TUGAS AKHIR – ME141501

ANALISA JUMLAH BLADE PADA WELLS TURBIN UNTUK MENINGKATKAN DAYA LISTRIK PADA PLTG TIPE OWC

YUSRON AZIZ NRP 4211 100 099 Dosen Pembimbing Ir. Sardono Sarwito, M.Sc Adi Kurniawan, ST.,MT JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2015

FINAL PROJECT – ME141501

ANALYSIS ON THE NUMBER OF WELLS TURBINE BLADE FOR INCREASING POWER FOR WAVE POWER PLANT OCW TYPE

YUSRON AZIZ

NRP 4211 100 099

Advisor

Ir. Sardono Sarwito, M.Sc

Adi Kurniawan, ST.,MT

DEPARTMENT OF MARINE ENGINEERING

Faculty of Marine Technology

Sepuluh Nopember Institute of Technology

Surabaya

2015

v

ANALISA JUMLAH BLADE PADA WELLS TURBIN UNTUK MENINGKATKAN DAYA LISTRIK PADA

PLTG TIPE OWC Nama Mahasiswa : Yusron Aziz NRP : 4211100099 Jurusan : T. Sistem Perkapalan FTK-ITS Dosen Pembimbing : Ir. Sardono Sarwito M.Sc Adi Kurniawan, ST.MT Abstrak

Oscilating water column (OWC) merupakan salah satu alat untuk mengkonversi energi ombak laut menjadi energi listrik. Mekanisme kerja dari alat ini adalah dengan naik turunnya gelombang laut akan mendorong udara pada kolom OWC, yang kemudian akan memutar turbin yang terhubung dengan generator sehingga kemudian akan menghasilkan aliran listrik. Indonesia merupakan negara maritim, yang mempunyai wilayah perairan, khususnya laut dengan luas kurang lebih tiga kali lipat dari daratan sangatlah berpotensial untuk dijadikan sebagai media pembangkit tenaga listrik dengan memanfaatkan arus laut dan ombak.

Tujuan utama dari studi ini dikhususkan pada pemodelan dan variasi jumlah blade pada wells turbin dengan percobaan menggunakan jumlah blade 4-14, menggunakan metode perhitungan dan simulasi dengan program ANSYS, yang bertujuan untuk meningkatkan besarnya efiesiensi kenaikan daya. Sehingga PLTG dengan pemodelan oscilating water column (OWC) ini menjadi pilihan pembangkit listrik yang ada di Indonesia khususnya di daerah pesisiran pantai.

vii

ANALYSIS ON THE NUMBER OF WELLS TURBINE BLADE FOR INCREASING POWER FOR WAVE

POWER PLANT OCW TYPE

Nama Mahasiswa : Yusron Aziz NRP : 4211100099 Jurusan : T. Sistem Perkapalan FTK-ITS Dosen Pembimbing : Ir. Sardono Sarwito M.Sc Adi Kurniawan, ST.MT Abstract

Oscilating water column (OWC) is a plan for converting sea wave energy into electrical energy. The work principal of this plan is the wave motion that move up and down will push the air on column OWC, which will then turn turbines connected to a generator and produced electricity. Indonesia is a maritime country, which has a sea area, in particular the sea with an area of one-third of the land has the potential to be used as a power plant utilizing ocean currents and waves.

The purpose of this study in specially on the modeling and variation the number of wells turbin in experiments using a number of blade 4-14, by using the method of calculation and simulation by ANSYS program, inorder to improve efficiency increase in power. So the oscilating water column (OWC) power plan is the choice of existing power plants in Indonesia, especially in coastal beach areas.

ix

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kita panjatkan atas segala karunia Allah SWT Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang, yang selalu memberikan petunjuk, rahmat dan hidayahnya kepada kita semua. Tak lupa kita ucapkan Sholawat serta salam kepada Nabi Muhammad SAW. Karena hanya dengan ridhoNya maka saya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Analisa Jumlah Blade Pada Wells Turbin Untuk Meningkatkan Daya Listrik Pada Owc Pemodelan Di Pltg” sebagai syarat mendapatkan gelar sarjana teknik di Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Banyak pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan skripsi ini. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada :

1. Kepada orangtua dan keluarga tercinta yang selalu memberikan dukungan moral dan material yang tidak tergantikan dalam penyelesaian skripsi ini.

2. Bapak Dr.Ir. A.A Masroeri M.Eng, sebagai kepala Jurusan Teknik Sistem Perkapalan.

3. Bapak Ir. Sardono Sarwito, M.Sc selaku dosen pembimbing skripsi yang telah banyak memberikan bimbingan dan motivasi dalam pengerjaan skrpsi ini hingga selesai

4. Bapak Adi Kurniawan, ST.MT selaku Dosen Pembimbing skripsi yang juga telah memeberikan bimbingan dalam perngerjaan skripsi ini hingga selesai.

5. Bapak Ir. Tjoek Soeprajitno, selaku Dosen Wali yang telah memberikan banyak pengalaman.

6. Riza Anistyawati, Ahmad Hanaf, Faiq farras beserta sahabat – sahabat lain yang selalu memberikan saya motivasi dan bantuan dalam pengerjaan Tugas Akhir.

7. Rekan-rekan Ampibi 11, yang selalu bekerja sama baik dalam pengerjaan tugas akhir ini maupun pengerjaan tugas lainnya

x

sehingga mempermudah saya untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

8. Rekan Rekan di Lab MEAS baik teman seangkatan , senior, lintas jalur dan adik kelas.

9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah ikut memberi ide dan masukan sehingga terselesaikannya laporan ini.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu adanya kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan penulisan selanjutnya. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat menjadi tambahan ilmu dan pedoman untuk melakukan penulisan selanjutnya.

Surabaya, Agustus 2015

Penulis

xi

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN……………………………………..i ABSTRAK………………………………………………………v KATA PENGANTAR………………………………………....ix DAFTAR ISI………………………………………...................xi DAFTAR GAMBAR………………………………………......xv DAFTAR TABEL…….………………………………….......xvii

BAB I PENDAHULUAN…………………………...…….1 1.1 Latar Belakang ........................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah ................................................... 1 1.3 Batasan Masalah ........................................................ 2 1.4 Tujuan Penulisan ....................................................... 2 1.5 Manfaat Tugas Akhir ................................................ 3 I.6 Sistematika Penulisan Skripsi ..................................... 3

BAB II DASAR TEORI..…………………………...…….5 2.1. Oscillating Water Column (OWC) ........................... 5 2.2. Turbin ....................................................................... 8 2.3. Proses Terjadinya Ombak ....................................... 12 2.4. Faktor Yang Mempengaruhi Ombak ....................... 13

2.4.1. Angin ................................................................ 14 2.4.2. Batimetri ........................................................... 14 2.4.3. Refraksi ............................................................ 14 2.3.4. Difraksi ............................................................. 17

xii

2.4.5. Refleksi ............................................................. 18 2.5 Wells Turbin ............................................................ 20

2.5.1. Airfoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) .......................................................... 20 2.5.2. Karakteristik Airfoil ......................................... 22 2.5.3. Macam-macam airfoil ...................................... 27 2.6.1 Perhitungan Gaya Pada Air foil ....................... 31 2.6.2 Perhitungan Energi Gelombang ....................... 34 2.6.2. Perhitungan Daya Gelombang pada OWC ....... 37

BAB III METODOLOGI..………….……………...…...41

3.1. Langkah-langkah Penelitian ................................ 41 3.1.1 Perumusan Masalah ...................................... 41 3.1.2 Studi Literatur .............................................. 42 3.1.3 Penetapan Tujuan Penelitian ........................ 42 3.1.4 Pengumpulan data ........................................ 42 3.1.5 Penentuan Variasi Jumlah Blade Wells Turbin 42 3.1.6 Perhitungan gaya angkat pada masing – masing wells turbin .................................................... 43 3.1.7 Perhitungan Daya Listrik pada Masing – Masing Variasi OWC ................................................. 43 3.1.8 Analisa dan Validasi Hasil Perhitungan dengan ANSYS .......................................................... 43 3.1.8 Kesimpulan dan Saran .................................. 44 3.2. Skema Penelitian ................................................. 45

xiii

BAB IV ANALISA DATA DAN PERMBAHASAN…..46

4.1 Pemodelan OWC ................................................. 47 4.2 Desain Wells Turbin ............................................ 50 4.3 Perhitungan Daya Gelombang ............................ 56 4.4 Perhitungan Daya OWC ....................................... 58 4.5 Perhitungan Daya Pada Wells Turbin .................. 61 4.6 Computational Fluid Dynamics .......................... 71 4.6.1 Pre-Simulasi ..................................................... 71 4.6.2 Simulasi ............................................................. 71

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN..…………...…...80

5.1 Kesimpulan ......................................................... 83 5.2 Saran ................................................................... 83

DAFTAR PUSTAKA……………………………………85

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Sistem Oscillating Water Column ...................... 6 Gambar 2. OWC Tipe Floating ............................................ 7 Gambar 3. OWC Tipe Fixed ................................................ 8 Gambar 4. Sistem Buka tutup Katup masuda ...................... 9 Gambar 5. Sistem Turbin Mc Cormic ................................ 10 Gambar 6. Sistem Turbin Oleh Babinsten dan Filipenco... 10 Gambar 7. wells turbine ..................................................... 11 Gambar 8. Karakteristik Ombak ........................................ 13 Gambar 9. Refraksi gelombang .......................................... 16 Gambar 10. Refraksi di lembah, b Refraksi di Punggungan ............................................................................................ 17 Gambar 11. Difraksi gelombang di belakang rintangan 18 Gambar 12. Refleksi ........................................................... 19 Gambar 13. Refleksi pada dinding vertical ........................ 19 Gambar 14. Prinsip kerja wells turbin ............................... 20 Gambar 15. NACA Airfoil Geometry ................................ 22 Gambar 16. Momentum Mempengaruhi Aliran Udara Pada Airfoil ................................................................................. 24 Gambar 17. Distribusi Tekanan Pada Airfoil ..................... 26 Gambar 18. Gaya Pada Airfoil ........................................... 27 Gambar 19. NACA 0012 .................................................... 28 Gambar 20. Karakteristik NACA 2012 .............................. 33 Gambar 21. Profil Gelombang Beserta Propertinya ........... 34 Gambar 22. Penampang OWC tipe Fixed .......................... 38 Gambar 23. Skema Pengerjaan Skripsi .............................. 45 Gambar 24. Peta Lokasi ..................................................... 47 Gambar 25. penampang melintang kolom OWC ............... 48

file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884924file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884925file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884926file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884926file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884927file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884928file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884929file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884930file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884931file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884932file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884934

xvi

Gambar 26. penampang membujur dari kolom .................. 49 Gambar 27. Pemodelan OWC dengan CAD dari tampak samping .............................................................................. 49 Gambar 28. Pemodelan OWC dengan CAD dari tampak belakang ............................................................................. 50 Gambar 29. Pemodelan Geometri dengan Matlab ............. 51 Gambar 30. Koordinat Geometri NACA 0012 .................. 52 Gambar 31. Pemodelan 3D Wells Turbin A dengan Solidwork ........................................................................... 54 Gambar 32. Pemodelan 3D Wells Turbin B dengan Solidwork ........................................................................... 55 Gambar 33. Pemodelan 3D Wells Turbin B dengan Solidwork ........................................................................... 55 Gambar 34. Karakteristik NACA 2012 .............................. 62 Gambar 35. Grafik perbandingan jumlah blade dengan besar daya (P). ............................................................................. 69 Gambar 36. Perbandingan panjang lengan airfoil wells turbin dengan jumlah blade 9 dan 10 ................................. 70 Gambar 37. Penentuan Domain Kerja dari Simulasi ......... 72 Gambar 38. Penentuan Boundary Condition ...................... 73 Gambar 39. Force Calculator pada Turbin ......................... 75 Gambar 40. Streamline Geometri wells turbin 6 blade ...... 76 Gambar 41. Streamline Geometri wells turbin 8 blade ...... 76 Gambar 42. Streamline Geometri wells turbin 9 blade ...... 77 Gambar 43. Grafik perbandingan daya CFX dgn perhitungan pada wells turbin 8 blade ................................ 79 Gambar 44. Grafik perbandingan daya CFX dgn perhitungan pada wells turbin 9 blade ................................ 81

file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884937file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884937file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884938file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884938file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884939file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884940file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884941file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884941file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884942file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884942file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884943file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884943file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884944file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884945file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884945file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884946file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884946file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884947file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884948file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884949file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884950file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884951file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884952file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884953file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884953file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884954file:///D:/M.Word/kuliah/Semester%208/TA/TA%20Yusron/TA%20Yusron.docx%23_Toc425884954

