PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO KAPASITAS 25 KW DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN OSSBERGER PADA JARINGAN IRIGASI DI DUSUN JANJING DAN DUSUN

SEMPUR, KECAMATAN TRAWAS, MOJOKERTO.

(Sudiantoro, Suwarso)

Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh NopemberKampus ITS Keputih Sukolilo – Surabaya 60111

Dengan mempertimbangkan debit, head yang ada , dan daya listrik yang dibangkitkan, perancangan PLTM kapasitas 25 kW dengan menggunakan turbin Ossberger pada jaringan irigasi ini menghasilkan daya output turbin 34,20 kW, efisiensi turbin 85,5 %, efisiensi total PLTM 77,4 % untuk head 7,4 meter, rancangan debit 0,634 m3/dt, putaran poros turbin 500 rpm, putaran spesifik turbin 93,89 rpm, diameter luar runner 0,435 m, diameter dalam runner 0,325 m, lebar runner 0,30 m, jumlah sudu 24 buah, penempatan antar sudu 15o, dan diameter pulley 0,15 m.

Kata kunci : Jaringan irigasi, mikrohidro, turbin, Ossberger, efisiensi, head, debit, runner, putaran poros, putaran spesifik, sudu, pulley.

1

BAB IPENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Krisis listrik di Indonesia nampaknya akan semakin

berkepanjangan, sejalan dengan ketidakberdayaan Perusahaan Listrik Negara (PLN) dalam menopang kebutuhan listrik di seluruh nusantara. Krisis listrik ini sebenarnya telah dipredikasi banyak ahli energi di Indonesia sejak lima tahun yang lalu. Pemadaman bergilir dan pemadaman tetap yang sudah diberlakukan di kota-kota besar di Sumatra (Kompas 12 Juli 2004) nampaknya akan segera merembet ke daerah lain di masa yang akan datang.

Melihat kondisi di atas maka perlu dicari strategi baru yang dapat memenuhi kebutuhan energi dengan meningkatkan produksi energi sekaligus menciptakan kemudahan distribusi energi ke seluruh pelosok tanah air. Salah satu sumber energi yang sangat cocok di Indonesia adalah Pembangkit Listrik Tenga Mikrohidro (PLTMH). PLTMH adalah salah satu Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) low head dengan kapasitas kurang dari 500 Kilo Watt (KW).

Salah satu potensi tenaga air yang belum dimanfaatkan untuk PLTMH adalah jaringan irigasi. Di daerah pedesaan banyak dibangun jaringan-jaringan irigasi yang menyimpan potensi sangat besar untuk dimanfaatkan sebagai PLTMH. Dengan demikian jaringan irigasi mempunyai satu nilai tambah lagi disamping untuk mengairi sawah juga sebagai PLTMH. Seperti di dusun Janjing, dusun terpencil yang terletak dikaki bukit gunung penanggungan ini lokasinya benar-benar terisolasi oleh dusun-dusun lainnya. Di dusun Janjing yang dihuni tidak lebih dari 20 KK ini masih belum ada jaringan listrik, akan tetapi potensi sumber daya airnya yang berupa jaringan irigasinya sangat besar untuk bisa dimanfaatkan sebagai PLTMH. Tidak seperti pada PLTMH pada umumnya yang banyak menggunakan jenis turbin cross-flow sebagai penggerak generator, maka untuk PLTMH di jaringan irigasi menggunakan jenis turbin Ossberger yang memang sangat cocok untuk instalasi PLTMH dengan head dibawah 15 meter. Turbin jenis ini memiliki 2 tingkat kecepatan. Dimana aliran air yang lewat tingkat kedua menghasilkan daya kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama, jadi faedahnya pun tetap ada dan air tanpa kesulitan meninggalkan roda jalan. Perkembangan saat ini dari turbin Ossberger yaitu ditambahkannya dengan pipa hisap, dan sebagai akibatnya daya yang dihasilkan turbin menjadi lebih baik.

1.2. Permasalahan Permasalahan yang ingin coba diangkat pada

tugas akhir ini adalah Bagaimana perancangan dari pembangkit listrik tenaga mikrohidro dengan menggunakan turbin ossberger pada jaringan irigasi ini?

1.3. Tujuan Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk merancang

pembangkit listrik tenaga mikrohidro dengan menggunakan turbin ossberger pada jaringan irigasi.

1.4 Batasan MasalahPermasalahan dalam tugas akhir ini dibatasi pada :

Debit air bersifat tetap berdasarkan curah hujan yang ada baik pada musim hujan maupun musim kemarau.

Head sesuai dengan keadaan dan kondisi di lokasi lapangan.

Turbin yang digunakan adalah jenis turbin Ossberger.

1.5 Metodologi PenelitianDalam mencapai tujuan untuk memecahkan masalah

pada tugas akhir ini dilakukan langkah – langkah kegiatan sebagai berikut :

Survey lapangan langsung ke jaringan irigasi untuk pengambilan data ketinggian head dan debit air.

