pikohidro menggunakan turbin tipe rotor sekrup …

Yulianto dkk, Pikohidro Menggunakan Turbin, Hal 1-17

1

PIKOHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN

TIPE ROTOR SEKRUP PARSIAL

Yulianto1)

Bambang Priyadi2)

Tarmukan3)

Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang 1) [email protected] 2) [email protected]

3) [email protected]

Abstrak

Untuk meningkatkan daya guna sumber energi terjun air pada aliran

datar yang tersedia cukup banyak, perlu dikembangkan alat konversi

energi berupa turbin dan generator. Sepasang perangkat ini berfungsi

untuk mengubah energi potensial air menjadi energi listrik. Untuk itu,

perlu adanya perancangan turbin yang efektif dan efisien jika diterapkan

pada aliran datar. Perancangan yang telah dibuat berupa turbin sekrup

yaitu turbin dengan rotor berbentuk sekrup unik dimasukkan dalam

sebuah pipa pesat unik sehingga dapat mengkonversi sebagian besar

energi terjun air menjadi energi mekanik secara efektif.

Pada penelitian ini dilakukan rancang bangun dan pengujian turbin

sekrup yang digunakan untuk memutar generator arus searah sehingga

menghasilkan listrik. Yang menjadi variabel penelitian adalah

karakteristik turbin meliputi sudut sudu, kecepatan putar, dan torsi.

Pengujian dilakukan dengan mengubah sudut sudu 45o, 60

o, dan 75

o

untuk kondisi tanpa beban dan berbeban dengan debit aliran konstan.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada sudut sudu rendah (45o)

diperoleh putaran dan torsi lebih rendah, demikian juga pada sudut sudu

yang terlalu besar (75o). Hasil yang paling baik diperoleh pada sudut

sudu 60o. Kelemahan turbin ini yaitu jatuhnya kecepatan putar akibat

pembebanan tidak diimbangi dengan naiknya torsi, tapi sebaliknya yaitu

justru mengakibatkan jatuhnya torsi. Dari hasil pengujian menunjukkan

bahwa pembebanan sebaiknya tidak menyebabkan jatuhnya kecepatan

putar sampai dibawah 50 % putaran tanpa beban agar diperoleh daya

output optimal.

Kata-kata kunci: pikohidro, turbin sekrup, parsial, aliran datar.

mailto:[email protected]



Jurnal ELTEK, Vol 16 Nomor 02, Oktober 2018 ISSN 1693-4024

2

Abstract

In order to increase the efficiency of energy sources plunging water on

the available flat flow, there is a need to develop an energy conversion

tool in the form of a turbine and generator. This pair of devices serves to

convert the potential energy of water into electrical energy. For this

reason, it is necessary to design turbines that are effective and efficient

if applied to flat flow. The design that has been made in the form of a

screw turbine is a turbine with a unique screw-shaped rotor inserted in

a unique rapid pipe so that it can convert most of the waterfall energy

into mechanical energy effectively.

In this research, the design and testing of screw turbines are used to

rotate direct current generators to produce electricity. The research

variables are turbine characteristics including blade angle, rotational

speed, and torque. The test is carried out by changing the blade angle of

45o, 60

o, and 75

o for no-load and load conditions with a constant flow

rate.

The test results show that at a low blade angle (45o) a lower rotation

and torque is obtained, as well as the angle of the blade that is too large

(75o). The best results are obtained at the angle of the 60

o blade. The

disadvantage of this turbine is that the fall in rotational speed due to

loading is not matched by an increase in torque, but on the contrary, it

results in a fall in torque. From the test results show that loading should

not cause a fall in the rotating speed to below 50% of the load without

load in order to obtain optimal output power.

Keywords: pycohydro, screw turbine, partial, streamline flow.