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Data Gelombang ................................................... 48 Tabel 2. Nilai Koordinat sumbu X, Y dan Z NACA 0012 . 53 Tabel 3. Daya Gelombang .................................................. 57 Tabel 4. Kecepatan Aliran Udara v1 .................................. 59 Tabel 5.Luas Area Permukaan Air pada kolom ................. 60 Tabel 6. Kecepatan aliran udara v2 .................................... 60 Tabel 7. Daya (P) pada Wells Turbin A ............................. 65 Tabel 8. Daya (P) pada Wells Turbin B ............................. 65 Tabel 9. Daya (P) pada Wells Turbin C ............................. 66 Tabel 10. Perbandingan jumlah blade dengan besar daya (P) ............................................................................................ 68 Tabel 11. Hasil simulasi CFX pada Wells turbin 8 blade .. 78 Tabel 12. Hasil simulasi CFX pada wells turbin 9 blade ... 79 Tabel 13. Perbandingan hasil CFX dengan perhitungan pada wells turbin 8 blade ............................................................ 80 Tabel 14. Perbandingan hasil CFX dengan perhitungan pada wells turbin 8 blade ............................................................ 81

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Indonesia yang merupakan negara maritim , yang

mempunyai wilayah perairan, khususnya laut dengan luas kurang lebih tiga kali lipat dari daratan sangatlah berpotensial untuk dijadikan sebagai media pembangkit tenaga listrik dengan memanfaatkan arus laut , ombak , dan perbedaan suhu dari laut tersebut. Pemanfaatan gelombang ini kemudian akan dibuat sebuah pembangkit listrik tenaga listrik tenaga gelombang laut. Oscilating water column merupakan salah satu alat untuk mengkonversi energi ombak laut menjadi energi listrik. Meksnisme kerja dari alat ini adalah dengan naik turunnya gelombang laut akan mendorong udara pada kolom oscilating water column (OWC), yang kemudian akan memutar turbin yang terhubung dengan generator yang kemudian akan menghasilkan aliran listrik. Pembahasan dikhususkan pada pemodelan bentuk turbin yang baru dan variasi jumlah blade pada turbin yang sudah yang bertujuan untuk meningkatkan besarnya efiesiensi kenaikan daya. Sehingga PLTG dengan pemodelan oscilating water column (OWC) ini menjadi pilihan pembangkit listrik yang ada di Indonesia khususnya di daerah pesisiran pantai.

1.2 Perumusan Masalah Pokok Permasalahan yang akan dibahas adalah: 1. Berapa jumlah blade wells turbin yang menghasilkan

daya tertinggi pada oscilating water column (OWC) pemodelan.

2

2. Bagaimana pengaruh jumlah blade pada wells turbin untuk meningkatkan efisiensi pada oscilating water column (OWC) pemodelan untuk PLTGL.

3. Apakah jumlah blade pada wells turbin merupakan faktor – faktor yang mempengaruhi besar kecilnya daya listrik yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik tenaga gelombang menggunakan oscilating water column (OWC).

1.3 Batasan Masalah Batasan permasalahan pada tugas akhir ini antara lain:

1. Pemodelan desain wells turbin dengan diameter tetap 75cm.

2. Pemodelan desain pada wells turbin dengan variasi jumlah blade saja.

3. Wells turbin dengan menggunakan NACA 0012 4. Tidak terdapat variasi ukuran pada kolom oscilating

water column (OWC). 5. Gelombang yang digunakan diasumsikan sama untuk

setiap model dengan acuan data gelombang pada tahun 2011 di daerah Jember Jawa Timur.

6. Simulasi dan desain dilakukan menggunakan program ANSYS

1.4 Tujuan Penulisan Penelitian pada tugas akhir ini bertujuan sebagai berikut :

1. Mengetahui berapa besar peningkatan daya yang dihasilkan dengan variasi jumlah blade wells turbin pada owc pemodelan untuk PLTGL

3

2. Mengetahui jumlah blade wells turbin yang menghasilkan daya tertinggi pada oscilating water column (OWC ) pemodelan.

3. Mengetahui faktor – faktor yang mempengaruhi besar kecilnya daya listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga gelombang laut tipe oscilating water column (OWC).

1.5 Manfaat Tugas Akhir Manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan tugas akhir ini

adalah :

1. Dengan adanya inovasi pemodelan turbin yang diharapkan hasil yang maksimal sehingga PLTG dengan pemodelan owc ini menjadi pilihan pembangkit listrik yang ada di Indonesia khususnya di daerah pesisiran pantai

2. Sebagai studi lanjut tentang inovasi perancangan – perancangan pembangkit listrik tenaga gelombang tipe oscilating water column (OWC).

I.6 Sistematika Penulisan Skripsi

Halaman Judul Lembar Pengesahan Abstrak Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Lampiran

4

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang penulisan, perumusan masalah, pembatasan masalah dan tujuan dari Skripsi

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan.

BAB III METODOLOGI

Pada bab ini akan dibahas metodologi yang digunakan dalam mengerjakan skripsi.

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dibahas pengolahan data, analisa data, perbandingan numerik dengan simulasi serta menyelesaikan permasalahan yang diangkat sebagai topik dalam skripsi dan hasil-hasil yang didapat.

BAB V PENUTUP Bab ini berisi kesimpulan dan saran-saran. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Oscillating Water Column (OWC)

Konversi Energi Gelombang Laut tipe OWC telah banyak diminati oleh para peniliti karena pertimbangan kesederhanaan dan kemudahan dalam mengkonversi energi gelombang laut menjadi energi lain yang lebih berdaya guna. Pertimbangan dasar lainnya karena tipe OWC tidak memiliki komponen konstruksi yang bergerak dibawah air laut yang sangat korosiv. Saat ini sudah ada pembangkit listrik yang dibangkitkan oleh energi gelombang laut. Pembangkit energi gelombang yang banyak dikembangkan adalah jenis Oscillating Water Column (OWC). Sistem pembangkit listrik tersebut terdiri dari air collector chamber berisi udara yang berfungsi untuk menggerakkan turbin, kolom tempat air bergerak naik dan turun melalui saluran yang berada di bawah ponton dan turbin yang terhubung dengan generator. Gerakan air naik dan turun yang seiring dengan gelombang laut menyebabkan udara mengalir melalui saluran menuju turbin. Turbin tersebut didesain untuk bisa bekerja dengan generator putaran dua arah. Sistem yang berfungsi mengkonversi energi mekanik menjadi listrik terletak di atas permukaan laut dan terisolasi dari air laut dengan meletakkannya di dalam ruang khusus kedap air, sehingga bisa dipastikan tidak bersentuhan dengan air laut. [1]

Jenis ini menghasilkan tekanan udara akibat terkena gelombang laut.. Tekanan udara ini kemudian dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin udara yang dikopling dengan genertator listrik. Masalahnya adalah turbin udara harus

6

dapat berputar satu arah meskipun arah tekanan aliran udara bolak-balik. Energi ombak OWC terbentuk melalui efek osilasi tekanan udara pada kolam akibat fluktuasi pergerakan gelombang yang masuk ke dalam chamber. Tekanan udara tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin angin, prinsip kerjanya dapat dilihat pada gambar 1 dibawah :

Gambar 1. Sistem Oscillating Water Column [1]

Pertama pergerakan ombak (1) akan masuk kedalam kolom (2) lalu udara tertekan keatas didalam kolom (3) setelah melewati katub (5) angin yang terkompresi menggerakkan turbin angin (7) yang terhubung dengan generator, yang menkonversikan gerakan turbin menjadi listrik (8). Di Indonesia OWC sudah dibangun di daerah gunung kidul, jawa tengah, sedangkan tipe modelnya dapat dilihat di Technopark Parang racuk, Yogyakarta dikembangkan oleh BPPT, teknologi ini dinamakan PLTO (Pembangkit Listrik Tenaga Ombak) beroperasi

7

dikedalaman 4-10 m dengan rpm maksimal 3000 rpm, listrik yang dihasilkan mencapai 3400 KW. OWC yang sering digunakan terdapat dua tipe, yaitu tipe fixed dan floating, OWC tipe floating merupakan pembangkit listrik tipe Oscillating Water Column yang diletakkan dikedalaman tertentu demi mendapatkan tinggi gelombang yang diinginkan. OWC dengan tipe ini akan lebih membutuhkan biaya dalam menyalurkan energi listrik kedarat. Namun OWC tipe iniakan lebih fleksibel dalam menghadapi pasang surut air laut karena OWC ini berada ditengah laut yang tidak terpengaruh pasang surut air laut.

Gambar 2. OWC Tipe Floating [1]

Untuk OWC tipe fixed adalah Pembangkit listrik tenaga gelombang laut tipe OWC yang ditempatkan dibibir pantai. OWC ini memiliki kelebihan yaitu lebih mudah dalam menyalurkan energi listrik ke darat. Namun OWC tipe ini harus dibuat dengan menyesuaikan ketinggian pasang surut air laut.

8

Gambar 3. OWC Tipe Fixed [1]

2.2. Turbin Turbin udara yang ditemukan sendiri oleh para inventor.

Diantaranya Masuda dari Jepang menggunakan turbin jenis baling-baling dengan beberapa katub pembuka dan penutup. Sedang menggunakan turbin udara yang dapat berputar satu arah dengan alat pengarah aliran udara.

Metode pembangkitan listrik bertenaga gelombang laut tipe owc terutama bagian turbin telah dipatenkan oleh para invensi-invensi terdahulu. Masuda menemukan cara untuk mengkonveri energi tekanan udara yang bolak-balik dengan turbin propeler dan katub buka–tutup.

