Simulasi Perancangan Turbin Propeller untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Berdasarkan Karakteristik Sungai Maliringan Dengan Metode Computational Dynamics Fluid (CFD)
Levin Halim 1 , David Nathanlius 1
1 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Bandung E-mail:

## halimlevin@unpar.ac.id
Abstrak— Perancangan  sebuah  turbin  dibutuhkan  untuk  mengkonversi  energi  yang  terdapat  pada  sumber tenaga  air  menjadi  energi  kinetik  yang  digunakan  untuk  memutar  poros  generator  sehingga  menghasilkan energi listrik. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah turbin propeller yang sesuai dengan karakteristik dari Sungai  Maliringan  sehingga  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin  propeller  tersebut  memiliki  efisiensi  yang maksimum.  Daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin  dipengaruhi  oleh  karakteristik  dari  sumber  tenaga  air,  yaitu debit  air  dan  ketinggian  jatuh  air  (head).  Penelitian  ini    akan  membahas  tentang  hasil  simulasi  dengan menggunakan metode Computational Dynamics Fluid (CFD) yang dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh daya  dan  kecepatan  putar  yang  dihasilkan  oleh  turbin.  Turbin  propeller  ini  dirancang  berdasarkan karakteristik dari Sungai Maliringan  dengan menggunakan software CAD SolidWork dan simulasi dilakukan dengan menggunakan software COMSOL Multiphysics.
Kata kunci: Turbin Propeller, CFD, Head, SolidWork, COMSOL Multiphysics.
Abstract— Design of turbine is necessary to convert energy from hydro power source to become kinetic energy which  uses  to  spin  the  generator’s  shaft  so  it  could    generate    electric    power.    Through  this  research  will design  a propeller  turbine  that  suitable  with  characteristic  of  Maliringan  river  so  then  the  generated  power from propeller turbine will possess maximum efficiency. The power produced  by the turbine is determined by the  characteristic  from  hydro  power  source,  which      is  the  volumetric  flow  rate  of  the  water  and  the  head potential.  This  research  will  discuss  about  the  result  of  the  simulation  that  uses  Computational  Dynamics Fluid  (CFD)  method  with  purpose  to  obtain  power  and  rotational  speed  produced  by  the  turbines.  This propeller turbine is  designed based on Maliringan river’s characteristic using SolidWork software and using COMSOL Multiphysics to do the simulation.
Keywords: Propeller turbine, CFD, Head, SolidWork, COMSOL Multiphysics
1. PENDAHULUAN
Salah  satu  dari energi  terbarukan  adalah  energi  yang berasal  dari  tenaga  air/hidro.  Energi  air  ini  adalah satu diantara sekian banyak sumber energi terbarukan yang telah banyak dimanfaatkan untuk menggantikan energi  fosil.  Air  yang  memiliki  sifat  terus-menerus bergerak  menghasilkan  energi  alami  yang  sangat besar.  Energi  ini  datang  baik  air  dari  sungai  yang mengalir atau gelombang air berupa ombak di lautan. Energi  yang  dihasilkan  oleh  air  dapat  dimanfaatkan dan  dikonversikan  menjadi  listrik.  Pemanfaatan energi  terbarukan  dari  air    ini  dapat  menghasilkan tenaga  terus  menerus  selama  24  jam  setiap  harinya. Saat  ini,    20%  dari  total  energi  dunia  didapat  dari pemanfaatan  tenaga  air  atauyang  sering  disebut dengan  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air  (PLTA). Selain  le-wat  PLTA,  energi  air  juga    dimanfaatkan untuk  Pembangkit  Listrik  TenagaMikro/Mini  Hidro (PLTMH).  Beda  keduanya  ada  pada  besarnya  listrik yang dihasilkan [1].
Sumber  tenaga  air/hidro  memiliki  potensi  yang sangat  besar  dalam  menghasilkan  energi  listrik namun dalam proses perubahan energi yang berasal dari  sumber  tenaga  air  menjadi  energi  kinetik  pada turbin terdapat loss atau kerugian yang menyebabkan  daya  yang  dihasilkan  menjadi  lebih kecil  dibandingkan  yang  seharusnya.  Oleh  karena itu besarnya kerugian biasanya ditentukan berdasarkan  data  pengukuran  dan  pengalaman, eksperimen  atau  pendekatan  empiris,  dan  besar kerugian  ini  dinyatakan  dengan  besaran  efisiensi [2]. Efisiensi tersebut dipengaruhi oleh karakteristik yang terdapat pada sumber tenaga air yang di tinjau, antara  lain  debit  air,  ketinggian  jatuh  air,  dan kecepatan aliran. Maka dari itu untuk setiap sumber tenaga  air  yang  berbeda  dibutuhkan  juga  turbin yang  sesuai  agar  efisiensi  yang  didapat  lebih  besar [3].
Penelitian  ini  akan  berfokus  pada  proses  transfer energi  yang  berasal  dari  sumber  tenaga  air  yang dalam prosesnya tersebut
digunakan karakteristik sumber tenaga air yang berasal dari Sungai Maliringan dan  untuk
didefinisikan pada persamaan 1.
skala  penelitian  ini  ketinggian head yang  akan digunakan  adalah  setinggi  3  meter.  Sebuah  turbin propeller akan dirancang untuk
( )
digunakan  sebagai  mesin  yang  mengubah  energi potensial  yang  terdapat  pada  sumber  tenaga  air menjadi energi kinetik yang dihasilkan oleh putaran turbin berdasarkan karakteristik Sungai Maliringan. Perancangan dari turbin propeller akan menggunanakan software  Computer  Aided  Design (CAD)  SolidWork  dan  akan  disimulasikan  dengan menggunakan software COMSOL Multipysics.

