set up alat eksperimen

Di dalam melakukan penelitian ini digunakan set up alat seperti yang disajikan di

Gambar 3.3 dan Gambar 3.4 :

Gambar 3. 3 Skema Set Up Alat

Gambar 3. 4 Detail Alat Penelitian bagian kincir dan

pembebanan


24

Keterangan :

1. Bak Penampung Air

2. Lorong Air

3. Pintu Air

4. Sitem Pembebanan

5. Kincir air Savonius

6. Timbangan

Proses berlangsungnya kerja set up alat dapat dilihat pada skema di bawah

ini :

Dapat dilihat pada Gambar 3.5 bahwa (a) merupakan masuknya air ke

dalam bak penampung yang berasal dari aliran sungai, Qin merupakan debit

masukan air dalam saluran air yang berasal dari bak penampung, (v) merupakan

kecepatan air yang berada dalam saluran atau lorong air, Qout 1 merupakan debit

air berlebih yang keluar melalui pintu air yang berada pada bak penampung, Qout

2 merupakan debit yang keluar melalui lorong saluran air.

Gambar 3. 5 Skema proses berlangsungnya penelitian


25

Awal dari proses penelitian ini bak penampung akan terisi penuh dengan

air yang berasal dari sungai, kemudian aliran air itu akan ditampung pada bak

penampung agar mendapatkan aliran laminer, setelah volume air yang ditampung

sudah melebihi batas dari pintu air yang berada pada bak penampung maka

volume air yang berlebih ini akan dibuang keluar melalui pintu air (Qout 1) untuk

kembali ke sungai. Dengan mengatur pintu air maka kita dapat mengatur besaran

debit (Q) dan kecepatan air (v) yang berada pada saluran atau lorong air, setelah

itu air yang melewati lorong akan dikeluarkan kembali melalui (Qout 2) dan

kembali lagi ke sungai.

3.3.2 Spesifikasi dan bagian-bagian utama alat

a. Rotor Savonius

Rotor Savonius merupakan alat yang digunakan untuk menangkap energi

kinetik, energi potensial, dan energi aliran yang berasal dari aliran air yang

mengalir kemudian rotor Savonius akan mengkonversikannya menjadi energi

mekanik dengan arah gerakan rotor yang berotasi. Simbol-simbol dan dimensi

rotor dapat dilihat pada tabel dibawah ini :

Diameter Ketinggian

Rotor (H)

m

Jarak Celah

Rotor Aspect

Ratio (α)

Ratio

Overlap (β) Plat

(Df)

m

Rotor

(D) m

Sudu

(d) m

1 (e)

m

2 (e')

m

0,089 0,081 0,045 0,1 0,009 0 1,23 0,2; 0,25; 0,3

Tabel 3. 1 Spesifikasi Kincir Air Savonius


26

b. Bak Penampung

Bak penampung merupakan bagian utama dari alat untuk penelitian yang

berfungsi untuk menampung air yang berasal dari sungai agar mendapatkan

kecepatan aliran yang diinginkan dan dikarenakan arus sungai yang tidak tenang

bak penampung juga berfungsi agar air yang masuk pada lorong menjadi tenang

atau bisa disebut laminer. Agar mendapatkan kecepatan air yang diinginkan maka

kita harus mengatur pintu keluaran air yang berada pada bak penampung sebelum

air dikembalikan atau dibuang lagi ke sungai.

Bahan yang digunakan untuk membuat bak penampung ini menggunakan

triplek, pada bagian dalam bak diberi lapisan plastik dan cat anti air pada bagian-

bagian pojok bak bagian dalam supaya ketika air masuk di dalam bak, volume air

tidak akan berkurang karena adanya kebocoran pada bak penampung air.