Bila tekanan udara keatas atau ketika gelombang naik katub kiri bawah akan membuka dan tekanan udara akan memutar turbin dari kira selanjutnya katub kanan atas terbukan dan akan mengeluarkan tekanan udara. Demikian sebaliknya ketika gelombang turun udara akan terhisap melaluli katub atas kiri yang terbukan dan aliran udara akan memutar tubin dari arah sebelah

9

kiri sehingga turbin akan berputar tetap pada arah yang pertama, selanjutnya katub kanan bawak terbuka untuk menghisap tekanan kebawah ( lihat gambar 4) untuk pengunaan katup ini dapat meningkatkan effisiensi dari turbinmenjadi 0,4 – 0,85.

Gambar 4. Sistem Buka tutup Katup masuda [2]

Penemu yang lain adalah McCormik yang mengunakan teknik yang disebut self-rectifying property. Seperti terlihat pada gambar 5 Tekanan udara dialirkan melewati pengarah kekiri sehingga akan memutar sudu turbin bawah yang berlaku sebagai daya rotor utama. Rotor ini selanjutnya akan befungsi sebagai stator yang bergerak untuk daya rotor kedua yang bergerak berlawanan dengan rotor pertama. Demikian juga sebaliknya kalau tekanan udara berbalik arah. Sistim ini telah digunakan dalam kapal eksperimen Kaimei.

10

Gambar 5. Sistem Turbin Mc Cormic [2]

Gambar 6. Sistem Turbin Oleh Babinsten dan Filipenco [2]

Turbin Wells adalah turbin udara bertekanan rendah yang

berputar terus menerus dalam satu arah walaupun arah aliran udara yang melewatinya berubah . turbin ini ditemukan oleh prof. Allan Arthur Wells dari Queen’s University Belfast pada akhir tahun 1970-an. blade pada turbin ini memiliki bentuk aerofoil yang simetris dan juga simetris pada bidang rotasi dan tegak lurus terhadap aliran udara. turbin ini dikembangkan untuk digunakan

11

dalam pembangkit tenaga ombak, di mana permukaan air naik dan turun bergerak dalam ruang kompresi udara menghasilkan aliran udara berosilasi.

Gambar 7. wells turbine [3]

Penggunaan turbin yang bersifat bidirectional ini ditujukan untuk menghindari kebutuhan untuk perawatan system katup yang berfungsi untuk mengatur arah aliran udara. Namun wells turbin memiliki nilai Efisiensi lebih rendah dibandingkan dengan turbin dengan arah aliran udara konstan dan asimetris airfoil. Salah satu alasan untuk efisiensi yang lebih rendah adalah bahwa airfoil simetris memiliki koefisien drag yang lebih tinggi daripada yang asimetris, bahkan dalam kondisi yang optimal. Dalam turbin Wells, airfoil simetris digunakan dengan menggunakan sudut serangan yang tinggi (yaitu, pisau kecepatan / rasio udara kecepatan rendah), seperti yang terjadi selama kecepatan udara maximal dalam aliran. Sebuah sudut tinggi serangan menyebabkan kondisi yang dikenal sebagai kondisi "stall" di mana airfoil kehilangan daya angkat. Efisiensi turbin Wells dalam aliran osilasi mencapai nilai antara 0,4 dan 0,7.

12

2.3. Proses Terjadinya Ombak Gelombang permukaan laut (ombak) adalah gelombang

permukaan yang terjadi di permukaan laut. Peristiwa terjadinya ombak karena adanya waktu dan perbedaan kekuatan penyinaran matahari, serta adanya pengaruh iklim lokasi suatu daerah, maka akan terjadi tekanan udara yang berbeda pada beberapa daerah yang berbeda. Akibat adanya perbedaan tekanan udara ini akan terjadi aliran udara yang bertekanan tingi ke daerah yang bertekanan rendah. Aliran udara ini yang disebut angin. Bila angin melawati suatu daerah lautan terbuka serta bertiup secara terus menerus pada permukaannya, mula – mula akan menyebabkan riak pada permukaan tersebut, dimana makin lama semakin besar. Pada saat ini riak telah menjadi ombak.

Ombak adalah perubahan energi yang sederahana, energi ini telah dimiliki dari permulaan. Sumber Energi ombak terjadi karena empat fenomena :

1. Pergerakan dari permukaan air laut dikarenakan gelombang dengan periode rendah dari energi yang rendah.

2. Angin berhembus di laut yang menghasilkan riak dan ombak teratur

3. Tsunami yang disebabkan gangguan pada akitivitas pergerakan lempengan bumi

4. Gravitasi matahari dan bulan yang mengakibatkan terjadinya ombak.

Karakteristik dari ombak adalah panjang ombak (L), tinggi

ombak (H), dan periode ombak (T). Panjang gelombang (ombak) (L) adalah pengukuran jarak dari beberapa poin pada ombak yang berdekatan. Tinggi ombak (H) adalah jarak vertical dari puncak ke dasar ombak. Periode (T) adaalah waktu yang diambil dari

13

ombak untuk melewati suatu poin. Amplitude (A) adalah jarak dari pergerakan ombak keatas dan kebawah dari level laut. Celerity (C) adalah kecepatan pergerakan dari ombak.

Gambar 8. Karakteristik Ombak [4]

2.4. Faktor Yang Mempengaruhi Ombak Gelombang laut atau yang biasa disebut ombak merupakan

fenomena alam yang tidak dapat diprediksi maupun diatur kemunculannya secara pasti. Namun ombak dapat diprediksi dengan menganalisa factor-faktor yang mempengaruhi kemunculannya tersebut. Beberapa factor utama yang mempengaruhi ombak antara lain sebagai berikut.

14

2.4.1. Angin Angin adalah salah satu faktor yang mempengaruhi

terjadinya ombak, angin mempengaruhi variasi pada tinggi dan periode terjadinya ombak. Ombak teratur (swell) tergantung pada:

a. Kecepatan angin b. Lama angin berhembus (duration) c. Panjang daerah persentuhan angin dengan permukaan air

laut (panjang fetch). Ketiga faktor diatas sangat menentukan tinggi dan periode dari ombak teratur.Jika angin berhembus dengan kecepatan konstan maka ketinggian ombak akan meningkat begitu juga dengan periode dari ombak. Kemudian perjalan ombak teratur dari jarak ratusan meter, karena daerah bangkitan ombak jauh dari pantai. Dalam perjalanannya ketinggian ombak akan berkurang namun periode ombak meningkat. [5]

2.4.2. Batimetri Batimetri berasal dari bahasa Yunani dari kata bati yang

artinya kedalaman dan metri yang artinya ukuran, jadi batimetri adalah ilmu yang mempelajari kedalaman di bawah air dan studi tentang tiga dimensi lantai samudra. Yang di alami ombak saat mendekati pantai, ombak teratur (swell) mengalami perubahan tinggi, panjang gelombang dan kecepatan sesuai dengan keadaan dasar laut dan rintangan – rintangan yang ada di alam, seperti pulau, karang dan lain – lain. Maka ombak tersebut mengalami deformasi gelombang yaitu refraksi, difraksi dan refleksi.

2.4.3. Refraksi Refraksi adalah salah satu deformasi yang dialami ombak

karena adanya pengaruh perubahan kedalaman laut. Pada daerah laut dalam dasar laut tidak mempengaruhi jalannya ombak

15

sedangkan di daerah laut dangkal dan transisi, ombak dipengaruhi oleh dasar laut. Pada daerah laut dangkal dan trasnsisi, jika meninjau pada garis puncak gelombang, bagian dari puncak gelombang yang berada di air yang lebih dangkal akan menjalar dengan kecepatan yang lebih rendah daripada bagian air di yang lebih dalam, fenomena tersebut akan membelokkan garis puncak gelombang dan berusaha akan sejajar dengan garis kontur dasar laut. Fenomena ini dapat di analogikan seperti cahaya yang memasuki dua medium yang berbeda.

Jika cepat rambat gelombang berkurang karena 17 kedalam laut maka panjang gelombang juga berkurang secara linier. Pada puncak gelombang terjadi variasi cepat rambat gelombang yang membentuk sudut tertentu terhadap kontur dasar laut dengan adanya variasi tersebut menyebabkan puncak gelombang membelok dan berusaha sejajar dengan kontur dasar laut. Refraksi menyebabkan perubahan arah gelombang dan akan menghasilkan konvergensi (penguncupan) atau divergensi (penyebaran) energi gelombang dan berpengaruh pada energi gelombang yang sampai di pantai. [5]

16

Gambar 9. Refraksi gelombang [6]

Pada gambar 9 terlihat bahwa garis puncak gelombang

berubah mengikuti kontur dasar laut dan garis pantai. Garis ortogonal gelombang menyebar dalam arah menuju tegak lurus garis kontur. Pada lokasi 1, garis ortogonal gelombang menguncup sedangkan di lokasi 2 garis ortogonal gelombang menyebar. Energi di antara dua garis ortogonal adalah konstan. Pada lokasi 1 energi yang terkandung lebih besar daripada lokasi 2 karena jarak antar garis ortogonal pada lokasi 1 lebih kecil daipada lokasi 2. Jika merancanakan pembangkit listrik energi ombak lokasi 1 lebih cocok 18 daripada lokasi 2 karena energi dari ombak yang dihasilkan besar.

Pada gambar 2.10 bahwa arah ombak datang cenderung untuk mendekati garis normal garis kontur maka ombak cenderung kepunggungan atau menjauhi lembah.

17

Gambar 10. Refraksi di lembah, b Refraksi di Punggungan [5]

Keterangan gambar : e = garis pantai F = garis kontur g = garis puncak ombak

Pada daerah lembah, gambar 10 arah ombak berbelok menuju punggungan maka ombak menyebar. Dengan ombak menyebar mengakibatkan kerapatan dari energi ombak menjadi kecil. Daerah seperti ini disebut daerah divergen. Pada gambar 10 energi ombak jadi terpusat, maka daerah ini disebut daerah konvergen. Pada daerah konvergen ini adalah daerah yang cocok untuk membangun pembangkit listrik energi ombak karena ombak terpusat akan menghasilkan energi ombak yang cukup besar dibandingakan daerah divergen. [6]

2.3.4. Difraksi Jika gelombang yang datang terhalang oleh suatu rintangan,

maka gelombang akan membelok disekitar ujung rintangan dan masuk di daerah terlindungi dibelakangnya. Fenomena ini adalah difraksi gelombang. Pada difraksi terjadi transfer energi dalam arah tegak lurus penjalaran gelombang menuju daerah yang terlindung, jika tidak terjadi difraksi gelombang di belakang

18

rintangan akan tenang. Namun karena adanya difraksi maka daerah tersebut terpengaruh oleh gelombang datangnya. Transfer energi ke daerah terlindungi menyebabkan terbentuknya gelombang di daerah tersebut.

Gambar 11. Difraksi gelombang di belakang rintangan [7]

2.4.5. Refleksi Saat ombak membentur rintangan vertikal, seperti dinding

pantai, energi ombak tersebut akan di serap sebagian oleh dinding pantai jika dinding tersebut keropos. Namun keadaan sebenarnya energi tidak diserap namun dipantulkan ( 20 reflected), maka refleksi adalah pemantulan energi gelombang akibat membentur rintangan.

19

Gambar 12. Refleksi [6]

Ketika mengalami refleksi, energi ombak terurai menjadi

tiga unsur : - Yang diteruskan - Yang direfleksikan - Yang hilang

Tinggi ombak setelah refleksi akan berkurang disbanding dengan tinggi ombak yang akan datang.