Studi literatur tentang PLTM dan jenis turbin yang digunakan, yaitu turbin Ossberger.

Perancangan instalasi PLTM di jaringan irigasi. Penghitungan perencanaan kapasitas yang akan

dibangkitkan, efisiensi turbin, head loss mayor dan minor, serta perbandingan daya teoritis dan daya poros.

Analisa hasil penghitungan Menarik kesimpulan dari hasil penghitungan. Menyusun laporan Tugas Akhir.

BAB IITEORI PENUNJANG

2.1 Teori Dasar AliranAir yang mengalir mempunyai energi yang dapat

digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan dipegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Gambar 2.1 menunjukkan bagan pusat tenaga air tekanan tinggi, dari sini dapat diketahui dengan didirikannya bendungan di daerah yang tinggi akan terdapatlah sebuah reservoir air yang cukup besar. Dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga, yang dibangun dibagian bawah bendungan, dan di

Gambar 2.1 Cara kerja PLTMH secara sederhana(3)

dalam rumah tersebut telah dipasang nosel turbin, lewat nosel itulah air akan menyemprot ke luar dan memutar roda turbin, kemudian baru air tersebut dibuang ke sungai. Dari selisih

2

tinggi permukaan air atas TPA dan permukaan air bawah TPB terdapat tinggi air jatuh H. Dengan menggunakan rumus-rumus mekanika fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi bagian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan.

Turbin air merupakan turbin dengan fluida kerja air. Air mengalir dari tempat yang lebih tinggi ketempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran didalam pipa, energi potensial berangsur-angsur berubah menjadi energi keinetik, dan energi kinetik diubah menjadi energi mekanik ketika air memutar roda turbin. Air mengalir melalui turbin memberi tenaga pada penggerak (runner) dari turbin dan membuatnya berputar. Poros penggerak berhubungan langsung dengan generator sehingga tenaga mekanik yang terpenting tersalurkan pada generator. Jadi turbin menempati posisi kunci dalam bidang teknik hidroelektrik.

Setiap turbin terdiri atas sebuah penggerak (runner) dengan bilah-bilah lengkung atau baling-baling yang disusun begitu rupa sehingga air dapat mengalir melalui baling-baling ini. Bentuk dan geometri dari masing-masing penggerak berlainan, penggerak dilindungi kerangka yang memuat mekanisme pengatur yang mengatur air dari pipa penggerak, kecuali turbin Pelton yang pada semua turbin kerangkanya berfungsi hidrolik dan desainnya sama pentingnya dengan desain penggerak.

2.2 Kapasitas Air (Q)(4)

Kapasitas air merupakan hasil perkalian antara kecepatan terhadap luas penampang aliran, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

Q = A x v ……………………2.2

Dimana :A = Luas penampang lintang saluran (m2), v = Kecepatan Aliran (m/s)

2.3 Head Loss(4)

Perhitungan head loss meliputi penjumlahan dari head loss mayor (HL) dan head loss minor (HLm). Head loss mayor disebabkan karena adanya gesekan pada dinding pipa , sedangkan head loss minor disebabkan karena sambungan , belokan, perubahan luas penampang, dan lain-lain.

2.4 Head Loss Mayor(4)

Head loss mayor disebabkan karena adanya gesekan pada dinding pipa sepanjang aliran fluida. Besarnya head loss mayor dapat menggunakan persamaan berikut ini

HL = f x x …………2.3

Dimana :f = koefisien kerugian gesek; L = panjang pipa; D = diameter dalam pipa (m); V = kecepatan aliran fluida dalam pipa; g = percepatan grafitasi (m/dt)

Untuk menentukan besarnya koefisien gesek (f) maka perlu diketahui dulu kecepatan aliran, dengan cara menentukan besarnya bilangan Reynold (Reynold Number). Besarnya Reynold Number dapat dicari dengan persamaan dibawah ini:

Re = …………………2.4

Dimana :V = kecepatan fluida dalam pipa; D = diameter dalam pipa; v = viskositas kinematik fluida (m2/dt)

Apabila dari perhitungan diperoleh harga Re, maka jenis aliran fluida akan dapat diketahui. Adapun harga Re

adalah sebagai berikut:Re < 2300 aliran bersifat laminarRe > 4000 aliran bersifat turbular

Untuk aliran laminar, besarnya koefisien gesek dapat dicari dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

f = …………………… 2.5

Sedangkan untuk aliran turbular besar koefisien geseknya bergantung kepada Reynold Number dan Relatif Roughness (e/D) yang dapat dilihat pada lampiran dan selanjutnya nilai tersebut dapat diplotkan pada moudy diagram.

