The Blog Single

Simulasi Performa Horizontal Axis Sea Turbine Menggunakan Ansys FLUENT

Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2024)

PENDAHULUAN

Turbin merupakan suatu alat untuk mengkonversikan energi putar menjadi energi Listrik. Turbin terdapat sebuah bilah yang akan berputar apabila sebuah fluida melewati bilah tersebut. Terdapat dua jenis turbin berdasarkan sumbu putarnya, yaitu turbin horizontal dan turbin vertical. Sumbu putar turbin horizontal searah dengan arah fluida seperti pada gambar 1 dan sumbu putar turbin vertikal tegak lurus terhadap arah fluida.

Pada tulisan kali ini penulis akan membahas turbin air, yang satu turbin air yang digerakan oleh arus laut (gambar 1). Tujuan dari simulasi ini untuk mendapatkan perfomansi dari turbin berupa torsi yang dihasilkan dan energi yang dihasilkan. Biasanya dalam simulasi turbin yang dicari berupa power coefficient. Power coefficient merupakan rasio antara energi putar turbin dengan energi dari arus air.

Simulasi kali ini berdasarkan projek dari U.S Departement of Energy, nama projeknya adalah Water Power Technologies Office (WPTO). Untuk detail mengenai projek tersebut dapat dilihat pada referensi di bawah. Terdapat 6 projek yang berkaitan dengan energi terbarukan yang memanfaatkan energi kinetik dari air, seperti  oscillating water column.

PRE-PROCESSING

Geometri kedua turbin merupakan sebuah model turbin (bukan skala asli) karena turbin tersebut akan diuji di dalam laboratorium. Untuk turbin horizontal arus laut disebut RM1. Diameter RM1 sebesar 0.5 m. Secara actual terdapat dua buah turbin yang diuji, namun pada simulasi kali ini hanya 1 turbin saja yang disimulasi.

Simulasi kali ini menggunakan metode Multi Referene Frame (MRF). Terdapat dua domain yaitu domain stationary dan domain rotary. Domain rotary ini akan diberikan RPM turbin pada cell zone condition. Agar mesh di sekitar domain rotary dan di sekitar bilah turbin menjadi banyak, maka diberikan Body of Influence (BOI) domain. Hal ini bertujuan agar mendapatkan profil kecepatan dan torsi yang akurat. Hasil mesh bisa dilihat pada gambar di bawah.

SETUP

Simulasi dilakukan secara steady state. Working fluid yang digunakan adalah water-liquid. Pada bagian cell zone condition diaktifkan frame motion dan diberikan berapa RPM dari turbin. Sebenernya yang berputar adalah domainnya. Metode simulasi ini menggunakan metode MRF (Multiple Reference Frame). Pastikan wall turbin diberikan rotating wall. Untuk bisa mendapatkan torsi yang dihasilkan oleh turbin maka perlu membuat moment pada report definition. Karena secara alamiah simulasi ini transient, dan kita melakukan secara steady, maka perlu mengurangi nilai Time Scale Factor agar simulasi mudah mengalami konvergen.

Karena tujuan simulasi ini untuk mendapatkan perfomansi dari turbin, maka perlu dilakukan beberapa kali simulasi pada RPM yang berbeda-beda. Umumnya dalam simulasi turbin kita perlu mendapatkan grafik power coefficient (Cp) vs tip to speed ratio (TSR). TSR merupakan ratio antara kecepatan tangential pada ujung bilahdengan kecepatan air. Jadi pada simulasi kali ini inlet velocity akan menjadi variable tetap, penulis akan memvariasikan RPM (variable bebas) turbin sehingga mendapatkan nilai TSR yang berbeda-beda.

POST-PROCESSING

Pada simulasi turbin air ini, yang menjadi variable bebas adalah RPM turbin. Kecepatan air dibuat konstan sebesar 1.05 m/s. Dengan kecepatan air sebesar 1.05 m/s maka akan menghasilkan Reynold Number . Variasi RPM turbin ini akan menghasilkan range TSR sebesar 3 sampai 7. TSR merupakan rasio antara kecepatan tengential pada ujung blade turbin dengan kecepatan air. Semakin besar TSR maka kecepatan tangential pada ujung bilah lebih cepat dibandingkan kecepatan air. Dengan kata lain turbin berputar semakin cepat.

