Lohdy Diana 1 , Prima Dewi Permatasari 2 , Joke Pratilastiarso 3 , Arrad Ghani Safitra 4

## ABSTRACT

## ABSTRAK

## PENDAHULUAN
Indonesia  merupakan  negara  kepulauan dimana  dua  pertiga  bagian  merupakan  lautan. Luasnya  lautan  Indonesia  menyimpan  banyak potensi  selain  kekayaan  akan  hasil  laut,  lautan juga  memiliki  potensi  untuk  menghasilkan energy listrik. Energi listrik bersumber dari arus bawah  laut  yang  merupakan  salah  satu  sumber
energi  baru  dan  terbarukan.  Pemanfaatan  dan pengembangan energi baru dan terbarukan. Saat ini  sedang  gencar  dilakukan.  Hal  tersebut dikarenakan  jumlah  energi  fosil  yang  terbatas dan  peralatan  energi  fosil  yang  umurnya  sudah lebih  dari  20  tahun  yang  menyebabkan penurunan  performa  dari  pembangkit  tenaga fosil.  Tingginya  jumlah output yang  harus dihasilkan  oleh  turbin  menyebabkan  jumlah

## STUDI EKSPERIMEN PERFORMA HELICAL DARRIEUS TURBIN FARMING
1234 Program Studi Sarjana Terapan Sistem Pembangkit Energi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Email: lohdydiana@pens.ac.id
Agricultural  turbines  can  be  applied  to  irrigated  agricultural  channels,  maximizing  the  potential  of underwater  water  flow.  It  has  the  potential  and  realization,  considering  the  amount  of  agricultural  land  in Indonesia  is considerably large. The purpose of  this study was to determine the performance of these turbines. This  study  used  the  Helical  Darrieus  Turbine  Farm's  design  of  the  airflow  channel  and  the  production  of  the turbines. Three sea-current turbines with helical Darrieus type were placed in the water flume. The approached condition and geometry of the water flume followed the actual conditions of the agricultural irrigation canal: the air velocity of 0.4 m/s. The research was conducted experimentally in the laboratory. The results showed that at the largest  rotational speed of  22 rpm, the torque was 0.035 Nm. The relationship  between the tip speed ratio and  torque  coefficient  showed  an  increasing  trend.  The  highest  value  of  the  coefficient  of  the  test  results  was 0.065. At the maximum TSR, the value of Cp was also maximum. The maximum performance coefficient on the turbine  was  0.051.  Based  on  these  results,  the  turbine  design  requires  modification  by  extending  the  distance between the turbines to produce higher performance.