PVC

Poros stainleesteel

Akrilik

Gambar 3. 6 Kincir Air Savonius


27

c. Lorong Air

Pada penelitian tentang kincir air Savonius ini kami menggunakan saluran

buatan yang terbuat dari akrilik atau bisa disebut lorong air. Saluran/lorong yang

dibuat adalah saluran tertutup, ini dikarenakan aliran air yang berada pada sungai

merupakan aliran turbulen, dengan menggunakan lorong air ini aliran air yang

tadinya turbulen akan menjadi laminer.

Lorong air yang kami gunakan berbentuk persegi dengan tebal akrilik

5mm tiap sisinya, lebar sisinya 20cm, tinggi dari lorong 20cm, dan panjang dari

lorong 4m untuk 1 bagian. Lorong air ini terdiri dari 2 bagian yang apabila

digabung panjang akan menjadi 8m. Pada kerangka luar lorong akrilik diberi

penopang dari besi agar kuat saat nantinya lorong terisi oleh air. Lorong air ini

terbuat dari bahan akrilik dikarenakan aliran air yang nantinya akan melewati

lorong dapat terlihat dengan jelas dengan mata telanjang.

Gambar 3. 7 Bak Penampung


28

Untuk perancangan lorong air ini diperlukan perhitungan sebagai berikut :

Dari rumus persamaan (2.14) BAB II dapat ditemukan bilangan Reynold

seperti dibawah :

Re = (1000) (1.1) (0.2)

(0.001)

= 220000

Dengan hasil 220000 maka dapat disimpulkan bahwa aliran air turbulen

sehingga dibutuhkan jarak lorong tertentu agar kondisi aliran menjadi laminer.

Dengan hasil angka Reynold 220000 maka panjang lorong air yang dibutuhkan

agar aliran air menjadi laminer adalah 3,88 m. Panjang lorong air ini didapat dari

Persamaan (2.14) pada Bab II. Agar menjamin aliran yang di dalam lorong benar-

benar laminer maka panjang lorong dibuat 8m.

Gambar 3. 8 Sket Lorong Air


29

d. Sistem Pengukur Torsi

Pembebanan merupakan alat yang dipergunakan pada penelitian ini untuk

mengetahui seberapa besar torsi yang dihasilkan oleh kincir dengan cara

pengereman secara bertahap atau sedikit demi sedikit. Pembebanan akan

mempengaruhi putaran per menit (rpm) yang dihasilkan kincir setelah diberi

beban atau di rem. Skema dari sistem pembebanan dapat dilihat pada Gambar 3.9

dan Gambar 3.10.

Gambar 3. 9 Sistem Pengukur Torsi

1

3

2


30

Keterangan :

1. Lengan pengereman

2. Timbangan

3. Penyambung Poros

4. Tali penyambung tuas dan timbangan

5. Lengan Rem

6. Poros Kincir

7. Kincir Air

8. Pegas Lengan Rem

9. Baut Pengencang Rem

10. Kampas Rem

Adapun cara kerja dari alat pengukur torsi adalah sebagai berikut :

Poros cakram yang terdapat pada pembebanan akan di sambung dengan

penyambung dengan poros pada kincir sehingga piringan cakram akan ikut

berputar apabila kincir berputar. Saat kincir berputar inilah 2 baut yang berada

Gambar 3. 10 Detail Sistem Pengukur Torsi


31

pada lengan akan dikencangkan dengan bersamaan dan lengan pengereman akan

bergesekan dengan cakram, lengan pengereman akan terhubung dengan kapas

untuk menjepit piringan, pembebanan dilakukan secara bertahap sedikit demi

sedikit sampai kincir benar-benar berhenti dan tidak berputar lagi.

3.4. Alat-alat pendukung Penelitian

Alat-alat yang dipergunakan untuk melaksanakan penelitian :

Tabel 3. 2 Alat Pendukung Penelitiian

No Alat Kegunaan

1 Tachometer

HT-4200

Mengukur kecepatan putar rotor per

menit.

2 Timbangan Mengukur pembebanan.

3 Mesin Bor Mengebor spesimen.

4 Current Meter

Swoffer 2100

Mengukur kecepatan fluida.

