Perpustakaan Digital ITB

Pemanfaatan energi terbarukan terutama tenaga air untuk aplikasi head rendah di Indonesia masih belum optimal, sementara kebutuhan listrik terus meningkat. Tenaga air masih dianggap sebagai energi alternatif untuk memasok defisit energi dari pembangkit listrik konvensional. Biaya investasi yang tinggi pada pembangkit listrik tenaga air menyebabkan energi dari air tidak dimanfaatkan secara maksimal. Namun dalam beberapa tahun terakhir, ada banyak diskusi tentang tenaga air terkait dengan intermitensi pembangkit energi terbarukan lainnya karena tenaga air dapat beroperasi selama 24 jam dengan efisiensi yang tinggi. Pesatnya perkembangan teknologi komputer telah memudahkan perancang dan peneliti untuk mendesain dan merencanakan pembangkit listrik tenaga air, terutama perancangan sudu turbin yang merupakan penggerak utama dalam sistem pembangkit listrik tenaga air. Penelitian dalam disertasi ini bertujuan untuk menjawab tantangan tersebut melalui penggunaan teknologi komputer. Turbin dirancang menggunakan metode analisis aliran meridional dan analisis kaskade. Profil dasar yang digunakan pada penelitian ini adalah NACA 0012 pada sudu arah dan NACA 0015 pada sudu gerak. Sudu arah dirancang memiliki ketebalan yang seragam, sedangkan sudu gerak diberikan variasi ketebalan dari hub sampai tip mulai 1 sampai 0,5 kali dari tebal profil dasar. Selain itu, koefisien rugi-rugi telah diinvestigasi pada profil 0010 sampai 0015. Untuk memprediksi kinerja kaskade hidrofoil dalam kondisi riil, perhitungan dilakukan dengan mengkombinasikan metode kaskade aliran potensial dengan lapisan batas. Sebuah koefisien dalam bentuk faktor difusi juga diberikan dalam proses desain sudu gerak untuk meningkatkan distribusi tekanan pada permukaan sudu. Analisis aliran meridional dilakukan dengan menggunakan pendekatan mixed vortex yang merupakan kombinasi dari teknik free vortex dan forced vortex. Analisis aliran meridional dilakukan menggunakan metode kesetimbangan radial dengan melakukan kontrol pada kecepatan tangensial dengan kriteria mixed vortex yang membuat perbedaan teknik desain turbin pada penelitian ini dengan rancangan turbin air aksial pada umumnya. Solusi untuk analisis aliran meridional diperoleh dari program numerik yang mirip dengan REDES. Selanjutnya, aliran kaskade dianalisis menggunakan pendekatan aliran potensial dan lapisan batas. Solver aliran potensial pada analisis kaskade dilakukan dengan metode vortisitas permukaan atau disebut sebagai metode panel vorteks. Selain itu, program panel vorteks dirancang agar menghasilkan distribusi tekanan dan kecepatan aliran pada permukaan hidrofoil untuk analisis lapisan batas. Solusi lapisan batas diperoleh dari persamaan momentum integral. Metode Thwaites digunakan untuk menyelesaikan komponen aliran pada area laminar, sedangkan metode Head menyelesaikan persamaan momentum integral wilayah turbulen. Transisi aliran dari laminar ke turbulen menggunakan kriteria Mitchel di mana transisi terjadi berdasarkan bilangan Reynolds. Beberapa parameter lapisan batas seperti ketebalan perpindahan ?*, ketebalan momentum ?, faktor bentuk H dan koefisien gesek Cf diverifikasi menggunakan program serupa untuk analisis hidrofoil. Program kaskade aliran potensial terlebih dahulu dikonversi menjadi program hidrofoil tunggal dengan memodifikasi t/l, kemudian dibandingkan dengan software Pablo dan XFLR5. Hasilnya menunjukkan bahwa akurasi program lapisan batas pada aliran laminer sangat baik di mana transisi terjadi pada titik dekat dengan software Pablo, sedangkan titik transisi XFLR5 sedikit lebih jauh ke hilir hidrofoil. Ini karena XFLR5 ditulis dengan teknik dua persamaan integral lapisan batas sehingga membuatnya berbeda dari program yang dibuat. Hasil prediksi