2.5 Head Loss Minor (HLm)(4)

Head loss minor merupakan kerugian-kerugian head karena adanya sambungan, belokan, penyempitan, dll. Besarnya head loss minor dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

HLm = f x x K = f x

HLm = K x ……………2.6

Dimana:K = koefisien kerugian; V = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/dt); f = koefisien kerugian gesek; g = percepatan

grafitasi (m/dt); = panjang ekivalen

Cara menentukan harga K untuk berbagai bentuk transisi pipa akan diperinci, sebagai berikut:

1. Ujung masuk pipaJika V merupakan kecepatan dalam pipa, maka harga koefisien kerugian K dari rumus diatas untuk berbagai bentuk ujung masuk pipa menurut persamaan Weisbach adalah sebagai berikut:

(i) K = 0,5(ii) K = 0,25(iii) K = ),06 (untuk r kecil) sampai

0,005 (untuk r besar)(iv) K = 0,56

3

(v) K = 3,0 (untuk sudut tajam) sampai 1,3 (untuk sudut 45o)

(vi) K = K1 + 0,3 cos θ + 0,2 cos2 θ Dimana K1 adalah koefisien kerugian bentuk dari ujung masuk pipa.

Gambar 2.5 Berbagai bentuk ujung masuk pipa(4)

2. Ujung keluar pipaKoefisien kerugian pada ujung keluar pipa adalah K = 0,1

3. Belokan pipaAda dua macam belokan pipa, yaitu belokan lengkung dan belokan patah

Untuk belokan lengkung sering digunakan rumus Fuller dimana K dinyatakan sebagai berikut:

K = …2.7

Dimana:D = diameter dalam pipa (m); R = jari-jari lengkung belokan (m); θ = sudut belokan; K = koefisien kerugian

Gambar 2.6 Koefisien kerugian pada belokan pipa(4)

Untuk belokan patah didapat dari percobaan Weisbach dimana K dinyatakan sebagai berikut:

K = 0,946 sin2 ………2.8Dimana θ : sudut belokan

Tabel 2.2 Koefisien belokan pada pipa(4)

4. Pembesaran dan penyempitanUntuk pembesaran dan penyempitan patah, koefisien kerugiannya didapatkan dari penarikan garis antara Area Ratio (A2/A1) dengan grafik masing-masing pada diagram dibawah ini.

Gambar 2.7 Koefisien kerugian perubahan penampang patah(4)

Untuk penyempitan secara gradual, koefisien kerugiannya didapatkan dari table dibawah ini, sesuai dengan derajat penyempitannya.

Tabel 2.3 Koefisien kerugian penyempitan gradual(4)

Untuk pipa maupun perubahan yang terbentuk selain bulat maka harga hidrolik diameternya sebagai berikut:

Dh = ……………………2.9

Dimana:Dh = diameter hiodrolik; A = luas penampang pipa bulat; P = keliling pipa selain bulat

2.6 Hukum I Thermodinamika(4)

4

Persamaan Hukum I Thermodinamika

Q - W = system ………2.10

Dimana:

Persamaan momen of momentum dalam system (C II)

…………………2.11

dimana: total torsi system; = momentum anguler dalam

systemPersamaan momentum anguler dalam system

…

2.12

Persamaan ini bisa langsung digunakan dalam persamaan momen of momentum

…2.13

Hubungan antara system dan C yang tetap adalah

dimana: Nsistem =

Jika N = dan , maka:

Kombinasi dari persamaan diatas

=

………2.14

2.7 Aplikasi Pada Turbo Mesin(4)

Asumsi :(1) Torsi yang disebabkan oleh gaya surface

diabaikan(2) Karena gaya body simetri, maka diabaikan(3) Aliran Steady

Maka :

…………………...2.15

Jika : = , maka:

………2.16

….……….2.17

Dimana Tshaft <0, untuk turbin.Jadi persamaan Euler turbin adalah

…………2.18

…………..2.19

2.7 Daya Turbin Teoritis(4)

Daya turbin teoritis didapatkan dari perkalian dot dari kecepatan angular turbin ( dan torsi , sehingga persamaanya dapat ditulis sebagai berikut:

………2.20

untuk u = r. , maka

Gambar 2.9 Kecepatan yang bekerja pada sudu

Karena turbin Ossberger ini memiliki dua tingkat kecepatan, maka:

Dimana: un = kecepatan tangensial, n menunjukkan posisinya; Cun = kecepatan mutlak tangensial, n menunjukkan posisinya.

2.8 Turbin Ossberger(7)

Turbin aliran Ossberger, gambar 2.10 pemasukan air ke sudu turbin secara radial. Air disalurkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama air dari luar

(3)(2)(1)

5

masuk kedalam silinder sudu-sudu dan kemudian dari dalam keluar.

Gambar 2.10 Penampang turbin aliran Ossberger(7)

Jadi kerjanya roda turbin ini adalah seperti turbin pelton yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja yang bekerja membalikkan aliran air. Turbin aliran ini baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya kurang lebih 750 kW. Tinggi air jatuh yang bisa digunakan diatas 1 m sampai dengan 200 m dan kapasitasnya antara 0,02 m3/detik sampai dengan 7 m3/detik. Randemennya kurang lebih 80%. Kecepatan putarnya antara 60/menit sampai 200/menit tergantung kepada diameter roda.