Gambar 13. Refleksi pada dinding vertical [8]

20

2.5 Wells Turbin Turbin Wells adalah turbin udara bertekanan rendah yang

berputar terus menerus dalam satu arah walaupun arah aliran udara yang melewatinya berubah . blade pada turbin ini memiliki bentuk aerofoil yang simetris dan juga simetris pada bidang rotasi dan tegak lurus terhadap aliran udara.

2.5.1. Airfoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics)

NACA airfoil adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Geometri airfoil memiliki pengaruh besar

Gambar 14. Prinsip kerja wells turbin [9]

21

terhadap karakteristik aerodinamika dengan parameter penting berupa CL, dan kemudian akan terkait dengan lift (gaya angkat yang dihasilkan).

Hingga sekitar Perang Dunia II, airfoil yang banyak digunakan adalah hasil riset Gottingen. Selama periode ini banyak pengajuan airfoil dilakukan diberbagai negara, namun hasil riset NACA lah yang paling terkemuka. Pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek kelengkungan dan distribusi ketebalan atau thickness serta pengujiannya dilakukan pada bilangan Reynold yang lebih tinggi dibanding yang lain. Hal ini sering dirangkum oleh beberapa parameter seperti: ketebalan maksimum, maksimum bentuk melengkung, posisi max ketebalan, posisi maks bentuk melengkung, dan hidung jari-jari. Seperti terlihat pada gambar 15 suatu airfoil terdiri dari [10]:

Permukaan atas (Upper Surface) Permukaan bawah (Lowerer Surface) Mean camber line adalah tempat kedudukan titik-titik

antara permukaan atas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber line itu sendiri.

Leading edge adalah titik paling depan pada mean camber line, biasanya berbentuk lingkaran dengan jari-jari mendekati 0,02 c.

Trailing edge adalah titik paling belakang pada mean camber line

Camber adalah jarak maksimum antara mean camber line dan garis chord yang diukur tegak lurus terhadap garis chord.

22

Ketebalan (thickness) adalah jarak antara permukaan atas dan permukaan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord.

2.5.2. Karakteristik Airfoil Di terowongan angin atau pada sebuah penerbangan, sebuah

airfoil secara sederhana adalah sebuah objek streamline yang disisipkan pada aliran udara yang bergerak. Jika airfoilnya berbentuk tetesan air maka perubahan kecepatan dan tekanan dari aliran udara yang melewati bagian atas dan bawah akan sama di kedua sisi. Tapi kalau bentuk tetesan air itu dipotong di tengah dengan sama rata, hasilnya adalah sebuah bentuk sederhana airfoil (sayap). Jika airfoil itu dinaikkan (mendongak) maka aliran udara akan menabrak dengan sebuah sudut tertentu (angle of attack), molekul udara yang bergerak melewati permukaan atas akan dipaksa untuk bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan molekul udara yang bergerak di bawah airfoil, hal ini karena molekul di atas harus menjalani jarak yang lebih jauh karena lengkungan dari permukaan yang di atas.

Gambar 15. NACA Airfoil Geometry [10]

23

Pertambahan kecepatan ini mengurangi tekanan di atas airfoil. [10]

Momentum adalah resistansi dari sebuah benda yang bergerak ketika arah dan besar gerakannya diubah. Ketika setiap benda dipaksa untuk bergerak dalam gerakan melingkar, benda tersebut akan memberikan reaksi resistansi dengan arah keluar yang berlawanan dengan pusat putaran. Ini disebut gaya sentrifugal. Seperti pada gambar 16 terlihat ketika partikel udara bergerak dengan arah melengkung AB, gaya sentrifugal cenderung membuangnya ke arah panah antara A dan B, sehingga menyebabkan udara untuk mendesak lebih dari tekanan normal di leading edge-nya airfoil. Tapi setelah partikel udara melewati titik B (titik berbalik arah dari arah lengkungan/kurva) gaya sentrifugal cenderung untuk membuang partikel pada arah panah antara B dan C (menyebabkan berkurangnya tekanan pada airfoil). Efek ini berlaku sampai partikel udara mencapai titik C, titik kedua berbalik arah dari lengkungan aliran udara. Kembali lagi, gaya sentrifugal dibalikkan dan partikel udara cenderung untuk memberi sedikit lebih tekanan dari normal pada trailing edge dari airfoil tersebut, sebagaimana digambarkan dengan panah pendek antara C dan D. [10]

24

Tekanan udara dari permukaan bagian atas airfoil disebarkan

sehingga tekanan lebih besar di leading edge daripada tekanan atmosfir sekitarnya, menyebabkan tahanan yang kuat pada gerakan ke depan, tapi tekanan udara lebih sedikit daripada tekanan atmosfir sekitarnya di sebagian besar permukaan atas (B ke C). Seperti terlihat pada penggunaan teori Bernoulli pada sebuah bejana venturi, pertambahan kecepatan udara pada bagian atas dari airfoil menyebabkan turunnya tekanan. Tekanan yang turun ini adalah salah satu komponen dari total daya angkat. Tapi adalah sebuah kesalahan untuk berasumsi bahwa perbedaan tekanan antara permukaan bagian atas dan bagian bawah tersebut adalah satu-satunya hasil total dari produksi daya angkat. Sebuah tekanan positif dihasilkan karena sifat udara yang mengalir di bawah sayap, terutama pada angle of attack yang tinggi. Tapi ada aspek lain dari aliran udara ini yang harus dipelajari. Pada sebuah titik di dekat leading edge, aliran udara pada hakekatnya sebenarnya berhenti (stagnation point) dan dengan bertahap kecepatannya akan bertambah. Di titik yang sama di trailing edge, kembali lagi aliran udara itu mencapai kecepatan yang sama dengan kecepatan aliran udara di

Gambar 16. Momentum Mempengaruhi Aliran Udara Pada Airfoil [10]

25

permukaan atasnya. Sesuai dengan prinsip Bernoulli, ketika aliran udara makin pelan di bawah sayap, sebuah tekanan positif ke atas terjadi menekan sayap, jika kecepatan fluida berkurang, tekanan harus bertambah.

Pada dasarnya, hal ini hanyalah “memperkuat tekanan positif” karena kejadian ini menambah perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah dari airfoil, sehingga menambah total daya angkat dibandingkan jika tidak ada penambahan tekanan di bagian bawah permukaan. Kedua prinsip Bernoulli dan hukum Newton bekerja jika daya angkat diproduksi oleh sebuah airfoil. Dari percobaan yang dilakukan pada model di terowongan angin sebenarnya, telah diketahui bahwa pada waktu udara mengalir sepanjang permukaan dari sebuah sayap dengan angle of attack yang berbeda-beda, maka ditemukan bagian-bagian sepanjang permukaan di mana tekanannya adalah negatif atau kurang dari tekanan atmosfir dan juga bagian-bagian dengan tekanan positif atau lebih besar dari tekanan atmosfir.

Tekanan negatif pada permukaan atas sayap membuat gaya yang lebih besar dari pada tekanan positif yang mengenai permukaan bawah sayap. Gambar 17 menunjukkan penyebaran tekanan sepanjang airfoil pada 3 angle of attack yang berbeda-beda. Pada umumnya, pada angle of attack yang besar, pusat tekanan (Center of Pressure) pindah ke depan sedangkan pada angle of attack yang kecil pusat tekanan berpindah ke bagian belakang. Dalam rancangan struktur sayap, pergeseran pusat tekanan ini sangat penting, karena mempengaruhi posisi beban udara yang ditanggung oleh sayap pada keadaan angle of attack yang kecil dan angle of attack yang besar.

26

Keseimbangan aerodinamis dan kemampuan kendali diatur oleh perbedaan dari pusat tekanan. Pusat tekanan ditentukn oleh perhitungan dan percobaan di terowongan angin dengan cara memberikan angle of attack yang berbeda-beda pada airfoil di sepanjang jangkauan kerja normal. Pada waktu angle of attack diubah, karakteristik penyebaran tekanan juga berubah.

Gaya tekanan positif (+) dan negatif (–) dijumlahkan pada setiap nilai angle of attack dan didapat resultan hasilnya. Total resultan tekanan diperlihatkan oleh vektor resultan gaya pada gambar 18. [9]

Gambar 17. Distribusi Tekanan Pada Airfoil [10]

27

2.5.3. Macam-macam airfoil NACA Seri 4 Digit

Sekitar tahun 1932, NACA melakukan pengujian beberapa bentuk airfoil yang dikenal dengan NACA seri 4 digit seperti pada gambar 19. Distribusi kelengkungan dan ketebalan NACA seri empat ini diberikan berdasarkan suatu persamaan. Distribusi ini tidak dipilih berdasarkan teori, tetapi diformulasikan berdasarkan pendekatan bentuk sayap yang efektif yang digunakan saat itu, seperti yang dikenal adalah airfoil Clark Y. Pada airfoil NACA seri empat, digit pertama menyatakan persen maksimum camber terhadap chord. Digit kedua menyatakan persepuluh posisi maksimum camber pada chord dari leading edge. Sedangkan dua digit terakhir menyatakan persen ketebalan airfoil terhadap chord. Contoh : airfoil NACA 2412 memiliki maksimum camber 0,02 terletak pada 0,4c dari leading edge dan memiliki ketebalan maksimum 12% chord atau 0,12c. Airfoil

Gambar 18. Gaya Pada Airfoil [9]

28

yang tidak memiliki kelengkungan, dengan camber line dan chord berhimpit disebut airfoil simetrik. Contohnya adalah NACA 0012 yang merupakan airfoil simetrik dengan ketebalan maksimum 0,12c.