## Keywords: turbine, helical darrieus, tip speed ratio, water flume
Mengadopsi  potensi  aliran  air  bawah  laut, turbine  farm dapat  diterapkan  pada  saluran  irigasi  pertanian. Hal  tersebut  memiliki  potensi  dan  realisasi  yang  lebih  memungkinkan  mengingat  jumlah  area  pertanian  di Indonesia masih sangat luas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performa turbin. Penelitian ini menggunakan  rancang  bangun Helical  Darrieus  Turbine  Farm yaitu  berupa  saluran  aliran  air  dan  pembuatan beberapa  turbin.  Turbin  arus  laut  dengan  tipe helical  darrieus sebanyak  tiga  buah  diletakkan  di  dalam water flume .  Kondisi  dan  geometri water flume dilakukan  pendekatan  sesuai  dengan  kondisi  aktual  saluran  irigrasi pertanian  yaitu  kecepatan  air  0.4  m/s.  Penelitian  dilakukan  secara  eksperimen  di  dalam  laboratorium.  Hasil penelitian  menunjukkan pada  kecepatan  putar  terbesar  yaitu  sebesar  22  rpm,  didapatkan  nilai  torsi  0.035  Nm. Hubungan  antara tip  speed  ratio dengan  koefisien  torsi  menunjukkan  tren  yang  meningkat.  Nilai  tertinggi koefisien  torsi  hasil  pengujian  adalah  0.065.  Pada  TSR  maksimal  nilai  Cp juga  maksimal.  Koefisien  performa maksimal  pada  turbin  sebesar  0.051.  Berdasarkan  hasil  tersebut  desain  turbin  memerlukan  modifikasi  dengan memperpanjang jarak antar turbin sehingga menghasilkan performa yang lebih tinggi.
Kata kunci: turbin, helical darrieus, tip speed ratio, water flume
Jurnal Dinamika Vokasional Teknik Mesin Volume 7 Nomor 2 Oktober 2022 Hal 122-128
https://journal.uny.ac.id/index.php/dynamika/issue/view/2373
turbin  yang  bekerja  tidak  cukup  hanya  satu. Harus ada beberapa turbin yang beroperasi agar menghasilkan  jumlah  megawatt  yang  besar. Namun, semakin banyak turbin yang beroperasi mengakibatkan  putaran  yan  tidak  maksimal. Hal  tersebut  dapat  dikarenakan  olakan  aliran fluida satu mempengaruhi aliran fluida disekitarnya  menjadi  turbulen  atau  acak. Apabila  aliran  acak  tersebut  mengenai  turbin yang  berada  pada  posisi  lain  maka  turbin  tidak dapat berputar secara maksimal. Maka diperlukan  pengaturan  jarak  antar  turbin. Mengadopsi  potensi  aliran  air  bawah  laut, turbine farm juga dapat diterapkan pada saluran irigasi  pertanian.  Hal  tersebut  memiliki  potensi dan relisasi yang lebih memungkinkan mengingat  jumlah  area  pertanian  di  Indonesia masih sangat luas.
Pada  penelitian  ini  akan  melakukan rancang  bangun turbine  farm yaitu  pembuatan water flume dan  beberapa  turbin. Water flume berupa  saluran  aliran  air  atau  dikenal  dengan istilah water flume . Water flume dilengkapi dengan  pompa  dan  tangki  penyimpan  air.  Air yang  mengalir  ke  dalam water flume akan diatur  kecepatanya  menggunakan  flow  meter dan  penyebarannya  dibuat  merata  dengan memberikan  lubang-lubang  pada  pipa.  Kondisi dan geometri water flume dilakukan pendekatan sesuai  dengan  kondisi  aktual  saluran  irigrasi pertanian.  Turbin  arus  laut  dengan  tipe  helical darrieus  diletakkan  di  dalam water flume . Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui  performa  turbin  farming.  Turbin yang  diletakkan  sebanyak  tiga  turbin  dengan pengaturan  jarak  antar  turbin  sejauh  30  cm. Penelitian ini akan dilakukan secara eksperimen di dalam laboratorium fluida.
Turbin  digunakan  untuk  mengkonversi daya hidrodynamic menjadi  energi  listrik. Penelitian  mengenai  turbin  arus  laut tide inclined-blade atau Helical-Darrieus dilakukan untuk  mengetahui  kemampuan  putaran  awal turbin  terhadap  kecepatan  aliran  fluida. Blade turbin  menggunakan  tipe  NACA  b3(4)021, diameter  turbin  0,50  m,  dengan chord  length