Gambar 2.11 Grafik randemen turbin Ossberger(3)

Turbin jenis ini

memiliki 2 tingkat kecepatan. Dimana aliran air yang lewat tingkat kedua menghasilkan daya kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama, jadi faedahnya pun tetap ada dan air tanpa kesulitan meninggalkan roda jalan. Perkembangan saat ini dari turbin Ossberger yaitu ditambahkannya dengan pipa hisap, dan sebagai akibatnya daya yang dihasilkan turbin menjadi lebih baik.

Gambar 2.12 Konstruksi Turbin Ossberger(7)

Di dalam daerah daya turbin tersebut diatas cocok untuk dipakai menggerakkan penggilingan, penggergajian kayu, Bengkel, Generator listrik kecil, pompa-pompa dan lain-lainnya, jadi turbin ini telah tersebar jauh dimana-mana

BAB IIIPERANCANGAN DAN PENGUMPULAN DATA

3.1 Pengumpulan Data.3.1.1 Data Generator

Adapun generator yang digunakan adalah generator alternator Stamford BC184G (3 phase) dengan spesifikasi:Class HSerus star : 400VDaya : 31,3 kVADaya Output : 25 kWCos Ф : 0,8Efisiensi : 0,87Frekuensi : 50 HzPutaran : 1500 rpm

3.1.2 Data Belt(1)

Untuk mentransmisikan daya dari turbin ke generator digunakan flat belt dengan type GT 20, dengan efisiensi 0,89.

3.1.3 Debit Saluran Irigasi Utama dan Kali MaronDebit air merupakan hasil perkalian antara kecepatan

terhadap luas penampang aliran, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

Q = A x v Dimana :A = Luas penampang lintang saluran (m2), v = Kecepatan Aliran (m/s).

Oleh karena debit air yang masuk melalui saluran irigasi utama adalah berasal dari aliran Kali Maron, maka agar didapatkan debit air yang konstan sepanjang tahun diperlukan penelitian dan pengambilan data debit air dari Kali Maron tersebut. Data yang diperoleh didapatkan dari PPLH Seloliman yaitu data debit bulanan Kalimaron dalam rentang waktu tahun 1994 – 2004. Untuk lebih jelasnya data tersebut ditampilkan dalam bentuk table dan grafik.

Tabel 3.1 Debit bulanan Kali Maron tahun 1994 - 2004

Tahun Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober Nopember Desember

1994 7.435 7.894 7.387 6.144 4.885 5.754 4.030 3.269 3.453 5.575 7.903 7.8651995 7.761 7.600 7.584 5.033 5.615 4.782 3.011 3.199 3.199 4.859 6.646 7.1171996 6.291 7.273 6.369 3.232 4.874 4.099 3.896 4.374 3.528 4.397 5.650 7.8751997 7.722 6.004 7.842 5.289 4.709 3.418 3.657 3.903 4.333 5.447 6.417 6.7751998 6.285 6.908 7.834 6.925 5.988 5.924 3.056 3.600 3.499 4.088 6.335 7.6531999 7.322 7.209 7.660 6.211 6.915 4.685 4.701 3.034 3.476 5.582 5.924 7.9292000 8.007 8.871 7.094 4.125 4.667 3.079 3.218 3.117 3.831 3.737 3.565 4.8652001 5.521 3.780 4.639 4.735 3.905 3.294 3.803 3.967 3.140 3.896 5.425 7.6282002 7.165 7.280 7.620 6.666 6.019 5.706 3.768 3.150 4.981 4.133 6.148 7.0292003 8.434 7.991 8.227 6.056 5.496 3.186 3.414 4.675 3.919 3.450 7.974 7.3672004 7.468 7.501 7.035 6.451 0 0 3.446 4.324 4.583 3.003 7.761 7.445

Total 79.411 78.311 79.291 60.867 53.073 43.927 40.000 40.612 41.942 48.167 69.748 79.548Rata-rata 7.219 7.119 7.208 5.533 4.825 3.993 3.636 3.692 3.813 4.379 6.341 7.232

Sumber : Data statistik PPLH Seloliman

DATA DEBIT BULANAN KALIMARON TAHUN 1994 - 2004

6

Gambar 3.1 Grafik Debit Bulanan Kali Maron tahun 1994 – 2004

Berdasarkan data debit bulanan dalam bentuk tabel dan grafik diatas dapat dilihat bahwa debit terendah terjadi pada bulan-bulan Juni – September dengan kisaran debit antara 3,000 m3/dt – 3,800 m3/dt. Kemudian dilakukan pengukuran debit maksimum yang dapat dilalui pada saluran irigasi utama. Pengukuran dilakukan dengan membuka pintu air pada saluran irigasi utama dengan bukaan pintu 100 %, kemudian dilakukan pengukuran kecepatan air yang mengalir pada saluran irigasi utama tersebut.