NACA Seri 5 Digit

Pengembangan airfoil NACA 5 digit dilakukan sekitar tahun 1935 dengan menggunakan distribusi ketebalan yang sama dengan seri empat digit. Garis kelengkungan rata-rata (mean camber line) seri ini berbeda dibanding seri empat digit. Perubahan ini dilakukan dalam rangka menggeser maksimum camber kedepan sehingga dapat meningkatkan CL maksimum. Jika dibandingkan ketebalan (thickness) dan camber, seri ini memiliki nilai CL maksimum 0,1 hingga 0,2 lebih tinggi dibanding seri empat digit. Sistem penomoran seri lima digit ini berbeda dengan seri empat digit. Pada seri ini, digit pertama dikalikan 3/2 kemudian dibagi sepuluh memberikan nilai desain koefisien lift. Setengah dari dua digit berikutnya merupakan persen posisi maksimum camber terhadap chord. Dua digit terakhir merupakan persen ketebalan terhadap chord. Contohnya,

Gambar 19. NACA 0012 [9]

29

airfoil 23012 memiliki CL desain 0.3, posisi maksimum camber pada 15% chord dari leading edge dan ketebalan sebesar 12% chord. [9]

NACA Seri-1 (Seri 16)

Airfoil NACA seri 1 yang dikembangkan sekitar tahun 1939 merupakan seri pertama yang dikembangkan berdasarkan perhitungan teoritis. Airfoil seri 1 yang paling umum digunakan memiliki lokasi tekanan minimum di 0,6 chord, dan kemudian dikenal sebagai airfoil seri-16. Camber line airfoil ini didesain untuk menghasilkan perbedaan tekanan sepanjang chord yang seragam. Penamaan airfoil seri 1 ini menggunakan lima angka. Misalnya NACA 16-212. Digit pertama menunjukkan seri 1. Digit kedua menunjukkan persepuluh posisi tekanan minimum terhadap chord. Angka dibelakang tanda hubung: angka pertama merupakan persepuluh desain CL dan dua angka terakhir menunjukkan persen maksimum thickness terhadap chord. Jadi NACA 16-212 artinya airfoil seri 1 dengan lokasi tekanan minimum di 0,6 chord dari leading edge, dengan desain CL 0,2 dan thickness maksimum 0,12. [9]

NACA Seri 6

Airfoil NACA seri 6 didesain untuk mendapatkan kombinasi drag, kompresibilitas, dan performa CL maksimum yang sesuai keinginan. Beberapa persyaratan ini saling kontradiktif satu dan lainnya, sehingga tujuan utama desain airfoil ini adalah mendapatkan drag sekecil mungkin. Geometri seri 6 ini diturunkan dengan menggunakan metode teoritik yang telah

30

dikembangkan dengan menggunakan matematika lanjut guna mendapatkan bentuk geometri yang dapat menghasilkan distribusi tekanan sesuai keinginan. Tujuan pendekatan desain ini adalah memperoleh kombinasi thickness dan camber yang dapat memaksimalkan daerah alirah laminer. Dengan demikian maka drag pada daerah CL rendah dapat dikurangi.

Aturan penamaan seri 6 cukup membingungkan dibanding seri lain, diantaranya karena adanya banyak perbedaan variasi yang ada. Contoh yang 10 umum digunakan misalnya NACA 641-212, a = 0,6. Angka 6 di digit pertama menunjukkan seri 6 dan menyatakan family ini didesain untuk aliran laminer yang lebih besar dibanding seri 4 digit maupun 5 digit. Angka 4 menunjukkan lokasi tekanan minimum dalam persepuluh terhadap chord (0,4c). Subskrip 1 mengindikasikan bahwa range drag minimum dicapai pada 0,1 diatas dan dibawah CL desain yaitu 2 dilihat angka 2 setelah tanda hubung. Dua angka terakhir merupakan persen thickness terhadap chord, yaitu 12% atau 0,12. Sedangkan a = 0,6 mengindikasikan persen chord airfoil dengan distribusi tekanannya seragam, dalam contoh ini adalah 60% chord. [11]

NACA Seri 7

Seri 7 merupakan usaha lebih lanjut untuk memaksimalkan daerah aliran laminer diatas suatu airfoil dengan perbedaan lokasi tekanan minimum dipermukaan atas dan bawah. Contohnya adalah NACA 747A315. Angka 7 menunjukkan seri. Angka 4 menunjukkan lokasi tekanan minimum di permukaan atas dalam persepuluh (yaitu 0,4c) dan angka 7 pada digit ketiga menunjukkan lokasi tekanan minimum di permukaan bawah airfoil dalam persepuluh (0,7c). A, sebuah huruf pada digit

31

keempat menunjukkan suatu format distribusi ketebalan dan mean line yang standardisasinya dari NACA seri awal. Angka 3 pada digit kelima menunjukkan CL desain dalam persepuluh (yaitu 0,3) dan dua angka terakhir menunjukkan persen ketebalan maksimum terhadap chord, yaitu 15% atau 0,15. [11]

NACA Seri 8

Airfoil NACA seri 8 didesain untuk penerbangan dengan kecepatan supercritical. Seperti halnya seri sebelumnya, seri ini didesain dengan tujuan memaksimalkan daerah aliran laminer di permukaan atas permukaan bawah secara independen. Sistem penamaannya sama dengan seri 7, hanya saja digit pertamanya adalah 8 yang menunjukkan serinya. Contohnya adalah NACA 835A216 adalah airfoil NACA seri 8 dengan lokasi tekanan minimum di permukaan atas ada pada 0,3c, lokasi tekanan minimum di permukaan bawah ada pada 0,5c, memiliki CL desain 2 dan ketebalan atau thickness maksimum 0,16c. [13]

2.6 Dasar Teori

2.6.1 Perhitungan Gaya Pada Air foil Kualitas unjuk kerja dari sudu-sudu yang airfoil ini biasanya

dinyatakan dalam harga koefisien gaya drag (CD) dan gaya lift (CL). Gaya lift adalah gaya yang arahnya tegak lurus aliran yang mengenai suatu bentuk airfoil. Gaya drag adalah gaya yang sejajar dengan aliran fluida yang mengenai suatu bentuk airfoil. Besarnya masing-masing gaya tersebut adalah:

(2.1)

(2.2)

32

Fl = gaya lift ( gaya angkat ) (N) Fd = gaya drag ( gaya seret ) (N) ρ = massa jenis udara (kg/m3) V = Kecepatan angin (m/s) Ap = Plan View Area (m2) Cl = koefisien gaya angkat Cd = koefisien gaya hambat

33

Gambar 20. Karakteristik NACA 2012 [13]

34

2.6.2 Perhitungan Energi Gelombang Untuk mengetahi daya yang terdapat pada gelombang, maka

pertama harus mengetahui energi gelombang yang tersedia. Energi gelombang total adalah jumlah dari enrgi kinetic dan energi potensial. Energi potensial dapat diformulasikan sebagai berikut:

(2.3)

Dengan : PE = energi potensial (J) m = massa gelombang (kg) g = gaya gravitasi (m/s2) y = y(x,t) = tinggi dari dasar laut ke

permuakaan (d+η) [34]

Gambar 21. Profil Gelombang Beserta Propertinya [13]

35

Keterangan Gambar: λ = panjang gelombang h = tinggi gelombang d = kedalaman SWL = sea water level η = amplitude gelombang c = kecepatan gelombang

Menghitung energi potensial setelah satu periode dapat mengasumsikan gelombang hanya dalam fungsi x dan waktu yang bebas, yaitu: y(x,t) = y(x). Sehingga :

dPE = 0.5 wρa2sin2(kx-ωt)dx (2.4)

∫

∫

(2.5)

[13]

Mempertimbangkan k =

dan ω =

maka diperoleh :

PE = (2.6)

Total energi kinetik setelah satu periode adalah hasil total energi potensial. KE =

(2.7)

Sehingga total energi setelah satu periode Adalah Ew = PE + KE =

(2.8)

36

[13] Setelah ketentuan energi diperoleh, dapat juga

menambahkan parameter jumlah yang lain, seperti densitas energi, yang tersedia pada daya dan densitas respektif. Energy density : EWD =

=

ρga2 (2.9)

Power : PW =

(2.10)

Power Density : PWD =

=

(2.11)

Sekarang dipertimbangkan kedalaman air, sehingga persamaannya menjadi :

(

)

(2.12)

Diterapkan λ =1.56T2 pada persamaan energi dan daya diatas.

EW = 0.78wρga2T2 (2.13)

PW =

T (2.14)

[13]

Akhirnya, jika menggunakan tinggi gelombang daripada amplitudo gelombang, didapat:

EW = 0.195wρgh2T2 (2.15)

37

EWD =

ρga2 (2.16)

PW = 0.195wρgh2T (2.17)

PWD =

(2.18)

[13]

Dengan : KE = energi kinetic (J) ρ = densitas air (kg/m3) w = lebar gelombang diasumsikan sama dengan lebar

kolom (m) a = Amplitudo gelombang h/2 atau η (m) Ew = energi total (J) Pw = daya (W) K = koefisien gelombang 2π/λ ω = kecepatan sudut gelombang 2π/T (rad/sec) T = periode gelombang (sec) H = tinggi gelombang (m)

2.6.2. Perhitungan Daya Gelombang pada OWC Dalam penelitian ini menggunakan T dan H sebagai

parameter. Densitas air (ρ) dan gravitasi konstan (g) dan tanpa kehilangan akurasi dapat mengambil nilai-nilai 1,025 kg/m3 dan 9,81 m/sec2. Lebar gelombang (w) dapat dianggap sama dengan lebar kolom. Sehingg, EW, EWD,PW dan PWD dapat dengan mudah dihitung dengan menggunakan rumus diatas.

38

Keterangan Gambar 1 : front wall 2 : sea water entrance 3 : kolom udara 4 : orifice & turbine

Untuk memeriksa efisiensi system OWC, maka perlu menghitung daya pada ujung atas saluran. Titik ini sebenarnya adalah titik terakhir sebelum turbin. Hal ini sangat penting untuk mengetahui efisiensi koefisien antara ruang dan saluran. Jika ingin merancang sebuah system OWC, kita harus mengoptimalkan ruang saluran bagian pertama. dalam menghitung kekuatan, menggunakan nilai eksperimental untuk tekanan dan kecepatan aliran pada saat itu. Persamaan bernouli memberikan tekanan total. Pertama, tekanan statis yang merupakan tekanan diferensial pada titik tersebut. Kami mengangggap tekanan ini menjadi perbedaan antara mean dan minimum dari tekanan yang diukur.

Yang kedua adalah tekanan dinamis yang merupakan fungsi kuadarat dari kecepatan aliran udara dan densitas udara. Jumlah dari tekanan statis dan dinamis ini memberikan tekanan total pada titik tersebut. Daya masing-masing akan menjadi

Gambar 22. Penampang OWC tipe Fixed [13]

39

produk dari tekanan kali kecepatan aliran udara kali luas penampang melintang pada saat itu. Prosedur diatas didefinisikan oleh rumus bernitas berikut :

Pu = (2.19)

Dengan : Pu = Daya pada OWC (Watt) p2 = Tekanan udara pada Orifice (Pa) p0 = Tekanan udara diluar sistem (Pa) v1= kecepatan udara pada kolom OWC (m/sec) A1= Area kolom OWC (m2) [13] Untuk menghitung daya yang keluar dari OWC menggunakan rumus Bernitas di atas sebelumnya diperlukan parameter-parameter yang lain. Ada beberapa tahapan untuk mendapatkannya, yaitu:

1. mengitung panjang gelombang.

(2.20)

2. menghitung frekuensi di dalam kolom

(2.21)

3. menghitung kecepatan sudut dari gelombang (2.22)

4. menghitung kecepatan aliran udara sekitar kolom

(2.23)

5. menghitung aliran udara pada orifice

(2.24)

6. menghitung tekanan pada orifice

40

a. menghitung debit udara Q1 = v1A1 (2.25) Q1 = v2A2 (2.26) b. menghitung potensial kecepatan

(2.27)

(

)

(2.28) c. tekanan pada orifice

(

)

(2.29)

[13] Dengan : λ = panjang gelombang (m)

g = gaya gravitasi (m/s2) T = periode gelombang (sec) v1 = kecepatan aliran udara sekitar kolom OWC

(m/sec) = frekuensi resonansi putaran pada area kolom

(Hz) = kecepatan sudut gelombang pada area kolom

(rad/s) v2 = kecepatan aliran udara pada orifice (m/sec) A1 = Area kolom OWC (m2) A2 = Area kolom orifice (m2) Q1 = debit air pada kolom OWC (m3/sec) Q2 = debit udara pada orifice (m3/sec) φ1 = potensial kecepatan pada kolom OWC

(rad.m/sec) φ2 = potensial kecepatan pada orifice (rad.m/sec)

41

BAB III METODOLOGI

3.1. Langkah-langkah Penelitian Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian yang ini adalah sebagai berikut:

1. Perumusan Masalah. 2. Studi Literatur 3. Penetapan Tujuan Penelitian 4. Pengumpulan Data 5. Penentuan Variasi Jumlah Blade Wells Turbin 6. Perhitungan gaya angkat pada masing – masing wells

turbin 7. Perhitungan daya listrik pada masing – masing variasi

OWC 8. Analisa dan validasi hasil perhitungan dengan ANSYS 9. Kesimpulan dan Saran

3.1.1 Perumusan Masalah Pada tahap ini dilakukan penentuan permasalahan yang

akan dibahas dalam tugas akhir ini yaitu apa saja factor – factor yang mempengaruhi effisiensi dari OWC dengan mensimulasikan beberapa variasi jumlah blade dari wells turbin untuk mengetahui seberapa besar naiknya daya yang dihasilkan dan sebagai acuan bentuk wells turbin yang effisien untuk OWC pemodelan pada PLTG.