aliran turbulen menunjukkan sedikit perbedaan antara program lapisan batas dengan Pablo dan XFLR5 tetapi masih cukup baik dan masuk akal. Koefisien drag yang diperoleh kaskade lebih tinggi dari pada hidrofoil tunggal berdasarkan hasil komputasi. Analisis aliran kaskade dengan lapisan batas diperluas penggunaannya untuk berbagai jenis profil hidrofoil dengan beberapa variasi pitch chord ratio dan sudut keluar aliran. Gaya-gaya hidrodinamika yang diperlukan dalam perancangan sudu dapat diperoleh dengan cepat menggunakan komputasi kaskade dan membuat mudah proses identifikasi kerugian dan kehilangan energi pada kaskade hidrofoil. Komputasi menunjukkan bahwa koefisien rugi-rugi kaskade hidrofoil akan semakin besar ketika sudut camber profil dinaikkan karena berpotensi terjadi penurunan tekanan dan aliran separasi pada profil dengan kelengkungan tinggi. Untuk mempermudah peneliti dalam memprediksi kinerja turbin, telah diberikan persamaan dan diagram parameter perhitungan koefisien lift dan koefisien rugi-rugi yang diterima sudu kaskade sesuai sudut sudu dan sudut aliran yang telah ditetapkan. Simulasi turbin juga dilakukan menggunakan Ansys Fluent untuk memverifikasi dan memprediksi kinerja turbin secara virtual berdasarkan analisis kaskade. Turbin dirancang berdasarkan parameter yang diperoleh dari analisis yang dijelaskan sebelumnya. Koefisien faktor difusi yang diberikan kepada turbin adalah 0,019 dan berlaku untuk sebelas segmen sudu turbin. Turbin terdiri dari 12 sudu stator dan 5 sudu rotor. Hasil simulasi menunjukkan bahwa efisiensi maksimum rata-rata turbin lebih tinggi dari 88% pada berbagai laju aliran dan rotasi yang diberikan. Akan tetapi, efisiensi yang diperoleh pada titik desain hanya mencapai 85,53%. Pengamatan visual pada sudu menunjukkan bahwa runner memiliki pitch yang besar sehingga dapat menyebabkan kerugian. Namun demikian, hasil simulasi menunjukkan kinerja turbin yang cukup baik secara keseluruhan. Prototipe turbin dibangun sebagai model pengujian untuk mendapatkan kinerja turbin aktual melalui eksperimen. Turbin dirancang menggunakan generator magnet permanen yang dipasang pada ujung sudu dan shroud turbin yang selanjutnya disebut Turbin Air Generator Magnet Permanen (TAGMP). Turbin dirancang dalam bentuk kompak untuk mengurangi kerugian yang dihasilkan seperti kerugian mekanis dan lainnya. Pada saat pengujian kinerja TAGMP di lapangan, titik operasi (titik desain) belum diperoleh karena terjadi anomali pada generator yang menyebabkan badan generator menjadi panas dan menurunkan kinerja generator. Oleh karena itu, dilakukan analisis kesebangunan untuk mengetahui kinerja turbin berdasarkan hasil uji lapangan. Berdasarkan perhitungan kesebangunan, diperoleh efisiensi turbin pada uji lapangan sebesar 81,86%. Berdasarkan hasil penelitian, efisiensi yang diperoleh pada analisis kaskade aliran potensial (nonviskos) sebesar 88,89%, kaskade lapisan batas (viskos) 82,93%, simulasi numerik 85,53% dan hasil eksperimen sebesar 81,86%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode desain sudu turbin menggunakan analisis kaskade lapisan batas dapat digunakan dalam perancangan turbin air aliran aksial. Pengujian virtual menunjukkan bahwa turbin mampu mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik dengan efisiensi tinggi. Selain itu, prototipe turbin yang dikembangkan dalam bentuk compact dapat mengurangi kerugian mekanis dan mengurangi biaya investasi. Oleh karena itu, TAGMP diharapkan menjadi salah satu solusi untuk masalah energi di Indonesia. Ketersediaan potensi energi terbarukan yang melimpah dapat memunculkan ide atau gagasan pengembangan ekonomi kreatif berbasis energi terbarukan khususnya tenaga air untuk kesejahteraan rakyat Indonesia serta ketahanan energi nasional.