0,07m.  Hasil  penelitian  menunjukan  turbin
dapat  berputar  0,3  m/s dengan  kecepatan  rotasi 2,25  rpm  untuk  kondisi  kecepatan  pada towing tank 0 sampai 0,4 m/s (Satrio, 2021).
Pengujian eksperimen hydro farm dilakukan  dengan  menggunakan  turbin  tipe Darrieus sebanyak  empat  turbin  dengan susunan  ditunjukan  seperti  pada  Gambar  2.2. Penelitian dilakukan untuk mengetahui performa  turbin  berupa  Cp  dan  TSR.  Variasi jarak turbin yang digunakan adalah Y/D = 4,86, Y/D  =  4,04,  Y/D  =  3,21,  Y/D  =  2,39,  Y/D  = 1,57.  Hasil  menunjukan  Y/D  =  4,04  memiliki performa  seimbang  ketika  menggunakan  dua tipe  susunan  rotur  (Patel,  2017).  Investifigasi turbin Darrieus sebagai  mikrohidro  juga dilakukan  oleh  (Tunio,  2020).  Banyak  proyek dan penelitian dikembangkan untuk mengetahui pengaruh  ombak  atau wake terhadap  produksi daya  yang  dihasilkan.  Tujuan  penelitian- penelitian  tersebut  mengestimasi  kecepatan turbin  tidak  terhadap  olakan  dengan  diameter kecil  menggunakan depth  ratio 20%.  Metode penelitian  yang  digunakan  adalah  simulasi CFD.  Hasil  penelitian  tersebut  disajikan  dalam grafik distribusi kecepatan dan kontur kecepatan  (Brutto,  2016)  dan  (Ramdhani  et.al., 2019).
Penelitian  turbin  tidal  dengan  sumbu vertical tipe Darrieus dilakukan untuk mengetahui pengaruh low cut in speed terhadap performa  turbin.  Simulasi  dilakukan  pada kondisi  unsteady  menggunakan  kode unsteady Reynold  Averaged  Navier  Stocks (URANS) dengan  turbulen  model  k-w  Shear  Stress Transport  (SST).  Performa  turbin  ditunjukan menggunakan  parameter power  coefficient (Cp), Tip  Speed  Ratio (Bouhal,  2018). Penelitian  secara  simulasi  dilakukan  untuk mengetahui  karakteristik  aliran  fluida  saat melintasi  tidal  turbin.  Simulasi  menggunakn CFD  dengan  tahapan  validasi  menggunakan parameter Power  Coefficient (Cp)  dan  TSR (Yagmur, 2020) dan (Ouro, 2019).
Perhitungan  matematis  diperlukan  untuk mengetahui  performa  turbin  seperti  yang dilakukan oleh Talukdar, et.al (2018)
menggunakan  beberapa  perhitungan  sebagai
berikut:  daya  turbin  (P)  dihitung  menggunakan Persamaan  (1)  dimana  A  adalah  area  frontal yang diproyeksikan dari turbin yang mengalikan  antara  bentang  pisau  dan  diameter turbin  (D)  seperti  ditunjukkan  pada  persamaan (2), ρ adalah massa jenis air tawar, dan v adalah kecepatan penarik.
P = ½. ρ. A. v 3 (1)
A = SD                                         (2)
Dalam menganalisa performa desain turbin arus sungai,  dilakukan  beberapa  perhitungan  untuk mendapatkan  nilai coefficient  of  power turbin.
Dari  data  pengujian  yang  telah  diperoleh dihitung sebagai berikut:
F = m.g                                        (3)
F merupakan gaya tangensial yang dibangkitkan oleh turbin.
T = F.r                                         (4)
Kemudian dihitung nilai kecepatan angulernya,
ω = (6,28 .RPM)/60 (5)
Maka  daya  yang  dibangkitkan  oleh  turbin  (Pt) adalah: Pt = T. ω (6) Dilakukan juga perhitungan tip speed ratio , TSR = (ω .R)/v (7) Coefficient  of  performance (Cp)  turbin  heliks dapat dihitung menggunakan,
Cp = Pt/Pav (8) ω adalah kecepatan angular (rad/s)
R adalah jari-jari turbin (m) V adalah kecepatan air (m/s)
Coefficient  of  torque (CT)adalah  perbandingan antara  torsi  aktual  yang  dihasilkan  rotor terhadap torsi teoritis yang terserap dari air.
CT = T/(0,5ρV^2 AD) (9)
Dimana:
T adalah Torsi (Nm) ρ adalah massa jenis air (1000 kg/m3)