5 Meteran Mengukur spesimen.

6 Mesin Gerinda Memotong spesimen.

7 Amplas Mengamplas spesimen.

8 Gergaji Memotong spesimen.

9 Palu Menumbuk paku pada spesimen.

10 Alat tulis Mencatat data.


32

3.5. Langkah-langkah pengambilan Data

Adapun langkah-langkah yang harus diperhatikan untuk melakukan

pengambilan data ini yaitu :

1. Persiapan alat atau pasang set up alat seperti pada Gambar 3.3 pada tempat

yang sudah ditentukan.

2. Aliran air sungai diarahkan pada bak penampung dengan cara dibendung.

3. Bak penampung akan terisi oleh air dan air yang dari bak akan meuju

lorong untuk menggerakkan kincir.

4. Setelah bak air dan saluran air terisi penuh dengan air maka alirannya akan

mulai stabil. Saat alirannya mulai stabil maka ketinggian pintu air akan

disesuaikan, sehingga debit air yang masuk ke lorong air sesuai yang

diinginkan.

5. Setelah aliran air pada lorong sudah stabil dan menggunakan variasi

kecepatan aliran maka data dapat diambil. Beban pada sistem pembebanan

ditambah sedikit demi sedikit hingga kincir tidak dapat berputar lagi.

6. Mengambil data terhadap parameter-parameter yang diperlukan.

7. Setelah pengambilan data selesai dengan variasi pertama maka dilanjutkan

dengan variasi berikutnya.

8. Set up alat dibongkar satu per satu dan disimpan ke tempat yang aman.

9. Data yang sudah terambil akan diproses untuk mencari koefisien torsi

(cm), koefisien daya (Cp), TIp Speed Ratio (TSR), dan efisiensi kincir air

savonius.


33

3.6. Analisis Data

Adapun parameter-parameter yang perlu diukur dalam penelitian ini diantaranya :

1. Putaran rotor yang dihasilkan per menit (rpm)

2. Kecepatan aliran air (U)

3. Beban pada kincir (F)

Setelah mengukur parameter-parameter yang diperoleh maka setelah dapat

menghitung :

1. Tip Speed Ratio (TSR)

2. Koefisien Torsi (Cm)

3. Koefisien Daya (Cp)

4. Effisiensi Kincir (η Kincir)

Hasil pengolahan dan analisis data akan disajikan dalam bentuk grafik, tabel dan

kesimpulan.


34

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian

Setelah dilakukan pengambilan data dan pengujian pada kincir air

Savonius yang telah dibuat, maka diperoleh beberapa data dengan variasi aliran

0,9 m/s, 1m/s, dan 1,1m/s. Data-data ditampilkan pada Tabel 4.1, 4.2, dan 4.3.

Tabel 4. 1 Pengambilan data Rasio Overlap 0,2

No

Ratio Overlap 0,2

0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s

Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

1 0,0 243,75 0,0 308,75 0,0 362,86

2 0,1 203,75 0,1 253,75 0,1 297,50

3 0,2 173,75 0,2 198,75 0,2 242,50

4 0,3 151,25 0,3 171,25 0,3 196,25

5 0,4 111,25 0,4 140,00 0,4 154,29

6 0,5 0,00 0,5 101,25 0,5 128,00

7 0,6 0,00 0,6 102,22

8 0,7 78,75

9 0,8 0,00

Tabel 4. 2 Pengambilan data Rasio overlap 0,25

No

Ratio Overlap 0,25

0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s

Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

1 0,0 301,25 0,0 351,25 0,0 393,75

2 0,1 251,25 0,1 310,00 0,1 308,75

3 0,2 201,25 0,2 265,56 0,2 258,89

4 0,3 166,67 0,3 201,25 0,3 203,75

5 0,4 138,75 0,4 158,89 0,4 162,22

6 0,5 100,00 0,5 132,00 0,5 140,00

7 0,6 0,00 0,6 104,44 0,6 105,00

8 0,7 0,00 0,7 83,75

9 0,8 0,00


35

Tabel 4. 3 Pengambilan data rasio overlap 0,3

No

Overlap 0,3

0,9 m/s 1 m/s 1,1 m/s

Beban

(N)