Untuk mendapatkan besarnya kecepatan aliran air, dilakukan pengukuran dengan menggunakan flow meter. Kemudian dilakukan juga pengukuran luas penampang saluran irigasi utama untuk mendapatkan besarnya luas penampang saluran irigasi utama. Setelah didapatkan besarnya kecepatan aliran air yang mengalir melalui saluran irigasi utama dan juga didapatkan besarnya luas penampang saluran irigasi utama maka bisa dihitung besarnya debit maksimum yang dapat memalui saluran irigasi utama

Luas Penampang Saluran (A)

Gambar 4.1 Penampang saluran irigasi utama.

L1 (lebar bawah) = 152 cmL2 (lebar atas) = 187 cmt = 100 cmLebar permukaan air pada saluran pembawa (L2)

Perbandingan segitiga sama kaki

L2 = 172,65 cm

Luas penampang air pada saluran tersebut :

A = 9577,175 cm2

A = 0,9577 m2 ≈ 0,96 m2

Kecepatan Aliran (v)Dari hasil pengukuran kecepatan aliran dengan menggunakan flow meter yang diambil pada saluran irigasi utama didapatkan bahwa kecepatan aliran pada saluran irigasi utama menuju ke bak pembagi saluran irigasi adalah sebesar 1,14 m/dtJadi debit air pada saluran irigasi utama menuju bak pembagi saluran irigasi adalah :

Q = A x v Q = 0,96 m2 x 1,14 m/dt Q = 1,0944 m3/dt

Q = 1094,4 liter/dt

Debit maksimum pada saluran irigasi utama adalah sebesar 1,0944 m3/dt, sementara debit minimum Kali Maron berkisar antara 3,000 m3/dt – 3,800 m3/dt. Hal ini berarti bahwa debit minimum Kali Maron masih mampu untuk digunakan sebagai aliran irigasi dan untuk produksi PLTM, dengan kata lain PLTM dapat beroperasi dengan produksi 100 % setiap tahunnya.

3.1.4 Perencanaan Kapasitas Turbin OssbergerDalam perancangan PLTM dengan kapasitas daya

keluaran generator sebesar 25 kW listrik, penentuan kapasitas daya keluaran turbin sebagai penggerak generator adalah sangat penting. Penentuan kapasitas daya turbin dapat dihitung dengan membagi daya keluaran generator dengan efisiensi generator dan belt.

WG.out = Wm x ηG x ηBelt

25 kW = Wm x 0,80 x 0,89 Wm = 35 kW

Dari perhitungan diatas, maka kapasitas daya turbin yang digunakan adalah 35 kW. Untuk efisiensi generator dan efisiensi belt digunakan nilai efisiensi yang minimum

3.1.5 Debit Perencanaan dan Head

L3

L2

L1

t1 = 59 cm

Gafik Debit Bulanan Kali Maron tahun 1994 - 2004

012345678

Janu

ari

Febru

ari

Mar

etApr

ilM

eiJu

ni Juli

Agustu

s

Septe

mbe

r

Oktobe

r

Nopem

ber

Desem

ber

deb

it (

m3/

dt)

7

Debit perencanaan adalah debit air yang mengalir melalui Pipa Pesat menuju ke turbin untuk memutar turbin.Debit perencanaan ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.1)

P = Q x w x g x H x ητ

40 kW = Q x 1000 kg/m3 x 9,8 m2/dt x 7,4 m x 0,80Q = 0,634 m3/dt

Head adalah selisih tinggi permukaan air atas dan tinggi permukaan air bawah, diukur vertikal. Pengukuran head dapat menggunakan sebuah alat yang bernama theodolite. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai head sebesar 7,4 meter.

3.1.6 Laju Aliran Massa ( )Laju aliran massa ( ) merupakan massa air masuk

ke turbin untuk memutar roda turbin. Laju aliran massa dapat dicari dengan mengalikan kapasitas air dengan massa jenis air.

Dimana:

ρ = massa jenis air = 997 kg/m3 (lampiran 1 pada T = 250C)Q = kapasitas air = 0,684 m3/dt

= Q x ρ= 0,634 m3/dt x 997 kg/m3

= 632,10 kg/dt

3.1.7 Perencanaan Pipa Pesat(5)

Pipa pesat adalah pipa yang membawa air jatuh ke arah mesin turbin. Disamping itu pipa pesat juga mempertahankan tekanan air jatuh sehingga energi tidak terbuang. Dalam perencanaan pipa pesat ini perlu ditentukan diameter yang ekonomis karena pipa dengan diameter besar mengakibatkan tebalnya lebih besar, beratnya lebih besar, sehingga harga jadi lebih mahal. Tetapi kecepatan aliran menjadi lebih kecil, sehingga head loss karena pergesekan dan tikungan menjadi lebih kecil juga. Sementara pipa dengan diameter kecil mengakibatkan tebalnya lebih kecil, beratnya lebih kecil, sehingga harga jadi lebih murah. Tetapi kecepatan menjadi lebih besar sehingga kehilangan energi juga menjadi lebih besar. Oleh karena pertimbangan-pertimbangan diatas maka diperlukan untuk menentukan diameter pipa yang lebih ekonomis. Untuk perancangan PLTM ini, maka penulis memilih alternatif pemilihan diameter pipa berdasarkan pertimbangan Head Loss yang paling kecil.