## 2. METODOLOGI
Metode  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah metode  kuantitatif  dengan  data  yang  didapat  dari hasil pengukuran yang data
penurunan  persamaan  untuk  daya  aktual  dan  daya ideal  yang  dihasilkan  oleh  turbin  adalah  sebagai berikut:

## 2.1 Penurunan Daya Ideal
Daya  ideal  dari  turbin  bisa  didapatkan  dengan menganalisis  laju  perubahan  nilai  energi  yang terdapat dari sumber tenaga airnya, yaitu:
( )
tersebut  akan  digunakan  sebagai  acuan  dalam proses  perancangan  dari  turbin propeller ini. Diagram  alur  dalam  proses  perancangan  hingga simulasi pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

## Gambar 1. Diagram Alur Metodologi Penelitian
Metodologi  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini adalah dengan membandingkan besarnya daya yang dapat  dihasilkan  oleh  turbin  hasil  rancangan.  Daya pada  turbin  terdapat  2  jenis,  yaitu  daya  ideal  yang merupakan  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin  pada kondisi  ideal  dimana  pada  daya  ideal  hanya memperhitungkan  potensi  energi  yang  mampu dihasilkan  oleh  sumber  tenaga  air  dan  daya  aktual adalah  daya  yang  memperhitungkan  kerugian  yang terjadi pada saat proses perubahan energi [4]. Perbandingan  antara  daya  aktual  dan  daya  ideal memberikan efisiensi   dari  turbin tersebut, dimana efisiensi dari turbin
dengan  mengsubtitusi           dan           , maka:
( )

## 2.1 Penurunan Daya Aktual
Daya aktual turbin didapatkan dengan  menganalisa segitiga  kecepatannya,  untuk  menganalisa  segitiga kecepatannyanya  diperlukan  ilustrasi  turbin  dan gate pengarahnya  dipotong  secara  vertikal  dan direntangkan  pada  bidang  datar  seperti  yang ditunjukan pada gambar 2.
Gambar 2. Ilustrasi potongan turbin dan gate pengarah
Pada  gambar  3  ditunjukan  skema  dari  segitiga kecepatan yang terdapat pada turbin.
Gambar 3. Segitiga kecepatan
dimana adalah  kecepatan  absolut, adalah kecepatan          tangensial,          dan adalah kecepatan  relatif.  Untuk  subskrip  menyatakan kecepatan  segitiga  pada  saat  air  masuk  dan  untuk subskrip  menyatakan  kecepatan    segitiga  pada  saat air  keluar.  Berdasrkan  gambar  3,  vektor-vektor akan tersebut memenuhi persamaan berikut:

## ( )
( ) ( ) (  )
Turbin  dapat  berputar  dikarenakan  adanya  gaya yang  bekerja  pada  sudu.  Gaya  tersebut  timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja  yang  mengalir  menuju  sudu  [5].  Berikut merupakan penurunan
persamaan
dari memomentum yang terjadi pada sudu turbin.
( ) (  )
Gaya dapat direpresentasikan menjadi  2 gaya, yaitu gaya  aksial  (  )    dan    gaya  tangensial  (  )  yang ditunjukan  pada  gambar 4.
Gambar 4. Gaya yang bekerja pada turbin
Gaya merupakan gaya yang menyebabkan roda turbin berputar dan menghasilkan daya ( ) dan merupakan   gaya   yang   harus   dibuat sekecil-kecilnya karena menghambat putaran mementum tersebut dianalisis untuk setiap turbin sedangkan untuk gaya
yang
waktunya agar dapat diketahun laju perubahan
membuat turbin berputar sehingga  harus
nilai dari momentum tersebut.
( ) dibuat sebesar-besarnya [6]. sebagai berikut: didefinisikan dimana                  adalah        perubahan        nilai        dari momentum  dan  memiliki  dimensi  yang  sama dengan  dimensi  gaya.  Sehingga  laju  perubahan pada fluida adalah  sebagai  berikut: ( ) (  ) Dimana dan didapatkan    dengan memproyeksikan  vektor
dan ke  vektor .
Gambar  5  merupakan  ilustrasi  dari  vektor-  vektor pada segitiga kecepatan.
(  )
Seperti pada gambar 3, bahwa terdapat fluida  yang masuk  dan  fluida  yang  keluar  sehingga  terjadi perubahan  momentum  (  )  yang  didefinisikan sebagai berikut:
(  ) lalu  berdasarkan  hukum  newton  yang  kedua diamana    ,  maka  nilai      dapat  dituliskan  sebagai berikut:
(   ) Gambar 5. Proyeksi Vektor Segitiga Kecepatan
sehingga persamaan gaya menjadi: (              )  (   )
dan perbedaan momentum dianalisis untuk setiap waktunya menghasilkan:
Untuk akhirnya mendapatkan daya aktual diperlukan  hubungan  antara  torsi  dan  gaya tangensial yang memenuhi persamaan berikut:
( )
( )
sehingga gaya yang bekerja pada turbin ( ) didefinisikan sebagai berikut:
Dimana ada torsi dan  adalah kecepatan sudut. Torsi merupakan  hubungan  antara  gaya  tangensial  dan jari-jari turbin, dimana:
(   )
Sehingga persamaan untuk daya aktual menjadi:
( ) (  )
Berdasarkan persamaan 4, maka:
Tabel 1. Tabel Potensi Sungai Potensi Sungai Debit 0.26 Kecepatan Aliran 0.55 Head 3 Massa Jenis 997
Data  yang  didapat  pada  tabel  1  digunakan  sebagai acuan  dalam  proses  perancangan  turbin  dan  untuk menentukan  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin
propeller tersebut. Perancangan dilakukan dengan mengasumsikan  bahwa  generator  yang  akan digunakan  sebagai  pembangkit  listrik  adalah generator  yang    memiliki    frekuensi    dan  jumlah poles yang  dimiliki  sebanyak  6  buah,  sehingga kecepatan putar minimum untuk (  ) generator dapat menghasilkan energi listrik adalah 1000 RPM. Gambar 6 dan 7 merupakan rancangan turbin propeller berdasarkan karakteristik tenaga air ( )   ( ) pada Sungai Maliringan  yang terdapat pada tabel 1 dan  akan  digunakan  untuk  disimulasikan  pada software COMSOL.
sehingga  daya  aktual  yang  diperoleh  dengan mensubtitusi  persamaan  20  ke  persamaan  19 adalah:
(( )   ( ))
(( )   (
))
Gambar 6. Desain CAD turbin propeller ( ) ( ) (  )