Kecepatan

kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

kincir

(rpm)

Beban

(N)

Kecepatan

kincir

(rpm)

1 0,0 282,86 0,0 346,25 0,0 375,00

2 0,1 231,25 0,1 282,00 0,1 294,44

3 0,2 193,75 0,2 247,50 0,2 250,00

4 0,3 156,25 0,3 197,50 0,3 191,25

5 0,4 111,25 0,4 156,67 0,4 156,67

6 0,5 0,00 0,5 127,78 0,5 128,89

7 0,6 102,22 0,6 103,33

8 0,7 0,00 0,7 85,00

9 0,8 0,00

4.2 Grafik Hasil Pengolahan Data

Dari semua data yang diperoleh maka dapat diolah kembali dalam bentuk

grafik agar dapat mengetahui hubungan antara Torsi (Nm) dengan kecepatan putar

poros (rpm), Daya kincir (w) dengan Kecepatan Putaran Poros (rpm) dan

Koefisien daya kicir (Cp) dengan Tip Speed Ratio (TSR). Grafik disajikan untuk

setiap variasi Rasio overlap dapat dilihat pada Gambar 4.1 sampai Gambar 4.12.


36

4.2.1 Grafik hubungan antara Kecepatan Putaran Poros dengan Torsi

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8

KE

CE

PA

TA

N P

UT

AR

AN

PO

RO

S

(RP

M)

TORSI (T)

Overlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3


kecepatan aliran 0,9 m/s

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8KE

CE

PA

TA

N P

UT

AR

AN

PO

RO

S

(RP

M)

TORSI (T)



kecepatan aliran 1 m/s


37

Dari hasil penelitian kincir air savonius 2 tingkat poros horizontal dan

variasi rasio overlap 0.20, 0,25, dan 0.30 pada kecepatan aliran 0,9 m/s, 1 m/s, dan

1,1 m/s mendapatkan hasil data untuk mencari unjuk kerja terbaik dari kincir air

Savonius yang diteliti dengan cara membandingkan data pada semua variasi yang

diteliti per kecepatan aliran air yang sama. Pada data hubungan antara torsi dan

kecepatan putaran poros dapat dilihat bahwa kincir dengan overlap 0,25 (Gambar

4.1-4.3) pada kecepatan aliran air 1,1 m/s pada rasio overlap 0,2 menghasilkan

torsi yang besar diantara kecepatan aliran lainnya. Hal tersebut dapat dilihat pada

kecepatan putaran poros sebesar 78,75 rpm dan gaya 0,7 yang menghasilkan gaya

torsi sebesar 0,07 Nm. (Gambar 4.3)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8

KE

CE

PA

TA

N P

UT

AR

AN

PO

RO

S

(RP

M)

TORSI (T)





38

4.2.2 Grafik hubungan antara DAYA dan Kecepatan Putaran Poros

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350

DA

YA

(P

)

KECEPATAN PUTARAN POROS (RPM)




0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

DA

YA

(P

)




kecepatan aliran 1 m/s


39

Pada data hubungan antara Daya (watt) dan Kecepatan Putaran poros

(rpm) dapat dilihat bahwa nilai kerja overlap 0,25 kecepatan aliran air 1,1 m/s

pada semua variasi mendapatkan daya yang paling besar dan daya yang paling

besar didapatkan pada variasi overlap 0,25 dengan nilai daya 0,733 watt pada

kecepatan putaran poros 140 rpm.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

DA

YA

(P

)