3.1.8 Penentuan Kecepatan putar Turbin Ossberger(7)

Pada perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) di jaringan irigasi ini, digunakan generator dengan kecepatan putar 1500 rpm. Kecepatan putar poros turbin (nturbin) dapat dihitung dengan persamaan

i =

dimana nilai i = 1, 2 atau 3i = 1 menunjukkan kecepatan putar turbin tinggi

i = 2 menunjukkan kecepatan putar turbin sedangi = 3 menunjukkan kecepatan putar turbin rendah

karena turbin Ossberger ini adalah termasuk dalam golongan turbin dengan kecepatan putar rendah maka nilai i diambil yang i = 3. Sehingga kecepatan poros turbin sebesar:

nturbin =

= = 500 rpm

Dengan demikian maka kecepatan putar poros turbin yang digunakan adalah sebesar 500 rpm.

3.1.9 Penentuan Kecepatan Spesifik Turbin(7)

Setelah diketahui kecepatan putar porosnya maka dapat dihitung besarnya kecepatan spesifik turbin.

nq = rpm

nq =

nq = 93,89 rpm

Dengan demikian maka kecepatan spesifik turbin adalah sebesar 93,89 rpm. kecepatan spesifik turbin, ini nantinya akan digunakan dalam perhitungan penentuan dimensi turbin.

BAB IVPERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN HASIL

PERANCANGAN

4.2 Perhitungan Hasil Perancangan4.2.1 Head Loss(4)

Kerugian dalam instalasi ini merupakan kerugian yang disebabkan oleh aliran air dalam pipa (head loss mayor) dan oleh belokan-belokan, penyempitan, pelebaran, dll (head loss minor).

Pada Pipa PesatUntuk pipa yang dipergunakan adalah pipa jenis

PVC yang tertanam didalam tanah sedalam 1.5 m, dimana:- Panjang total = 32 m- Elbow = 77o

- Belokan Patah = 15o dan 35o

- Diameter = 0,50 m

Kecepatan Aliran Dalam Pipa PesatKecepatan aliran dalam pipa merupakan

perbandingan antara kapasitas air dengan luas penampang pipa.

8

v = 3,23 m/dt

Reynolds Number(4)

Reynolds number ini dihitung untuk mengetahui bentuk aliran dalam pipa. Besar Reynolds number dicari dengan menggunakan persamaan dibawah ini:

Re = v = viskositas

kinematik = 0,9.10-6 m2/s

Re =

Re = 17944444,44Karena Re>4000, maka aliran fluida

bersifat turbulen. Head Loss Mayor (HL)(4)

Setelah menentukan jenis aliran fluidanya, kemudian menentukan besarnya koefisien gesek pipa. Karena bahan pipa dari PVC maka diperoleh harga e = 0,00021 cm (lampiran 2). Berdasarkan bahan PVC tersebut, maka dapat diketahui harga e/D = 0,0000042. Dengan mengetahui Re dan e/D maka diperoleh koefisien gesek f menggunakan Moudy diagram, f = 0,009 (lampiran 3).Besarnya Head Loss Mayor (HL)

HL = f x

HL = 0,009 x

HL = 0,24 m

Head Loss Minor (HLm)(4)

Head loss minor merupakan kerugian-kerugian head karena adanya sambungan, belokan, penyempitan, dll.

Untuk model ujung masuk pipa seperti gambar 4.2

Gambar 4.1 Ujung masuk pipa

K = K1 + 0,3 x Cos θ + 0,2 x Cos2θ K1 = 0,5

K = 0,5 + 0,3 x Cos 77o + 0,2 x Cos277o

K = 0,57

Belokan patah 15o

K = 0,946 x Sin2θ/2 + 2,047 x Sin4θ/2K = 0,946 x Sin215o/2 + 2,047 x Sin415o/2K = 0,0166

Belokan patah 35o

K = 0,946 x Sin2θ/2 + 2,047 x Sin4θ/2K = 0,946 x Sin235o/2 + 2,047 x Sin435o/2K = 0,103

Perubahan penampang dari bulat ke bujur sangkaro Luas penampang bulat (A1) =

o Luas penampang bujur sangkar (A2) = S2 = 0,502

= 0,25m2

o Perbandingan luas penampang =

= 0,784o Expantion loss coefficient (Ke) = 0,033

Perubahan penampang dari deflectoro Untuk penampang bujur sangkar Dh1 =

m

o Untuk penampang persegi panjang Dh2 =

o Diameter ratio, β =

o Contraction loss coefficient (Ke) = 0,1

Head Loss minor

HLm = (K1 + K2 + Ke + KC)

HLm = (0,57 + 0,012 + 0,033 + 0,1)

HLm = 0,29 m

Head Loss Total Pipa PesatBesarnya head loss total pada pipa pesat dapat

ditentukan dengan menjumlahkan head loss mayor dan head loss minor

HLtotal = HL + HLm

HLtotal = 0,24 + 0,29HLtotal = 0,53 m

v

θ

9

4.2.2 Perhitungan dimensi utama turbin (7).Pada perancangan ini menggunakan metode yang

digunakan oleh A.G.M. Michell dan Donati Banki, dimana mereka adalah penemu turbin jenis ini (Turbin Ossberger).