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Desain  turbin propeler yang  akan  disimulasikan akan  dirancang  berdasarkan  karakteristik  dari Sungai  Maliringan.  Karakteristik  yang  ditunjukan pada  tabel  merupakan  data  yang  diambil  dari pengukuran  sungai  yang  dilakukan  oleh  tim  dari Lembaga  Ilmu  Pengetahuan  Indonesia  (LIPI)  pada tahun  2018  lalu  disitasi  dalam  penelitian  ini. Karakteristik  yang  terdapat  pada  tabel  1  adalah debit  terkecil,  kecepatan  aliran  terkecil  dan ketinggian  jatuh  air  yang  disesuaikan  dengan  skala penelitian pada penelitian ini.
Gambar 7. Design Turbin Propeler Untuk Simulasi COMSOL Pada  simulasi  yang  dilakukan  perancangan  dari turbin propeller perlu  dilakukan meshing ,  yaitu pembagian  daerah  geometri  dari  permukaan  turbin menjadi  beberapa  subdivisi  atau  bentuk  geometri sederhana seperti
segitiga,  quadrilateral,  hexagon  atau  tetrahedron [4].  Gambar  8  merupakan  proses meshing dengan membagi seluruh permukaan turbin menjadi bentuk tetrahedron.  Hal  ini  dilakukan  agar  variasi  dari kuantitas yang  akan  dicari  dapat  dihitung berdasarkan  persamaan  fungsi  sederhana  yang terdapat  pada  COMSOL  Multiphysics  sehingga setiap  elemen  pada  permukaan  turbin  perlu dilakukan meshing [4].
Gambar 8. Proses meshing
Simulasi dilakukan
dengan
menggunakan karakteristik sumber tenaga air seperti pada tabel 1 dan pada gambar 9 ditunjukan simulasi aliran fluida yang terjadi di dalam turbin.
Gambar 9. Simulasi Aliran Fluida Di Dalam Turbin
Berdasarkan  hasil  simulasis  tersebut,  didapatkan grafik  yang  menunjukan  kecepatan  aliran  untuk setiap  posisi  di  di  dalam  turbin  yang  ditunjukan pada gambar 10.
Gambar 10. Kecepatan aliran fluida untuk setiap posisinya didalam turbin.
Berdasarkan  data  yang  terdapat  pada  tabel  1  dan persamaan 2, maka dayai deal yang dihasilkan oleh turbin adalah sebesar dan  daya  aktual  yang  dihasilkan  oleh turbin  berdasarkan  hasil  simulasi  adalah  sebesar .    Sehingga    turbin propeller yang  dirancang berdasarkan  karakteristik  Sungai  Maliringan  ini memiliki  efisiensi  daya  yg  dihasilkan  berdasarkan persamaan 1 adalah sebesar .

## 4. KESIMPULAN
Simpulan  yang  diperoleh  dari  penelitian  ini  adalah sebagai berikut:
1. Turbin  yang  sesuai  untuk  digunakan  pada sumber  tenaga  air  yang  terdapat  pada  Sungai Maliringan  adalah  turbin propeller dipilih sebagai  turbin  yang  sesuai  dengan  karakteristik dari Sungai Maliringan dan sesuai dengan skala pada penelitian ini.
2. Rancangan turbin yang sesuai dengan karakteristik  Sungai  Maliringan  adalah  sebagai berikut:
1. Diameter luar ( )
2. Diameter dalam (  )
3. Jumlah sudu (z) = 4 buah 4. Jarak antar sudu ( ) 5. Panjang sisi miring sudu (  ) 6. Ketinggian sudu ( ) 3. Efisiensi  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin propeller ini    sebesar    yang    berarti  efisiensi dari rancangan turbin propeller ini masih relatif cukup tinggi.
4. Turbin propeller memiliki  efisiensi  yang  relatif tinggi  untuk  sumber  tenaga  air  yang  memiliki karakteristik  dengan head rendah  tetapi  debit yang relatif besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] 11 Januari 2019. [Online]. Available:
https://www.dbs.com/spark/index/id_id/site/pillars/2019- sumber-energi-terbarukan-ini-tersedia-melimpah-di- indonesia-bukan-cuma-sinar-matahari.html. [Accessed 12 Mei 2019].
[2] W. Paryatmo, Turbin Air, Edisi Kedua ed., Yogyakarta: Penerbit Graha Ilmu, 2007.
[3] A. Wiranto, Penggerak mula turbin, Bandung: ITB, 2004.
[4] T. Mehrzad, COMSOL5 for Engineers, Stylus Publishing, LLC, 2015.
[5] D. S. Fritz Dietzel, Turbin, pompa dan kompresor, Jakarta: Penerbit Erlangga, 1988.
[6] S. Himran, Perancangan, Turbin Air-Teori & Dasar, Yogyakarta: ANDI, 2017.
[7] M. Klaus, Hydraulische und thermische Kraft-und
Arbeitsmaschinen, Springer, 2006.
[8] M. C. Pieter de Vries, "Buku Panduan Energi yang
Terbarukan," Kementerian Dalam Negeri. , vol. I,  2011.