42

3.1.2 Studi Literatur Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data dan informasi

dengan mencari, mempelajari serta memahami paper, jurnal dan buku-buku yang berkaitan dengan tema tugas akhir. Terutama melakukan tinjauan pustaka tentang OWC baik bentuk, dimensi, cara kerja dan faktor – faktor yang mempengaruhi efisiensi dari OWC itu sendiri.

3.1.3 Penetapan Tujuan Penelitian

Pada tahap ini ditetapkan tujuan dari penelitian ini adalah

meningkatkan besarnya daya yang dapat dihasilkan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut tipe OWC dengan memnggunakan beberapa variasi pemodelan wells turbin.

3.1.4 Pengumpulan data

Pada tahapan ini dilakukan pencarian data dengan melakukan pengumpulan data dari tugas akhir sebelumnya, adapun data yang akan ditentukan adalah data angin, gelombang, batimetri dan penentuan variasi dimensi kolom yang paling efisien dari hasil perhitungan tugas akhir sebelumnya untuk diterapkan pada tugas akhir ini.

3.1.5 Penentuan Variasi Jumlah Blade Wells Turbin Pada tahap ini membuat desain sebuah wells turbin dengan tiga variasi jumlah blade yakni,

43

1. Wells Turbin pertama dengan 6 blade, diameter tetap yaitu 85 cm

2. Wells Turbin kedua dengan 7 blade, diameter tetap yaitu 85 cm

3. Wells Turbin ketiga dengan 8 blade, diameter tetap yaitu 85 cm

3.1.6 Perhitungan gaya angkat pada masing – masing wells turbin

Pada tahap ini dilakukan perhitungan gaya angkat pada masing – masing variasi wells turbin yang telah ditentukan adapun tujuan dari perhitungan ini ialah untuk mencari kesimpulan sementara dari besarnya gaya dan torsi yang dihasilkan oleh masing –masing wells turbin sebelum di aplikasikan ke perhitungan OWC.

3.1.7 Perhitungan Daya Listrik pada Masing – Masing Variasi OWC

Pada tahap ini dilakukan perhitungan daya listrik OWC dengan berbagai variasi wells turbin yang dihasilkan dalam satu tahun yakni pada tahun 2014, dengan menggunakan data dari PPOL untuk tinggi gelombang laut di daerah Tuban, Jawa Tengah yang merupakan data dari tugas akhir sebelumnya.

3.1.8 Analisa dan Validasi Hasil Perhitungan dengan ANSYS

Pada tahap ini bertujuan untuk menganalisa hasil perhitungan sebagai landasan dalam pengambilan kesimpulan dan menvalidasikannya dengan program ANSYS sebagai metode lain

44

untuk memperkuat hasil percobaan atau konsistensi dari hasil perhitungan.

3.1.8 Kesimpulan dan Saran Pada tahap ini akan disimpulkan hasil penelitian yaitu

daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga gelombang laut tipe OWC di pantai Bandealit. Dari kesimpulan yang diperoleh akan ditentukan saran yang dapat mendukung penelitian ini agar dapat dikembangkan lebih baik lagi.

45

3.2. Skema Penelitian Secara skematis, tugas akhir ini dilakukan dalam tahapan-

tahapan berikut :

Tidak

Gambar 1. Skema Pengerjaan Skripsi

Mulai

Studi Literatur

Data Gelombang, batimetri dan

penentuan ukuran volume

kolomOWC Menentukan diameter

dan variasi wells turbin

Menentukan besarnya gaya angkat pada wells turbin

dengan jumlah blade 4

Menghitung daya listrik pada masing-masing variasi OWC

Analisa dan validasi hasil perhitungan dengan ANSYS

Kesimpulan Saran dan Pembuatan Laporan

Selesai

Menentukan besarnya gaya angkat pada wells turbin

dengan jumlah blade 6

Menentukan besarnya gaya angkat pada wells turbin

dengan jumlah blade 8

46

Halaman ini sengaja dikosongkan

47

BAB IV

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Pemodelan OWC

Pantai Bandealit terletak di Desa Tempurejo Kecamatan Ambulu, kabupaten Jember, Jawa Timur. Pantai Bandealit terletak di bagian selatan yang berbatasan langsung dengan Samudra Hindia. Pantai Bandealit ini berada pada garis lintang dan bujur sebagai berikut: 8.51oS - 113.70oT.

Berdasarkan dari data gelombang yang diperoleh dari

BMKG, data rata-rata ketinggian gelombang di wilayah tersebut pada tahun 2011 adalah:

Gambar 1. Peta Lokasi [13]

48

Tabel 1. Data Gelombang

No

bulan tahun Wind Spd

(knot)

H Tot (m)

T (s)

1 januari 2011 6.4 1.1 5.0 2 februari 2011 7.3 1.0 4.7 3 maret 2011 5.9 0.7 4.3 4 april 2011 4.4 0.6 4.2 5 mei 2011 5.3 0.7 4.5 6 juni 2011 7.8 0.8 4.4 7 juli 2011 7.5 0.8 4.3 8 agustus 2011 7.4 0.7 4.1 9 september 2011 6.2 0.7 4.2

10 oktober 2011 5.2 0.6 4.0 11 november 2011 3.7 0.6 4.3 12 desember 2011 4.2 0.6 4.2

berdasarkan referensi pada ISLAY LIMPET WAVE POWER PLANT, desain kolom yang digunakan memiliki 3 kolom dengan penampang seperti berikut:

Gambar 2. penampang melintang kolom OWC [16]

49

Gambar 3. penampang membujur dari kolom [16]

Dengan menggunakan desain kolom seperti gambar 25

dan 26, dimensi dari kolom tersebut dapat divariasikan dengan lebar tiap kolom dengan ukuran 2m, 3m dan 4m. dari desain diatas maka dilakukan pemodelan dengan menggunakan CAD sebagai berikut:

Gambar 4. Pemodelan OWC dengan CAD dari tampak samping

50

4.2 Desain Wells Turbin Spesifikasi Wells Turbin Adapun spesifikasi wells turbin yang akan didesain adalah sebagai berikut. 1. Wells Turbin A Type NACA Series 4 Digit 0012 Number of Blade : 4 Blade Chord : 12 cm Diameter : 75 cm

2. Wells Turbin B Type NACA Series 4 Digit 0012 Number of Blade : 6 Blade Chord : 12 cm Diameter : 75 cm

Gambar 5. Pemodelan OWC dengan CAD dari tampak belakang

51

3. Wells Turbin C Type NACA Series 4 Digit 0012 Number of Blade : 8 Blade Chord : 12 cm Diameter : 75 cm

a. Pemodelan dengan Matlab Model dari airfoil wells turbin yang digunakan pada

blade digambar dengan menggunakan bantuan software Matlab. Penggunaan software matlab berfungsi untuk membentuk koordinat-koordinat dari airfoil blade turbin. Matlab digunakan dalam pemodelan ini karena software ini dapat mengubah persamaan yang dirumuskan oleh NACA menjadi gambar geometri airfoil yang sesuai dengan standar NACA Airfoil. Hasil dari penggunaan software matlab berupa titik koordinat yang dapat digambar di Solidwork pada saat penggambaran 3 dimensi.

Gambar 6. Pemodelan Geometri dengan Matlab

52

Dari gambar 29, yang merupakan gambar koordinat dari NACA 0012 kita dapat mengambil data yaitu nilai dari yu2,yl2,xu2 dan xl2, merupakan nilai dari sumbu X dan Y.

Gambar 7. Koordinat Geometri NACA 0012

53

Tabel 2. Nilai Koordinat sumbu X, Y dan Z NACA 0012

x Y z

0 0.000151 0 0.01 0.001486 0 0.02 0.002696 0 0.03 0.003792 0 0.04 0.004776 0 0.05 0.005638 0 0.06 0.006353 0 0.07 0.006884 0 0.08 0.007173 0 0.09 0.007129 0 0.1 0.006601 0

0.11 0.005251 0 0.12 0 0 0.11 -0.00525 0 0.1 -0.0066 0

0.09 -0.00713 0 0.08 -0.00717 0 0.07 -0.00688 0 0.06 -0.00635 0 0.05 -0.00564 0 0.04 -0.00478 0 0.03 -0.00379 0 0.02 -0.0027 0 0.01 -0.00149 0

0 -0.00015 0

54

b. Pemodelan 3 dimensi dengan Solidwork

Penggambaran seluruh bentuk dari wells turbin digambar dalam software Solidwork agar nantinya dapat dianalisa dengan Ansys-CFD. Koordinat titik yang telah didapatkan di Matlab sebelumnya dapat langsung diimport dengan software Solidwork sehingga dari gambar geometry langsung dapat digambar ke model 3 dimensi dari bentuk wells turbin. Pertimbangan memilih penggambaran menggunakan Solidwork dikarenakan dapat menggunakan penggambaran koordinat titik yang lebih banyak daripada CFD lainnya.

Gambar 8. Pemodelan 3D Wells Turbin A dengan Solidwork

55

Gambar 9. Pemodelan 3D Wells Turbin B dengan Solidwork

Gambar 10. Pemodelan 3D Wells Turbin B dengan Solidwork

56

4.3 Perhitungan Daya Gelombang Dengan data gelombang diatas maka dapat diketahui energi yang dihasilkan oleh gelombang yang masuk kedalam kolom dengan menggunakan rumus pada persamaan 4.1 sebagai berikut : EW = 0.195wρgh2T2 (4.1) Dimana : w = lebar kolom (m)

ρ = massa jenis air laut (kg/m3)

g = gaya gravitasi (m/s3)

h = tinggi gelombang (m)

T = Periode gelombang (s)

Sehingga diperoleh energi gelombang pada lebar kolom

4 m. Dari data Energi gelombang yang terserap oleh kolom OWC diatas maka daya gelombang pada kolom OWC dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (4.2) yaitu:

Power : PW =

x 10-3 (4.2)

Dimana : Pw = Daya gelombang pada kolom (kW)

Ew = Energi Gelombang pada Kolom (J)

T = Periode gelombang (s)

Sehingga diperoleh daya gelombang pada lebar kolom 2 m, 3m dan 4 m adalah :

57

Tabel 3. Daya Gelombang

No bulan tahun H Tot (m)

T (s) Pw

(KW) w= 4m

1 januari 2011 1.1 5 33.8 2 februari 2011 1 4.7 26.6 3 maret 2011 0.7 4.3 12.5 4 april 2011 0.6 4.2 8.7 5 mei 2011 0.7 4.5 14.1 6 juni 2011 0.8 4.4 16.6 7 juli 2011 0.8 4.3 14.3 8 agustus 2011 0.7 4.1 12.4 9 september 2011 0.7 4.2 13.6

10 oktober 2011 0.6 4 8.1 11 november 2011 0.6 4.3 10.3 12 desember 2011 0.6 4.2 9.2

Dari tabel 4.3, terlihat dengan tinggi ombak (H), periode

(T) yang sama namun dimensi kolom yang berbeda akan mengakibatkan turunnya daya ombak pada kolom pembangkit. Turunnya daya ombak yang diakibatkan semakin kecilnya lebar dari pembangkit. Lebar pembangkit dalam hal ini sebagai kolektor ombak laut. Semakin sempit kolektor maka ombak yang ditangkap oleh pembangkit juga semakin kecil.