Menentukan diameter runner. Sisi masuk roda turbin.

Diameter runner dapat dicari dengan menggunakan persamaan :

D1 =

Dimana besarnya u1 = u1*

Sedangkan nilai u1* didapat dari melihat pada grafik

kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u1* = 0,98 maka:

u1 = 0,98 = 11,38 m/dt

sehingga harga D1

D1 =

= 0,435 mUntuk mendapatkan segitiga kecepatan masuk, perhitungan dapat dilakukan dari persamaan Euler

=

=

= 4,74 m/dt

Kemudian ditentukan aksial komponen dari c1 dari nilai

yang didapat berdasarkan grafik.

Dari grafik kita dapatkan nilai = 0,27, maka

cm1 =

= 0,27 = 3,13 m/dt

cm1 merupakan komponen meridian dari c1 yang tegak lurus pada arah kecepatan tangensial (u).

Dengan demikian segitiga kecepatan masuk bisa digambar.

Gambar 4.2 Segitiga kecepatan sisi masuk roda turbin

dan selanjutnya didapat:

c1 = = 5,68 m/dt ; α1 = arc tg = 330

β1 = arc tg = 250 ;

w1 = = 7,34 m/dt

lebar roda

b1 = = 0,30 m

Sisi keluar roda turbin.

u2i = u2i*

Sedangkan nilai u2i* didapat dari melihat pada grafik

kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u2i* = 0,45,

maka:

u2i = 0,45 = 5,22 m/dt

sehingga harga D2i

D2i =

= 0,20 mu2a = u2a

*

Sedangkan nilai u2a* didapat dari melihat pada grafik

kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u2a* = 1,02,

maka:

u2a = 1,02 = 11,84 m/dt

sehingga harga D2a

D2a =

= 0,45 m

kemudian nilai u2 rata-rata = 8,53 dan D2 rata-rata = 0,325 Untuk turbin aksial arah aliran air yang

meninggalkan sudu gerak diharapkan sejajar dengan poros turbin (α2 = 900), sehingga besar dan arah kecepatan absolut air meninggalkan sudu gerak (c2) sama dengan besar dan arahnya dengan kecepatan meridiannya (cm2). Sehingga tidak ada komponen kecepatan absolut pada arah kecepatan tangensial.

c2 = c*2

Sedangkan nilai c2* didapat dari melihat pada grafik

kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga c2* = 0,32,

maka:

c2 = 0,32

cu1

u1

cm1 c1

α1β1

w1

10

= 3,72 m/dtDari u2 = 8,53 m/dt, c2 = 3,72 m/dt yang tegak lurus ke u2, dengan demikian segitiga kecepatan masuk bisa digambar.

Gambar 4.3 Segitiga kecepatan sisi keluar roda turbin

dan selanjutnya didapat:

α2 = 900 ; β2 = arc tg = 23,50

w2 = = 9,31 m/dt

Sudu turbin(7)

Jumlah sudu berkisar antara 24 sudu sampai dengan 30 sudu untuk besar diameter runner 0,3048 meter sampai dengan 0,9144 meter. Untuk perancangan ini diambil jumlah sudu yang terkecil yaitu 24 sudu.

Penempatan sudu pada runner ; = 150

Jadi sudu ditempatkan setiap 150 pada runner.

Transmisi mekanik(2)

Untuk mentransmisikan daya dari turbin ke generator digunakan flet belt dengan type GT 20, dengan efisiensi 0,89 (referensi 5 pada lampiran). Flet belt diletakkan pada pulley dengan diameter yang dapat dihitung dengan cara sebagai berikut:

diameter pulley = 0,15 m

4.2.3 Daya Output Turbin (Wm)(4)

Daya output turbin dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut ini:

Wm = [(U1.Cu1 – U2.Cu2)]

Wm = [(11,38 x 4,74 – 9,7 x 0)] x 632,10Wm = (53,94) x 632,10Wm = 34195,47 WattWm = 34,20 kW

4.2.4 Efisiensi Turbin(2)

Efisiensi turbin merupakan perbandingan antara Daya output turbin (daya poros) terhadap hydraulic power (daya air).