## METODE
Proses  diagram  alir  alat  uji  turbin  arus sungai  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Penelitian ini  melakukan  desain  dan  rancang  bangun water  flume yang  merupakan  tempat  pengujian turbine farming . Water flume yang telah dibuat ditunjukkan seperti pada Gambar 2. Konstruksi water  flume menggunakan  plat  besi  sebagai casing  diffuser  inlet dan outlet ,  akrilik  sebagai casing  tes  section ,  dan  besi hollow sebagai kerangka. Turbin yang diletakkan sebanyak tiga turbin  dengan  pengaturan  variasi  jarak  antar turbin 30 cm.

## Gambar 1 Proses diagram alir alat uji turbin arus sungai
Prosedur eksperimen adalah sebagai berikut: 1. Dalam  proses  sirkulasi  sistem,  pertama-tama fluida  kerja  (air)  yang  telah  ditampung  pada reservoir  dihisap  oleh  pompa  untuk  dinaikkan kedalam diffuser .
2. Air  yang  telah  masuk kedalam  diffuser  akan meluap  dan  mengisi  bak  uji.  Debit  aliran  air yang masuk diatur menggunakan katup.
3.  Kemudian  air  yang  mengalir  menggerakkan sudu-sudu  turbin  sehingga  dapat  diukur  torsi dan rpmnya.
4.  Air  yang  mengalir  akan  terus  berjalan  dan keluar  melalui  pipa  pembuangan  kembali  ke reservoir.
5.  Peralatan  pengukuran  yang  dipakai  adalah rope breaks torque , tachometer , dan flowmeter . 6. Dalam mendapatkan daya mekanik dibutuhkan rope brakes torque untuk mengukur beban yang kemudian dapat diketahui nilai torsi dan tachometer untuk mengetahui  nilai
kecepatan  putar  sehingga  mampu  dihitung kecepatan putarnya.
7.  Data  yang  diperolah  dicatat  kedalam  tabel data.
8. Setelah melakukan pengujian mematikan dan merapikan peralatan.

## Gambar 2. Desain dan konstruksi water flume
Dalam  proses  sirkulasi  sistem,  pertama-tama fluida  kerja  (air)  yang  telah  ditampung  pada reservoir dihisap  oleh  pompa  untuk  dinaikkan kedalam diffuser .  Air  yang  telah  masuk kedalam diffuser akan  meluap  dan  mengisi  bak uji.  Debit  aliran  air  yang  masuk  diatur menggunakan valve .  Kemudian  air  yang mengalir  menggerakkan  sudu-sudu  turbin sehingga  dapat  diukur  torsi  dan  rpmnya.  Air yang  mengalir  akan  terus  berjalan  dan  keluar melalui pipa pembuangan kembali ke reservoir . Peralatan  pengukuran  yang  dipakai adalah rope  breaks  torque , tachometer ,  dan flowmeter .  Dalam  mendapatkan  daya  mekanik dibutuhkan rope brakes torque untuk mengukur beban yang kemudian dapat diketahui nilai torsi dan tachometer untuk mengetahui  nilai kecepatan  putar  sehingga  mampu  dihitung kecepatan  putarnya.  Konstruksi  alat  uji  turbin arus  sungai  ini  menggunakan  plat  besi  sebagai
casing  diffuser inlet dan outlet ,  akrilik  sebagai casing  tes  section ,  dan  besi hollow sebagai kerangka.  Dengan  konstruksi  tersebut,  alat  uji yang  dibuat  kemudian  ditunjukkan  pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 3. Desain dan blade helical darrieus turbine