40

4.2.3 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISIE

N T

OR

SI

TIP SPEED RATIO


Gambar 4. 7 Grafik hubungan antara Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio

pada kecepatan aliran 0,9 m/s

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISIE

N T

OR

SI

TIP SPEED RATIO



pada kecepatan aliran 1 m/s


41

Pada data hubungan antara koefisien torsi (Cm) dan Tip Speed Ratio (λ)

dapat dilihat bahwa kincir air dengan overlap 0,25 nilai paling tinggi pada

kecepatan aliran 0,9 m/s dengan rasio overlap 0,25. Dengan nilai koefisien torsi

0,376 (37%) dan Tip Speed Ratio sebesar 0,471 menjadi hubungan tertinggi di

antara kecepatan aliran yang lain. Dalam grafik juga bias disimpulkan bahwa

semakin sedikit nilai TSR maka akan semakin besar nilai koefisien torsinya.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISIE

N T

OR

SI

TIP SPEED RATIO



pada kecepatan aliran 1,1 m/s


42

4.2.4 Grafik Hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISO

EN

DA

YA

TIP SPEED RATIOOverlap 0,2 Overlap 0,25 Overlap 0,3



0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISIE

N D

AY

A

TIP SPEED RATIO


Gambar 4. 11 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip Speed

Ratio pada kecepatan aliran 1 m/s


43

Pada data hubungan antara Koefisien Daya Kincir (Cp) dan Tip Speed

Ratio (TSR), dapat dilihat bahwa nilai terbesar Koefisien daya kincir (Cp) sebesar

0,197 (19%) dan Tip Speed Ratio (TSR) sebesar 0,654 terdapat pada kecepatan

aliran air 0,9 dan rasio overlap 0,25.

4.3 Pembahasan Hasil Pengolahan Data

Dari semua data yang sudah diperoleh dapat disimpulkan bahwa dari

variasi kecepatan aliran yang paling menunjukan kinerja terbaik adalah kecepatan

aliran 0,9 m/s dengan rasio overlap yang paling bagus adalah 0,25, ini

dikarenakan menghasilkan daya sebesar 0,58 (watt), koefisien torsi tertinggi

dengan nilai 0,376 (37%) dan koefisien daya tertinggi dari aliran lainnya dengan

nilai 0,197 (19%) hanya dengan aliran air yang lambat dari pada kecepatan aliran

air yang lain.

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

KO

EF

ISIE

N D

AY

A

TIP SPEED RATIO


Gambar 4. 12 Grafik hubungan antara Koefisien Daya dan Tip

Speed Ratio pada kecepatan aliran 1,1 m/s


44

4.4 Perbandingan Hasil Penelitian

Data pada hasil penelitian yang sudah dilakukan ini akan dibandingkan

dengan data penelitian yang sudah ada. Penelitian tersebut adalah hasil penelitian

berdasarkan dengan penelitian oleh (Mabrouki, dkk, 2014) yang berjudul

Performance Analysis of a Water Savonius Rotor: Effect of the Internal Overlap,

Sustainable Energy, tahun 2014. Dan (Nahidun, dkk, 2009) yang berjudul

Performance of Savonius rotor as a water current turbine.

Dimensi masing-masing kincir disajikan pada tabel berikut:

Tabel 4. 4 Dimensi kincir air Savonius

Tabel 4. 5 Data dari Refrensi 1

Tabel 4. 6 Data dari Refrensi 2

D (m) H (m) Jumlah

Sudu

Jumlah

Tingkatan

Ujung Plat

(DF)

Referensi

1 0,190 0,2 2 1 Tidak Ada

Refrensi

2 - - 2 2 Ada

Penelitian 0,081 0,1 2 2 Ada

Rasio Overlap

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

P Cp TSR Kecepatan

Ailiran

0,0 685 15,05 0,21 3,02 2,45

0,2 675 14,00 0,18 2,40 2,45

0,3 737 19,28 0,32 2,51 2,45

Rasio Overlap

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

P Cp TSR Kecepatan

Ailiran

- 70 2,2 0,049 0,8 1


45

Tabel 4. 7 Data dari penelitian

Berdasarkan perbandingan antara data yang dari refrensi 1 dan data hasil

penelitian, terdapat perbedaan nilai koefisien daya paling tinggi, didalam refrensi

untuk Koefisien Daya paling tinggi terletak pada Ratio Overlap 0,3, sedangkan di

dalam penelitian, Koefisien daya paling tinggi terdapat pada Ratio Overlap 0,25.

