Perpustakaan Digital ITB

Pemanfaatan energi hidrokinetik pada aliran keluaran PLTA merupakan salah satu alternatif untuk meningkatkan pemanfaatan energi terbarukan tanpa memerlukan pembangunan infrastruktur utama yang signifikan. PLTA Jatigede memiliki saluran tailrace open channel yang merupakan saluran keluaran air yang berpotensi dimanfaatkan sebagai lokasi pemasangan turbin hidrokinetik karena masih memiliki energi kinetik. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan perancangan dan optimasi turbin hidrokinetik tipe H-Darrieus yang sesuai dengan karakteristik aliran pada tailrace open channel PLTA Jatigede. Perancangan dilakukan dengan menentukan beberapa parameter tetap berdasarkan literatur dan tiga parameter yang divariasikan yaitu solidity (?), blade pitch angle (?), dan tip speed ratio (TSR) untuk mencari nilai koefisien daya (CP) yang optimum. Data perancangan diperoleh dari karakteristik aliran tailrace PLTA Jatigede. Debit perancangan ditentukan berdasarkan debit andalan Q40 sebesar 60 m3/s. Hasil pengukuran menggunakan Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) menunjukkan debit rata-rata terukur sebesar 59,7 m3/s, kecepatan rata-rata aliran sebesar 0,868 m/s, dan kedalaman maksimum sebesar 2,28 m. Berdasarkan kondisi tersebut, turbin H-Darrieus dirancang dengan tinggi 2 m, diameter 1,33 m, dan aspect ratio 1,5 dengan profil hydrofoil S-1046 sebanyak tiga buah sudu. Dengan dimensi tersebut, daya turbin hidrokinetik teoretis maksimum adalah sebesar 870,39 W untuk satu unit turbin. Penelitian dilakukan menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) 2D transien dengan model turbulensi k-? SST. Simulasi CFD digunakan untuk mendapatkan nilai respons koefisien daya (CP) pada setiap kombinasi parameter input. Titik awal simulasi disusun menggunakan metode maximin Latin Hypercube Design untuk memperoleh sebaran titik yang merata pada ruang desain. Kemudian data hasil simulasi CFD digunakan untuk membangun surrogate model berbasis Gaussian Process Regression (GPR). Proses optimasi dilakukan menggunakan Bayesian optimization dengan acquisition function berupa Expected Improvement (EI). Model GPR digunakan untuk memprediksi respons CP optimum dan menentukan kandidat titik simulasi tambahan yang memiliki potensi peningkatan performa. Proses ini dilakukan secara iteratif hingga tercapai konvergensi pada desain optimum. Hasil optimasi menunjukkan bahwa konfigurasi optimum diperoleh pada ? = 0,1821, ? = ?6,3077o, dan TSR = 1,7628 dengan nilai koefisien daya (CP) sebesar 0,4370 yang menghasilkan daya turbin sebesar 380,34 W untuk satu unit turbin. Model GPR akhir mampu menggambarkan hubungan antara parameter input dan respons CP dengan tingkat kesesuaian yang cukup baik dengan evaluasi nilai R2 = 0,9998, RMSE = 0,0017, dan MAE = 0,00103. Hasil ini menunjukkan bahwa kombinasi simulasi CFD, model GPR, dan proses Bayesian optimization cukup baik digunakan untuk mendukung proses optimasi turbin hidrokinetik dengan jumlah simulasi yang terbatas. Analisis terkait pengaruh parameter menunjukkan bahwa solidity, blade pitch angle, dan TSR berpengaruh signifikan terhadap performa turbin. Parameter solidity yang terlalu tinggi menyebabkan pembentukan daerah wake yang lebih luas, vortex yang lebih kuat, dan efek blockage yang menyebabkan munculnya torsi negatif pada beberapa posisi azimuth angle. Parameter blade pitch angle yang terlalu negatif menurunkan torsi maksimum akibat sudut serang efektif yang kurang optimum, sedangkan blade pitch angle 0o dan positif memicu separasi aliran, vortex, dan potensi terjadinya dynamic stall. TSR yang terlalu rendah menghasilkan daya turbin rendah akibat kecepatan sudut turbin yang kecil, sedangkan TSR yang terlalu tinggi meningkatkan wake interaction dan vortex sehingga torsi maksimum menurun dan menyebabkan torsi negatif muncul pada beberapa posisi azimuth angle. Konfigurasi optimum menghasilkan keseimbangan terbaik antara torsi maksimum, torsi minimum yang tetap positif, serta karakteristik aliran yang lebih stabil dibandingkan konfigurasi lainnya. Evaluasi juga dilakukan pada variasi kecepatan aliran tailrace 0,5 – 1,5 m/s dengan konfigurasi turbin optimum dan pada kecepatan putar turbin yang konstan. Perubahan kecepatan aliran memengaruhi TSR operasi turbin dan daya yang dihasilkan, namun nilai koefisien daya cenderung terjaga ketika turbin dioperasikan pada TSR yang mendekati nilai optimum. Hasil ini menunjukkan bahwa pola pengaturan operasi turbin agar tetap berada pada rentang TSR optimum menjadi faktor penting untuk memaksimalkan pemanfaatan energi hidrokinetik pada tailrace PLTA Jatigede dengan kondisi kecepatan aliran yang bervariasi.