Karena kecepatan air dibuat konstan, maka energi kinetik air juga bernilai konstan yaitu sebesar 110 J. Secara teoritis energi maksimum yang dapat diambil oleh turbin air ini adalah sebesar 110 J. Contoh pada TSR = 5, besarnya energi yang didapatkan oleh turbin sebesar 44 J. Rasio antara energi kinetik rotasi turbin dengan energi kinetik air disebut power coefficient (Cp). Pada TSR = 5 didapatkan Cp sebesar 40%. Itu artinya hanya 40% energi yang dapat diambil oleh turbin. Selanjutnya power coefficient (Cp) Vs TSR ini akan dibuatkan grafik seperti pada gambar di bawah.

Tipikal bentuk grafik Cp vs TSR seperti kurva kuadrat terbuka ke bawah. Pada TSR tertentu turbin akan mencapai nilai power coefficient maksimum. Power coefficient maksimum yang dihasilkan oleh turbin bisa berbeda antara desain turbin satu dengan yang lainnya. Pada turbin RM1 ini didapatkan ketika TSR = 5 maka turbin akan mencapai power coefficient maksimum sebesar 40%. Secara teoritis efisiensi maksimum yang dihasilkan oleh suatu turbin (turbin air atau turbin angin) sebesar Betz limit.

Ketika kecepatan air terlalu pelan maka energi yang bisa diekstrak juga kecil. Ketika kecepatan air perlahan semakin kencang maka energi yang bisa diesktrak juga akan semakin meningkat. Jika kecepatan air terlalu cepat maka air akan lewat begitu saja tanpa sempat memutarkan turbin sehingga energi yang bisa diekstrak berkurang, hal ini bisa dilihat pada TSR > 5 dimana terjadi penurunan efisiensi. Maka dari itu antara kecepatan air dan kecepatan putar turbin harus ada kecocokan sehingga energi yang bisa diekstrak menjadi optimum.

Gambar di atas menunjukan hasil eksperimen dari Cp Vs TSR. Didapatkan bahwa trendline grafik Cp Vs TSR sudah sesuai dengan apa yang penulis simulasikan. Hasil eksperimen menunjukan pada TSR = 3 didapatkan Cp sebesar 0.3 sementara penulis mendapatkan nilai Cp pada TSR = 3 sebesar 0.2, terdapat perbedaan sekitar 30%. Hasil eksperimen pada TSR = 5 didapatkan Cp sekitar 0.42 sementara penulis mendapatkan Cp pada TSR = 5 sebesar 0.4, terdapat perbedaan sekitar 5%. Secara umum hasil simulasi yang penulis dapatkan sudah mendekati hasil eksperimen.

Gambar di atas menunjukan hasil eskperimen pembacaan torsi yang dihasilkan oleh turbin air terhadap posisi blade turbin pada TSR = 5.1. Didapatkan dari eksperimen rata-rata torsi yang dihasilkan sebesar 2.5 Nm. Pada tulisan kali ini penulis mensimulasikan pada TSR = 5 didapatkan torsi secara simulasi sebesar 2 Nm. Terdapat perbedaan sebesar 0.5 Nm dengan hasil eksperimen.

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi kontur statis pada seluruh permukaan turbin pada TSR = 5. Dari hasil simulasi didapatkan pada permukaan depan turbin didapatkan range tekanan statis sebesar -100 Pa sampai 3181 Pa yang ditandai dengan warna krem gelap. Pada permukaan belakang turbin didapatkan range tekanan statis sebesar -100 Pa sampai -3382 Pa. Secara umum tekanan statis yang dialami turbin pada TSR = 5 sebesar -1039 Pa. Biasanya distribusi tekanan pada permukaan turbin ini digunakan untuk mencari berapa kekuatan dari struktur bilah turbin.

Gambar di 13 dan 14 menunjukan kontur kecepatan tampak samping dan depan pada TSR = 5. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa tip speed dari turbin pada TSR = 5 sekitar 6 m/s. Dari kedua gambar tersebut menunjukan bahwa semakin menjauhi dari pusat rotasi maka kecepatan fluida semakin besar sesuai dengan persamaan V = RPM*radius. Gambar 15 menunjukan bagaimana pola aliran yang tercipta dari permukaan turbin.

Referensi

Water Power Technologies Office (WPTO) : https://tethys-engineering.pnnl.gov/signature-projects

[1] Geometri tidal current turbine RM1 : https://mhkdr.openei.org/submissions/362

Jurnal studi eksperimen tidal current turbine RM1 :

[2] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163799

[3] Betz Limit : https://en.wikipedia.org/wiki/Betz%27s_law