ηT =

ηT =

ηT = 0,855 x 100 %ηT = 85,5 %

4.2.5 Daya Output Generator(2)

Daya Output Generator dapat dihitung dengan mengalikan daya output turbin terhadap efisiensi generator dan belt. Persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

WG.out = Wm x ηG x ηBelt

= 34,20 kW x 0,87 x 0,89 = 26,48 kW

4.2.6 Efisiensi PLTM(2)

Efisiensi PLTM merupakan perbandingan antara daya output generator dengan daya output turbin. Besarnya dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:

= x 100%

= x 100%

= 77,4 %

4.3 Pembahasan Hasil Perancangan dan Perhitungan Setelah dilakukan perhitungan-perhitungan dari data-

data dan hasil perancangan didapatkan daya output turbin atau daya poros sebesar 34,20 kW. Sedangkan efisiensi turbin yang dihasilkan dari perhitungan dengan membagi antara daya poros (daya output turbin) dengan daya air (hydraulic power) di dapatkan harga sebesar 0,855 atau 85,5 %. Kemudian daya output generator yang dapat dihasilkan adalah sebesar 26,48 kW yang didapatkan dengan mengalikan daya poros dengan efisiensi generator dan belt. Generator yang digunakan adalah Alternator Stamford BC184G 31,3 kVA dengan efisiensi 0,87 dan untuk mentransmisikan dayanya menggunakan flet belt T20 dengan efisiensi 0,89

Perbedaan yang besar antara daya output turbin dan daya air (hydraulic power) yang didapatkan ini bisa disebabkan karena :

Adanya kerugian hidrolis yang disebabkan gesekan antara fluida dan saluran antar sudu didalam turbin.

Adanya kerugian mekanis yang disebabkan gesekan-gesekan mekanik.

Adanya kerugian sirkulasi. Pengaruh belokan pada deflektor yang diabaikan.

BAB VKESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KesimpulanTelah selesai dibuat rancangan Pembangkit Listrik

Tenaga Mikrohidro kapasitas 25 kW dengan menggunakan turbin Ossberger pada jaringan irigasi di dusun Janjing dan

u2

w2

α1β1

c2

11

dusun Sempur, Kecamatan Trawas, Mojokerto. Beberapa hal yang dapat dikemukakan :

PLTM pada jaringan irigasi ini dirancang untuk spesifikasi sebagai berikut:

Daya turbin = 34,20 kWDebit rancangan = 0,634 m3/dtHead minimal = 7,4 mPutaran poros turbin = 500 rpmPutaran spesifik turbin = 93,89 rpmDiameter luar runner = 0,435 mDiameter dalam runner = 0,325 mLebar roda jalan = 0,30 mJumlah sudu = 24 buahPenempatan antar sudu = 150 Diameter pulley = 0,15 m

Hasil rancangan PLTM pada jaringan irigasi ini sesuai dengan hasil perhitungan, menghasilkan daya output turbin 34,20 kW, daya output generator 26,48 kW.

Efisiensi total PLTM 77,4 % dan Efisiensi turbin 85,5 %.

5.2 SaranUntuk melengkapi laporan tugas akhir ini ada

beberapa saran dari penulis yang bisa diberikan sebagai bahan pertimbangan agar untuk ke depan hasil perancangan dan perhitungan yang didapatkan akan lebih baik lagi. Adapun saran tersebut adalah :

Dalam hal instalasi pipa pesat, sedapat mungkin meminimalkan adanya belokan dan penyempitan untuk memperkecil head loss.

Karena memanfaatkan saluran irigasi, perlu dipertimbangkan agar jangan sampai dengan adanya PLTM ini malah mengurangi produktifitas debit untuk pengairan sawah masyarakat.

DAFTAR PUSTAKA

1. Beratha, I Wayan Dr. Ir. DEA, “Diktat Kuliah Elemen Mesin I”, FTI-ITS, Surabaya, 1996.

2. Creager, W.P, J.D. Justin, “Hydroelectric Handbook”, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1985.

3. Dietzel, Fritz Prof. Dipl. Ing., “Turbin, Pompa, dan Kompresor”, Erlangga, Jakarta, 1996.

4. Fox, Robbert W., Alan T. Mc Donald, “Introduction To Fluid Mechanics”, Threed Edition, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1990.

5. Jurnal IPTEK, “Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di jaringan irigasi”, Team Pengembangan Potensi Sumber Daya Air (Pusat Penelitian dan Pengembangan Sumber Daya Air, Bandung).

6. Merrill Richard, Thomas Gage, “Energy Primer : Solar, Water, Wind, and Biofuels”, Portola Institute, California, 1978.

7. Mockmore, C.A, Fred Merryfield, “The Banki Water Turbine: Bulletin 25”, Oregon State University, 1949

8. Wiranto Arismunandar, “Penggerak Mula Turbin”, ITB, Bandung, 1988.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Sudiantoro, dilahirkan di Surabaya, Jawa Timur, 02 Mei 1979. Setelah lulus dari SMUN 9 Surabaya, meneruskan pendidikan di D3 Instrumentasi ITS, lulus pada tahun 2001. Kemudian melanjutkan pendidikan S1 Lintas Jalur di Jurusan

Teknik Fisika – FTI Institut Teknologi Sepuluh Nopember di Surabaya pada tahun 2003.

12