pada refrensi 2 koefisien daya maksimal yang dimiliki oleh Kincir air Savonius 2

tingkat adaah 0,049 pada kecepatan 1 m/s sedangkan pada penelitian koefisien

daya maksimal adalah 0,197 pada kecepatan 0,9, adapun penyebab dari perbedaan

hasil itu diantaranya:

1. Penambahan tingkatan sudu yang terdapat pada kincir air Savonius

menjadi 2 tingkatan.

2. Penambahan diameter plat pada ujung sudu (Df).

3. Kecepatan aliran air yang berbeda.

4. Skema dan dimensi yang berbeda pada alat penelitian.

Rasio Overlap

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

P Cp TSR Kecepatan

Aliran

0,20 151,25 0,47 0,16 0,71 0,9

0,25 138,75 0,58 0,19 0,65 0,9

0,30 156,25 0,49 0,16 0,73 0,9


46

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan

Setelah melakukan pengujian dengan menggunakan variasi rasio overlap

dengan tidak menggunakan deflektor, dan juga menggunakan variasi kecepatan

0,9 m/s, 1 m/s, dan 1,1 m/s dapat diambil kesimpulan bahwa :

1. Telah dibuatnya kincir air Saavonius 2 tingkat poros horizontal dengan

variasi rasio overlap 0,2, 0,25, 0,3.

2. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan efek rasio overlap

berpengaruh pada koefisien daya, terjadi peningkatan koefisien daya dari

rasio overlap 0,2 ke rasio overlap 0,25 dan koefisien daya turun pada rasio

overlap 0,3 di semua variasi kecepatan aliran. Koefisen daya terbesar

bernilai 0,197 pada kecepatan 0,9 m/s.

3. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa efek rasio overlap

mempengaruhi nilai koefisien torsi, ini terjadi karena adanya peningkatan

koefisien torsi pada rasio overlap 0,25 di semua kecepatan aliran. Dengan

nilai maksimal koefisien torsi 0,376 (37%) pada kecepatan air 0,9 m/s.

4. Dari data penelitian ini dapat disimpukan bahwa efek dari rasio overlap

mempengaruhi Tip Speed Rasio (TSR), TSR mengalami peningkatan pada

rasio overlap 0,25 di semua variasi kecepatan.

5. Setelah data diolah maka dapat ditarik kesimpulan bahwa efek rasio

overlap mempengaruhi effisiensi kincir, efisiensi kincir akan meningkat


47

pada rasio overlap 0,25 pada semua kecepatan aliran. Efisiesi maksimal

terdapat pada rasio overlap 0,25 pada kecepatan 0,9 m/s dengan nilai 19%.


48

6.2 Saran

1. Penelitian kincir air savonius harus dilakukan di aliran yang memiliki

aliran air dan bersih terbebas dari sampah agar memudahkan dalam

melakukan penelitian.

2. Amatilah kondisi lapangan yang akan digunakan untuk penelitian agar

memudahkan saat set alat di lapangan.

3. Poros kincir dan poros pembebenan (pengereman) harus sangat benar-

benar lurus karena akan berakibat pada rugi-rugi akibat suatu gesekan

yang akan mempengaruhi kecepatan putar poros.

4. Lorong dan bak air harus benar-benar sejajar, dan diusahakan tidak ada

yang bocor karena akan berakibat pada kecepatan aliran.


49

DAFTAR PUSTAKA

Khan, M. N., Iqbal, M. T., Hinchey, M., & Masek, V. (2009). PERFORMANCE

OF SAVONIUS ROTOR AS A WATER CURRENT TURBINE.

Marilime and Part Security, 71-83.