58

4.4 Perhitungan Daya OWC Setelah menghitung daya gelombang pada kolom OWC

selanjutnya dilakukan perhitungan daya output dari kolom tersebut. Hal ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi dari OWC. Untuk itu, maka diperlukan perhitungan untuk mengetahui kecepatan udara dalam OWC (v1) seperti pada persamaan 4.3 yaitu:

(4.3)

dimana Dimana

= 0.2 Hz Sehingga ) Sehingga didapatkan v1 pada tinggi gelombang rata-rata yang tertinggi yaitu pada bulan januari yaitu 1.1 m :

m/s

59

Dengan hasil persamaan diatas yang berupa persamaan sinusoidal berarti kecepatan aliran udara v1 akan berubah-ubah menurut nilai dari nilai (t). dalam table berikut akan ditampilkan nilai dari v1 terhadap t. Tabel 4. Kecepatan Aliran Udara v1

t (s)

ωt (o) sin(ωt) v1 (m/s)

0.0 0.00 0.00 0.00 0.4 28.80 0.48 -0.33 0.8 57.60 0.84 -0.58 1.2 86.40 1.00 -0.69 1.6 115.20 0.90 -0.63 2.0 144.00 0.59 -0.41 2.4 172.80 0.13 -0.09 2.8 201.60 -0.37 0.25 3.2 230.40 -0.77 0.53 3.6 259.20 -0.98 0.68 4.0 288.00 -0.95 0.66 4.4 316.80 -0.68 0.47 4.8 345.60 -0.25 0.17 5.2 374.40 0.25 -0.17 5.6 403.20 0.68 -0.47 6.0 432.00 0.95 -0.66

dari hasil perhitungan dari nilai kecepatan aliran udara pada kolom OWC (v1) maka dapat dilakukan perhitungan kecepatan aliran udara pada kolom orifice (v2) yaitu dengan persamaan 4.4 yaitu :

60

(4.4)

Dengan kemiringan kolom sebesar 60o terhadap horizontal, maka perhitungan luas area kolom A1 dilakukan pada model pada autoCAD. Sehingga didapat luas area kolom (A1) pada OWC adalah sebagai berikut : Tabel 5.Luas Area Permukaan Air pada kolom

Luas Area Orifice A2

Luas Area Kolom OWC A1 (m2)

(m2) Lebar kolom =4m

1.32 73.08

Dari data luasan area kolom diatas maka didapatkan kapasitas dan kecepatan aliran udara yang melalui orifice. Berikut ini merupakan table yang menampilkan kecepatan udara (v1) berdasarkan waktu (t)

Tabel 6. Kecepatan aliran udara v2

t (s) v1 (m/s) v2 (m/s) w=4m

0 0 0 0.4 -0.332892 -13.3397 0.8 -0.583431 -23.3793 1.2 -0.689636 -27.6352 1.6 -0.625235 -25.0545

2 -0.40616 -16.2757

61

2.4 -0.086605 -3.47046 2.8 0.254374 10.19331 3.2 0.532425 21.33538 3.6 0.67876 27.19937

4 0.65718 26.3346 4.4 0.473022 18.95499 4.8 0.171845 6.886181 5.2 -0.171845 -6.88618 5.6 -0.473022 -18.955

6 -0.65718 -26.3346

4.5 Perhitungan Daya Pada Wells Turbin Setelah menghitung daya pada kolom OWC kemudian

diketahui kecepatan udara pada kolom tersebut . kecepatan udara ini perlu diketahui untuk menghitung besarnya gaya(F) yang berada pada masing – masing wells turbin selanjutnya dilakukan perhitungan daya output dari kolom tersebut. maka diperlukan perhitungan untuk mengetahui besarnya gaya(F) seperti pada persamaan 4.5 dan 4.6 yaitu:

(4.5)

(4.6)

Fl = gaya lift ( gaya angkat ) (N)

Fd = gaya drag ( gaya seret ) (N)

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

V = Kecepatan angin (m/s)

62

Ap = Plan View Area (m2)

Cl = koefisien gaya angkat

Cd = koefisien gaya dorong

Gambar 11. Karakteristik NACA 2012

63

Dari gambar 34, dapat dilihat bahwa penentuan koefisien gaya angkat (Cl) dan koefisien gaya dorong (Cd) berdasarkan grafik karakteristik NACA 0012, penentuan besarnya nilai koefisien gaya angkat (Cl) dan koefisien gaya dorong (Cd) juga ditentukan oleh sudut serang yang bekerja pada airfoil, pada perhitungan ini ditentukan sudut serang sebesar 18o dengan efisiensi terbesar pada NACA 0012. Maka dapat ditentukan dengan sudut serang 18o besar nilai koefisien gaya angkat (Cl) = 1.25 dan koefisien gaya dorong (Cd) = 0.12.

Dengan ditentutkannya nilai koefisien gaya angkat (Cl) = 1.25 dan koefisien gaya dorong (Cd) = 0.12 maka besarnya gaya Fl dan Fd pada wells turbin dapat ditentukan dengan persamaan

dengan variasi kecepatan sebesar 10 m/s,15

m/s, 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s, 35 m/s dan 40 m/s. Kedua gaya Fl dan Fd adalah gaya angkat dan gaya dorong

yang dihasilkan oleh airfoil dalam artian satu airfoil menghasilkan dua gaya, tetapi pada perhitungan gaya (F) pada wells turbin hanya dibutuhkan satu gaya (F) saja. Maka Persamaan yang dapat digunakan sebagai berikut :

F = (Fl x Sin18) – ( Fd x Cos18) (4.7) Dimana : F = Gaya Pada Wells Turbin (N) Fl = Gaya Angkat (N) Fd = Gaya Dorong (N) 18o sudut serang yang bekerja pada airfoil

Dari persamaan 4.7, maka gaya (F) dapat diketahui dengan diketahuinya gaya (F) yang bekerja pada wells turbin maka Torsi

64

yang bekerja pada wells turbin juga dapat kita ketahui dengan persamaan 4.8, sebagai berikut :

T = F x R (4.8) Dimana: T = Torsi (Nm) F = Gaya Putar (N) R = Panjang Lengan (m) P = T x rpm (4.9) P = T x ω x 30/3.14 P = T x v/R x 30/3.14

Maka didapatkan daya (P) dengan kecepatan aliran udara yang melalui orifice sebesar 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s, 35 m/s dan 40 m/s. Berikut tabel 7 , 8 dan 9 hasil perhitungan daya (P) blade berdasarkan kecepatan (V).

65

Tabel 7. Daya (P) pada Wells Turbin A

Tabel 8. Daya (P) pada Wells Turbin B

R (m) P (watt)

T (Nm)

ω (rad/s) RPM F (N) L D CL CD

sin 18

cos 18 A sudut

v (m/s)

0.425 17.51 0.74 23.53 224.80 0.44 2.01 0.19 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 10 0.425 59.11 1.67 35.29 337.20 0.99 4.52 0.43 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 15 0.425 140.11 2.98 47.06 449.61 1.75 8.04 0.77 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 20 0.425 273.65 4.65 58.82 562.01 2.74 12.57 1.21 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 25 0.425 472.86 6.70 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 30 0.425 750.89 9.12 82.35 786.81 5.36 24.64 2.36 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 35 0.425 1120.86 11.91 94.12 899.21 7.01 32.18 3.09 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 40

R (m) P (watt)

T (Nm)

ω (rad/s) RPM F (N) L D CL CD

sin 18

cos 18 A sudut

v (m/s)

0.425 26.27 1.12 23.53 224.80 0.44 2.01 0.19 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 10 0.425 88.66 2.51 35.29 337.20 0.99 4.52 0.43 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 15 0.425 210.16 4.47 47.06 449.61 1.75 8.04 0.77 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 20 0.425 410.47 6.98 58.82 562.01 2.74 12.57 1.21 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 25 0.425 709.30 10.05 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 30 0.425 1126.34 13.68 82.35 786.81 5.36 24.64 2.36 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 35 0.425 1681.29 17.86 94.12 899.21 7.01 32.18 3.09 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 40

66

Tabel 9. Daya (P) pada Wells Turbin C

R (m) P (watt) T (Nm) ω

(rad/s) RPM F (N) L D CL CD sin 19 cos 19 A sudut

v (m/s)

0.425 35.03 1.49 23.53 224.80 0.44 2.01 0.19 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 10 0.425 118.22 3.35 35.29 337.20 0.99 4.52 0.43 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 15 0.425 280.22 5.95 47.06 449.61 1.75 8.04 0.77 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 20 0.425 547.30 9.30 58.82 562.01 2.74 12.57 1.21 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 25 0.425 945.73 13.40 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 30 0.425 1501.78 18.24 82.35 786.81 5.36 24.64 2.36 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 35 0.425 2241.72 23.82 94.12 899.21 7.01 32.18 3.09 1.25 0.12 0.31 0.95 0.03 18 40

67

Dari hasil perhitungan antara wells turbin A, B dan C

terlihat jelas bahwa daya terbesar dihasilkan oleh wells turbin C hal ini dikarekanan, jumlah blade sangat berpengaruh pada daya wells turbin. Wells turbin A, (v = 40 m/s, P=1120.86watt), wells turbin B (v = 40 m/s, P=1681.29 watt), wells turbin C (v = 40 m/s, P=2241.72 watt) hal dikarenakan jumlah blade yang lebih banyak akan memperngaruh besar torsi pada masing – masing blade yang dikalikan dengan jumlah blade blade pada wells turbin, yang berpengaruh pada besar daya (P).