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Selama  pengujian,  turbin  diberikan beban  untuk  mengukur  torsi  hingga  turbin hampir  tidak  berputar.  Kemudian  timbangan diatur  pada  posisi  nol,  sehingga  terbaca  massa yang  tambahan  dari  putaran  poros.  Sehingga dari  data  tersebut  didapatkan  torsi  dan dilakukan pengukuran putaran turbin. Gambar 4 menunjukkan  grafik  perubahan  kecepatan putaran  (rpm)  terhadap  beban  torsi.  Perubahan putaran  pada  turbin  juga  terjadi  selama  proses pengujian.  Perubahan  putaran  juga  bersamaan dengan  adanya  perubahan  torsi.  Dari  rumus daya  turbin  seharusnya  dari  kecepatan  aliran yang  sama  didapatkan  daya  yang  sama sehingga  semakin  tinggi  torsi  maka  putaran turbin  yang  ada  akan  semakin  rendah  begitu
pula  sebaliknya.  Akan  tetapi  dari  hasil pengujian,  semakin  tinggi  rpm,  nilai  torsi  juga semakin meningkat. Hal tersebut juga mengakibatkan perbandingan lurus untuk koefisien  torsi  terhadap  TSR  sedangkan  pada perhitungan  lain  menunjukkan  perbandingan terbalik  seperti  yang  dilakukan  oleh  Talukdar, et.al (2018).
Gambar 4. Perubahan RPM terhadap beban torsi
Pada  rpm  terbesar  yaitu  sebesar  22  rpm, didapatkan  nilai  torsi  0.035  Nm.  Dalam  gerak rotasi,  penyebab  berputarnya  benda  merupakan momen  gaya  atau  torsi.  Besar  torsi  tergantung pada  gaya  pada  turbin  yang  dikeluarkan  serta jarak  antara  sumbu putar  dan  letak  gaya.  Salah satu  hal  yang  mempengaruhi  hasil  torsi  adalah getaran.  Pada  setiap  benda  berputar  pasti menimbukan  getaran.  Salah  satu  getaran  yang terjadi  adalah torsional  vibration . Torsional vibration merupakan  proses  dimana  pada bagian  pusat  turbin  berputar  menjadi  gaya tertentu yang arahnya sama dengan poros.
Penyebab  terjadinya  getaran  adalah  cara pemasangan  turbin  yang  kurang  sempurna, penyeimbang gaya yang tidak sesuai, dan aliran fluida. Pada turbin yang terjadi getaran berlebih dapat menimbulkan penurunan kecepatan rotasi turbin  dan  penurunan  kecepatan  putaran torsional,  sehingga  daya  yang  dihasilkan menurun.  Pemasangan  turbin  yang  tidak sempurna  dan  gaya  yang  tidak  seimbang menyebabkan getaran.
Gambar 5 Perubahan TSR terhadap nilai koefisien torsi
Dari nilai torsi dan rpm  didapatkan range TSR kerja  turbin,  daya  yang  dihasilkan,  koefisiensi torsi  serta  koefisiensi  performansi  turbin  pada tiap TSR. Berdasarkan Gambar 5 menunjukkan hubungan  antara tip  speed  ratio dengan koefisien torsi menunjukkan tren yang meningkat.  Range  TSR, dengan kecepatan  arus sungai  0.4  m/s,  adalah  TSR  0.04  hingga  TSR 0.069.  Nilai  tertinggi  koefisien  torsi  hasil pengujian adalah 0.065.

## Gambar 6. Pengaruh TSR terhadap nilai koefisien performansi turbin
Dari  Gambar  6  dapat  diketahui  kinerja  dari turbin  arus  sungai savonius heliks.  Tren hubungan  TSR  dengan  koefisien  performa cenderung  naik.  Profile  grafik  tersebut  sesuai dengan  penelitian  turbin  arus  laut  tipe horizontal  yang  dilakukan  oleh  Ordonez-
Sanchez,  et.al  (2019)  dan  juga  oleh  Guo,  et.al (2019).  Berdasarkan  Gambar  6  pada  TSR maksimal  nilai  Cp  juga  maksimal.  Bedasarkan Gambar  6  besar  koefisien  performa  maksimal pada  turbin  sebesar  0.051. Nilai  performa  yang tidak maksimal dapat disebabkan karena adanya ulakan  akibat  aliran  balik  dari  bagian  bawah turbin  dan  juga  kemungkinan  aliran  air  yang menabrak  sudu  turbin  tidak  seragam  dari  dasar sistem  uji  hingga  permukaan.  Pada  pengujian ini  hasil  belum  maksimal  beberapa  hal  yang perlu ditingkatkan antara lain desai water flume perlu  diperpanjang  agar  aliran  yang  terjadi  di dalam  saluran  benar-benar  dalam  kondisi fully develop flow.