Khuluqi, H., Hadi, S., & Danardono, D. (2014). ANALISIS SIMULASI

PENGARUH RATIO OVERLAPSUDU TERHADAP UNJUK KERJA

SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE. MEKANIKA, 7-

11.

Mabrouki, I., Driss, Z., & Abid, M. S. (2014). Performance Analysis of a Water

Savonius Rotor : Effect of the Internal Overlap. Sustainable Energy, 121-

125.

Masramon, E. M. (2015). Experimental study of flow through a Savonius wind

turbine. Catalunya: Convocatoria de lliurament del TGF.

Menet, J.-L., & Bourabaa, N. (2014). INCREASE IN THE SAVONIUS ROTORS

EFFICIENCY VIA A PARAMETRIC INVESTIGATION. 1-7.

Ragheb, M., & Ragheb, A. M. (2011). Wind Turbine Theory - The Betz Equation

and Optimal Rotor Tip Speed Ratio . In R. Carriveau, Fundamental and

Advance Topics In Wind Power (pp. 19-38). Rijeka: InThech.

Ushiyama, I., Nagai, H., & Shinoda, J. (1986). Experimentally Determining the

Optimum Design Configuration for Savonius Rotors. Bulletin of JSME,

4130-4138.

Wenehenubum, F., Saputra, A., & Sutanto, H. (2015). An experimental study on

the performance of Savonius wind turbines related with the number of

blades. Energy Procedia , 297-304.


50

LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel Pengambilan data Rasio overlap 0,2

No

Kecepatan Aliran 0,9 m/s

Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 243,75 0,00 25,513 1,148 0,000 0,000 0,000

2 0,1 203,75 0,01 21,326 0,960 0,213 0,075 0,072

3 0,2 173,75 0,02 18,186 0,818 0,364 0,151 0,123

4 0,3 151,25 0,03 15,831 0,712 0,475 0,226 0,161

5 0,4 111,25 0,04 11,644 0,524 0,466 0,301 0,158

6 0,5 0,00 0,05 0,000 0,000 0,000 0,376 0,000

No

Kecepatan Aliran 1 m/s

Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 308,75 0,00 32,316 1,309 0,000 0,000 0,000

2 0,1 253,75 0,01 26,559 1,076 0,266 0,061 0,066

3 0,2 198,75 0,02 20,803 0,843 0,416 0,122 0,103

4 0,3 171,25 0,03 17,924 0,726 0,538 0,183 0,133

5 0,4 140,00 0,04 14,653 0,593 0,586 0,244 0,145

6 0,5 101,25 0,05 10,598 0,429 0,530 0,305 0,131

7 0,6 0,00 0,06 0,000 0,000 0,000 0,366 0,000

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 362,85 0,00 37,979 1,398 0,000 0,000 0,000

2 0,1 297,50 0,01 31,138 1,146 0,311 0,050 0,058

3 0,2 242,50 0,02 25,382 0,935 0,508 0,101 0,094

4 0,3 196,25 0,03 20,541 0,756 0,616 0,151 0,114

5 0,4 154,28 0,04 16,149 0,595 0,646 0,202 0,120

6 0,5 128,00 0,05 13,397 0,493 0,670 0,252 0,124

7 0,6 102,22 0,06 10,699 0,394 0,642 0,302 0,119

8 0,7 78,75 0,07 8,243 0,303 0,577 0,353 0,107

9 0,8 0,00 0,08 0,000 0,000 0,000 0,403 0,000


51

Lampiran 2. Tabel Pengambilan Data Rasio Overlap 0,25

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 301,25 0,00 31,531 1,419 0,000 0,000 0,000

2 0,1 251,25 0,01 26,298 1,183 0,263 0,075 0,089

3 0,2 201,25 0,02 21,064 0,948 0,421 0,151 0,143

4 0,3 166,66 0,03 17,444 0,785 0,523 0,226 0,177

5 0,4 138,75 0,04 14,523 0,654 0,581 0,301 0,197

6 0,5 100,00 0,05 10,467 0,471 0,523 0,376 0,177

7 0,6 0,00 0,06 0,000 0,000 0,000 0,452 0,000

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 351,25 0,00 36,764 1,489 0,000 0,000 0,000