Sesuai dengan analisa diatas bahwa, jumlah blade

berpengaruh dengan besar torsi pada wells turbin dengan semakin banyak jumlah blade maka semakin besar torsi yang di hasilkan, maka dari itu dicoba perhitungan wells turbin dengan jumlah sebanyak 4 – 14 blade wells turbin dengan menggunakan kecepatan (v) rata – rata yaitu 30 m/s dan hasil yang didapatkan pada tabel 10, seperti berikut:

68

Tabel 10. Perbandingan jumlah blade dengan besar daya (P)

blade R

(m) P (watt) T

(Nm) ω (rad/s) RPM F

(N) L D CL CD sin 19

cos 19 A sudut

v (m/s)

4 0.425 472.86 6.70 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0262 18 30

5 0.425 591.08 8.37 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0262 18 30

6 0.425 709.30 10.05 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0262 18 30

7 0.425 827.51 11.72 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0262 18 30

8 0.425 945.73 13.40 70.59 674.41 3.94 18.10 1.74 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0262 18 30

9 0.425 1063.94 15.07 70.59 674.41 3.61 16.56 1.59 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0239 18 30

10 0.425 980.89 13.90 70.59 674.41 3.27 15.01 1.44 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0217 18 30

11 0.425 966.33 13.69 70.59 674.41 2.93 13.45 1.29 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0194 18 30

12 0.425 931.19 13.19 70.59 674.41 2.59 11.88 1.14 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0172 18 30

13 0.425 875.56 12.40 70.59 674.41 2.25 10.31 0.99 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0149 18 30

14 0.425 799.42 11.33 70.59 674.41 1.90 8.74 0.84 1.25 0.12 0.309 0.95 0.0126 18 30

69

Dari grafik 1 dapat dianalisa bahwa daya terbesar dapat di hasilkan dengan besar kecepatan udara konstan (V=30m/s) yakni pada well turbin dengan jumlah blade 9 (P= 1063.94 watt) kemudian pada wells turbin dengan jumlah blade 10 daya semkain menurun berangsur – angsur sampai pada wells turbin pada jumlah 14. Hal ini disebabkan oleh semakin banyak jumlah blade maka torsi semakin besar tapi gaya (F) yang dihasilkan oleh tiap blade akan semakin kecil. Merujuk pada persamaan

dimana (A) adalah luasan

dari perkalian panjang chord dengan panjang air foil.

472.86

591.08

709.30

827.51

945.73

1063.94 980.89 966.33 931.19

875.56 799.42

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Day

a (w

att)

Jumlah blade wells turbin

Gambar 12. Grafik perbandingan jumlah blade dengan besar daya (P).

70

Dari gambar 35, dapat dianalisa bahwa panjang lengan

airfoil pada wells turbin dengan jumlah blade 9 lebih panjang dari panjang lengan air foil wells turbin dengan jumlah blade 10, hal ini dipengaruhi oleh banyaknya blade yang mempengaruhi panjang lengan airfoil, dari persamaan ini

terlihat jelas bahwa besar gaya sangat

dipengaruhi oleh luasan (A) dimana A = L air foil x L Chord, jadi kesimpulannya semakin banyak jumlah blade maka semakin kecil luasan (A) yang dimiliki oleh airfoil tersebut, walaupun jumlah blade sangat memengaruhi besar Torsi namun juga memengaruhi panjang lengan airfoil.

Gambar 13. Perbandingan panjang lengan airfoil wells turbin dengan jumlah blade 9 dan 10

71

Sehingga dapat disimpulkan bahwa wells turbin dengan diameter 75 cm, chord 12cm, NACA 0012 dengan efisiensi daya terbesar pada jumlah blade 9.

Dari analisa ini dapat kita simpulkan bahwa faktor – faktor yang mempengaruhi besar kecilnya gaya (F) pada wells turbin dipengaruhi oleh luasan (A) yang memengaruhi besar gaya (F), jumlah blade yang memengaruhi besar Torsi (t) dan sudut serang yang bekerja pada wells turbin.

4.6 Computational Fluid Dynamics

4.6.1 Pre-Simulasi Pre-simulasi adalah tahap memasukkan data dari

solidwork ke software Ansys-CFX untuk dilakukan proses simulasi CFD. Hasil eksport dari Solidwork kemudian diberi fitur surface sehingga hasilnya sebagai berikut.

4.6.2 Simulasi Model blade yang telah dibuat pada subbab sebelumnya

disimulasi dengan software Ansys-CFX. Data yang didapat dari proses simulasi nantinya juga digunakan sebagai validasi dengan menggunakan perhitungan matematis. Ada beberapa langkah yang harus dilakukan dan ditentukan pada proses simulasi dengan menggunakan software CFD ini, yaitu:

Domain Domain merupakan daerah batas atau ruang lingkup

fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat 1 domain yaitu domain stasioner dimana fluida yang bekerja pada domain tersebut adalah air.

72

Boundary Conditions Boundary Conditions atau kondisi batas dibuat

untuk mengetahui karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan kondisi yang sebenarnya. Pada simulasi ini, terlebih dahulu model akan diletakkan dalam sebuah tabung sebagai pembatas aliran fluida yang akan dilewati kondisi batas. Yang dibentuk diantaranya berupa inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang digunakan sebagai boundary pada model (foil) serta silinder pembatas aliran fluida.

Gambar 14. Penentuan Domain Kerja dari Simulasi

73

Beberapa bagian dari Boundary Condition: a. Inlet

Intlet merupakan bagian dari domain stationer dengan parameter yang dipakai adalah kecepatan (V) aliran udara 25 Co yaitu dengan variasi kecepatan 10 m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s, 30m/s, 35m/s dan 40 m/s

b. Outlet

Outlet merupakan bagian dari domain stationer dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata sebesar 1 atm yang bersifat relatif terhadap tekanan fluida pada domain.

Gambar 15. Penentuan Boundary Condition

74

c. Wall

Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang dikondisikan pada model percobaan. Wall yang digunakan pada simulasi iniberbentuk tabung panjang sebagai pembatas wells turbin, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali kedalam dinding/pembatas jika mengenai silinder pembatas tersebut. Sedangkan model foil yang digunakan juga bertipe wall tetapi dengan parameter no slip yang artinya terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja.

Solver

Program solver CFX ini bertujuan untuk melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan numerik komputer dari semua parameter-parameter yang telah ditentukan pada domain dan boundary condition diatas. Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah: Maximum iteration = 100 Timescale Control = Automatic time scale

Iterasi diatas digunakan untuk memperoleh konvergensi, yaitu kesesuian (matching) antara input simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat.

75

Post

Tahap post ini bertujuan untuk menampilkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses solver. Hasil yang diperoleh dapat berupa data numeric maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan sesuai dengan tujuan dari percobaan yang dilakukan dan sebagai validasi. Untuk proses validasi data yang digunakan adalah Gaya lift yang diambil dari function calculator pada tahap post. 4.4 Analisa Data dari Hasil Simulasi

Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari proses simulasi diambil untuk menentukan proses validasi dan variasi dari percobaan yang dilakukan. Perhitungan gaya (F) yang dihasilkan setelah dilakukan running berdasarkan variasi kecepatan udara sebesar 10 m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s, 30m/s, 35m/s dan 40 m/s

Gambar 16. Force Calculator pada Turbin

76

Gambar 17. Streamline Geometri wells turbin 6 blade

Gambar 18. Streamline Geometri wells turbin 8 blade

77

Dari gambar 39, 40 dan 41 terlihat aliran yang

bekerja pada wells turbin yang digambarkan seperti dengan streamline dengan 300 point, start from inlet. Dari tiga gambar tersebut terlihat aliran yang berkeja pada wells turbin A, B dan C, aliran fluida pada wells tubin A dan B cenderung laminer dan tidak terlalu jauh perbendaannya tetapi hal lain dialami oleh wells turbin C, diamana terdapat sebagian kecil aliran mengalami turbulensi.

Hal ini berbanding lurus dengan hasil gaya (F) yang di hasilkan oleh ketiga wells turbin tersebut. Diamana aliran fluida yang semakin laminar akan menghasilkan gaya (F) yang lebih besar.

Gambar 19. Streamline Geometri wells turbin 9 blade

78

Dari gambar 38 dapat dilihat output hasil dari sumulasi CX berupa gaya(F) sehingga apabila di masukkan dalam permsamaan : T = F x R Dimana: T = Torsi (Nm) F = Gaya Putar (N) R = Panjang Lengan (m) P = T x rpm P = T x ω x 30/3.14 P = T x v/R x 30/3.14 Maka dapat diperoleh hasil daya pada wells turbin 8 blade dan wells turbin 9 blade dengan variasi kecepatan (V) udara sebesar 10 m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s, 30m/s, 35m/s dan 40 m/s, tabel 11 sebagai berikut :

Tabel 11. Hasil simulasi CFX pada Wells turbin 8 blade

R (m) P (watt) T (Nm) ω (rad/s) RPM F (N) v (m/s)

0.425 28.78336 1.223293 23.52941 224.8033 0.359792 10 0.425 98.00088 2.776692 35.29412 337.2049 0.816674 15 0.425 231.3888 4.917012 47.05882 449.6066 1.44618 20 0.425 460.1 7.8217 58.82353 562.0082 2.3005 25 0.425 797.136 11.29276 70.58824 674.4099 3.3214 30 0.425 1267.756 15.39418 82.35294 786.8115 4.5277 35 0.425 1895.942 20.14439 94.11765 899.2132 5.92482 40

79

Tabel 12. Hasil simulasi CFX pada wells turbin 9 blade

Kemudian dari hasil simulasi CFX pada tabel 4.11 dan

tabel 4.12 pada wells turbin blade 8 dan wells turbin blade 9 dengan variasi kecepatan sebesar 10 m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s, 30m/s, 35m/s dan 40 m/s divalidasikan dengan hasil perhitungan maka di peroleh seperti grafik 1.2, sebagai berikut :

R (m) P (watt) T (Nm) ω (rad/s) RPM F (N) v (m/s) 0.425 30.33 1.289025 23.52941 0.951057 0.337 10 0.425 103.4725 2.931721 35.29412 0.951057 0.766463 15 0.425 249.7788 5.3078 47.05882 0.951057 1.38766 20 0.425 488.5808 8.305873 58.82353 0.951057 2.17147 25 0.425 845.4591 11.97734 70.58824 0.951057 3.13133 30 0.425 1344.389 16.32472 82.35294 0.951057 4.2679 35 0.425 2009.358 21.34943 94.11765 0.951057 5.58155 40

28.78 98.00 231.39

460.10

797.14

1267.76

1895.94

35.03 118.22 280.22

547.30

945.73

1501.78

2241.72

-200.00

300.00

800.00

1300.00

1800.00

2300.00

10 15 20 25 30 35 40

day

a (w

att)

V (m/s)

cfx

perhitungan

Gambar 20. Grafik perbandingan daya CFX dgn perhitungan pada wells turbin 8 blade

80

Tabel 13. Perbandingan hasil CFX dengan perhitungan pada wells turbin 8 blade

Kec. (M/s)

Daya (P) Error %

CFX Perhitungan 10 28.78 35.03 17.8251 15 98.00 118.22 17.1001 20 231.39 280.22 17.4247 25 460.10 547.30 15.9322 30 797.14 945.73 15.7119 35 1267.76 1501.78 15.5831 40 1895.94 2241.72 15.4248

Dari grafik 1.2 dan tabel 4.13 dapat dianalisa bahwa daya pada hasil perhitungan lebih besar dari daya hasil dari simulasi CFX dengan maks error 17.8% pada kecepatan 10m/s dan dapat dilihat juga bahwa pada kondisi kecepatan (V) udara yang semakin besar maka perbandingan error antara hasil daya CFX dan perhitungan semakin ke