## SIMPULAN
Pada  kecepatan  putar  terbesar  yaitu sebesar  22  rpm,  didapatkan  nilai  torsi  0.035 Nm.  Hubungan  antara tip  speed  ratio dengan koefisien torsi menunjukkan tren yang meningkat.  Nilai  tertinggi  koefisien  torsi  hasil pengujian  adalah  0.065.  Pada  TSR  maksimal nilai  Cp  juga  maksimal.  Koefisien  performa maksimal pada turbin sebesar 0.051.
Berdasarkan  hasil  tersebut  desain  turbin memerlukan modifikasi
dengan memperpanjang  jarak  antar  turbin  sehingga menghasilkan performa yang lebih tinggi. Perlu perbaikan desain water flume.

## DAFTAR RUJUKAN
Bouhal,  T.,  Rajad,  O.,  Kousksou,  T.,  Arid,  A.,
El  Rhafiki,  T.,  Jamil,  A.,  &  Benbassou,  A. (2018).  CFD  performance  enhancement  of a  low  cut-in  speed  current  Vertical  Tidal Turbine through the nested hybridization of Savonius  and  Darrieus. Energy  Conversion and Management , 169, 266-278.
Brutto,  O.  A.  L.,  Guillou,  S.  S.,  Thiébot,  J.,  & Gualous,  H.  (2016).  Tidal  farm  analysis using  an  analytical  model  for  the  flow velocity  prediction  in  the  wake  of  a  tidal turbine  with  small  diameter  to  depth  ratio.
Renewable Energy , 99, 347-359.
Guo  Bin,  Wang  Dazheng,  Zhou  Xu,  Shi Weichao, & Jing Fengmei. (2020).
Performance  Evaluation  of  a  Tidal  Current Turbine  with  Bidirectional  Symmetrical Foils. Water 2020 , 12, 22.
doi:10.3390/w12010022
Ordonez-Sanchez Stephanie, Allmark Matthew,
Porter  Kate,  Ellis  Robert,  Lloyd  Catherine, Santic  Ivan,  O’Doherty  Tim,  &  Johnstone Cameron. (2019). Analysis of a Horizontal- Axis  Tidal  Turbine  Performance  in  the Presence  of  Regular  and  Irregular  Waves Using  Two  Control  Strategies. Energies 2019 , 12, 367. doi:10.3390/en12030367
Ouro,  P.,  Ramírez,  L.,  &  Harrold,  M.  (2019).
Analysis  of  array  spacing  on  tidal  stream turbine  farm  performance  using  Large- Eddy  Simulation. Journal  of  Fluids  and Structures , 91, 102732.
Patel, V., Eldho, T. I., & Prabhu, S. V. (2017). Experimental  investigations  on  Darrieus straight  blade  turbine  for  tidal  current application and parametric optimization for hydro  farm  arrangement. International Journal of Marine Energy , 17, 110-135.
Ramdhani,  M.A.,  Nugroho,  S.,  &  Diana,  L. (2019).  Performance  Analysis  of  Helical Savonius  River  Current  Turbine  Using Computational Fluid Dynamic.
International  Electronics  Symposium:  The Role  of  Techno-Intelligence  in  Creating  an Open  Energy  System  Towards  Energy Democracy,  Proceedings,  2019,  pp.  595– 600, 8901584.
Satrio,  D.,  &  Utama,  I.  K.  A.  P.  (2021).
Experimental investigation into the improvement  of  self-starting  capability  of vertical-axis  tidal  current  turbine. Energy Reports , 7, 4587-4594.
Talukdar  Parag  K.,  Kulkarni  Vinayak,  &  Saha Ujjwal  K.  (2018).  Field-testing  of  model helical-bladed  hydrokinetic  turbines  for small-scale  power  generation. Renewable
Energy , 127, 158-167.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.04.05 2
Tunio, I. A., Shah, M. A., Hussain, T., Harijan, K., Mirjat, N. H., & Memon, A. H. (2020). Investigation  of  duct  augmented  system effect on the overall performance of straight blade Darrieus hydrokinetic turbine.
Renewable Energy , 153, 143-154.
Yagmur,  S.,  Kose,  F.,  &  Dogan,  S.  (2021).  A study on performance and flow characteristics  of  single  and  double  H-type
Darrieus  turbine  for  a  hydro  farm application. Energy Conversion and
Management , 245, 114599.