2 0,1 310,00 0,01 32,447 1,314 0,324 0,061 0,080

3 0,2 265,55 0,02 27,795 1,126 0,556 0,122 0,137

4 0,3 201,25 0,03 21,064 0,853 0,632 0,183 0,156

5 0,4 158,88 0,04 16,630 0,674 0,665 0,244 0,164

6 0,5 132,00 0,05 13,816 0,560 0,691 0,305 0,171

7 0,6 104,44 0,06 10,932 0,443 0,656 0,366 0,162

8 0,7 0,00 0,07 0,000 0,000 0,000 0,427 0,000

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 393,75 0,00 41,213 1,517 0,000 0,000 0,000

2 0,1 308,75 0,01 32,316 1,190 0,323 0,050 0,060

3 0,2 258,88 0,02 27,097 0,998 0,542 0,101 0,101

4 0,3 203,75 0,03 21,326 0,785 0,640 0,151 0,119

5 0,4 162,22 0,04 16,979 0,625 0,679 0,202 0,126

6 0,5 140,00 0,05 14,653 0,540 0,733 0,252 0,136

7 0,6 105,00 0,06 10,990 0,405 0,659 0,302 0,122

8 0,7 83,75 0,07 8,766 0,323 0,614 0,353 0,114

9 0,8 0,00 0,08 0,000 0,000 0,000 0,403 0,000


52

Lampiran 3. Tabel Pengambilan Data Rasio Overlep 0,3

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 282,85 0,00 29,606 1,332 0,000 0,000 0,000

2 0,1 231,25 0,01 24,204 1,089 0,242 0,075 0,082

3 0,2 193,75 0,02 20,279 0,913 0,406 0,151 0,137

4 0,3 156,25 0,03 16,354 0,736 0,491 0,226 0,166

5 0,4 111,25 0,04 11,644 0,524 0,466 0,301 0,158

6 0,5 0,00 0,05 0,000 0,000 0,000 0,376 0,000

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 346,25 0,00 36,241 1,468 0,000 0,000 0,000

2 0,1 285,55 0,01 29,888 1,210 0,299 0,061 0,074

3 0,2 247,50 0,02 25,905 1,049 0,518 0,122 0,128

4 0,3 197,50 0,03 20,672 0,837 0,620 0,183 0,153

5 0,4 152,85 0,04 15,999 0,648 0,640 0,244 0,158

6 0,5 124,28 0,05 13,009 0,527 0,650 0,305 0,161

7 0,6 102,22 0,06 10,699 0,433 0,642 0,366 0,159

8 0,7 0,00 0,07 0,000 0,000 0,000 0,427 0,000

No


Beban

(N)

Kecepatan

Putar Kincir

(rpm)

T

Ω

λ

P

Cm

Cp

1 0,0 375,00 0,00 39,250 1,445 0,000 0,000 0,000

2 0,1 294,44 0,01 30,819 1,135 0,308 0,050 0,057

3 0,2 250,00 0,02 26,167 0,963 0,523 0,101 0,097

4 0,3 191,25 0,03 20,018 0,737 0,601 0,151 0,111

5 0,4 156,66 0,04 16,398 0,604 0,656 0,202 0,122

6 0,5 128,88 0,05 13,490 0,497 0,675 0,252 0,125

7 0,6 103,33 0,06 10,816 0,398 0,649 0,302 0,120

8 0,7 85,00 0,07 8,897 0,328 0,623 0,353 0,116

9 0,8 0,00 0,08 0,000 0,000 0,000 0,403 0,000


53

Lampiran 4. Gambar Bak Penampung


54

Lampiran 5. Gambar Lorong Air


55

Lampiran 6. Sistem Pengukur Torsi


56

Lampiran 7 Alat ukur


unjuk kerja kincir air savonius 2 tingkat poros...

Documents