1. PENDAHULUAN

Kebanyakan sungai-sungai berupa aliran datar atau

mempunyai kemiringan terjun air yang kecil, tapi mempunyai

debit yang cukup besar. Dengan mengandalkan debit air, aliran

ini memiliki energi yang cukup untuk digunakan sebagai

pembangkit listrik skala piko. Untuk mengkonversi tenaga air

menjadi tenaga putar diperlukan turbin dengan desain yang tepat.

Turbin yang umum digunakan berupa kincir air sehingga banyak

energi air yang terabaikan dan tak bisa dikonversi ke energi

mekanik. Turbin jenis lain adalah Archimedes screw generator

(ASG) digunakan pada ketinggian terjun air yang rendah karena

memiliki efisiensi lebih 80%, dengan harga yang kompetitif, dan

tidak mempunyai pengaruh lingkungan yang cukup berarti. Pada


3

ketinggian terjun air rendah (kurang dari 5 meter), ASG memiliki

potensial terbesar dibandingkan jenis lainnya [1]. Parameter ASG

yang berpengaruh terhadap hasilnya adalah diameter luar dan

dalam dari ulir, kemiringan, jarak ulir, dan kondisi masukan dan

keluaran. Disamping ketinggian terjuan air itu sendiri. Turbin

Archimedes screw merupakan jenis turbin yang bekerja pada laju

aliran air yang rendah dan dapat dimanfaatkan untuk pembangkit

listrik level mikro. Keccepatan putar maksimum poros turbin di

capai jika turbin pada elevasi sudut 30o [1]. Tekanan maksimum

terjadi pada inlet turbin dengan satu sudu dan laju aliran pada

sitem turbin Archimedes berbanding terbalik terhadap jumlah

sudu. Semakin banyak jumlah sudu yang dimiliki turbin maka

semakin berkurang laju aliran yang dihasilkan [2]. Kecepatan

putar turbin screw tergantung pada jarak pitch, juga gesekanan

yang terjadi antara air dan permukaan sudu [3].

Dalam artikel ini ditawarkan jenis turbin yang dapat

digunakan pada aliran datar dengan efisiensi yang baik, karena

seluruh aliran air diumpankan ke turbin. Jenis turbin ini

dinamakan turbin rotor sekrup parsial, yaitu sebuah rotor bentuk

sekrup dilengkapi dengan potongan sudu-sudu yang dapat diatur

sudutnya dimasukkan dalam pipa pesat sebagai nozzle. Sisi depan

pipa pesat berupa corong sebagai kolektor atau pengkondisi

aliran, dan sisi belakang berupa nozzle untuk memperoleh torsi

dan kecepatan putar yang optimal.

Kebanyakan turbin memiliki banyak kelemahan, kurang efisien,

dan tidak kopatibel dengan ketinggian terjun air rendah dan debit

besar. Penyelesaian yang ditawarkan adalah menggunakan turbin

tenggelam, seluruh aliran air normal dialirkan ke dalam pipa

kolektor dan nozzle yang dilengkapi dengan rotor berbetuk ulir

unik. Sudu berbentuk sekrup sebagai rotor turbin dipasang di

dalam pipa kolektor dan nozzle, sehingga seluruh aliran air

dengan debit besar akan melalui pipa kolektor dengan aliran

dipercepat dan menuju sisi nozzle dengan kecepatan optimal dan

memutar rotor dengan torsi dan kecepatan optimal pula. Pada

kondisi banjir, air meluber tanpa merusak atau mengganggu kerja

turbin karena debit dan level terjun air tidak terlalu berubah.


4

Untuk keperluan ini harus dirancang khusus bentuk turbin yang

kemudian dinamakan turbin sekrup. Tujuan dari penelitian ini

adalah rancang bangun turbin untuk pikohidro yang kompatibel

dengan aliran datar. Turbin yang terdiri dari rotor berbentuk

sekrup dimasukkan dalam pipa pesat atau nozzle. Bentuk unik

turbin dan karakteristiknya yang akan menjadi temuan baru. Sudu

yang panjang memiliki torsi total sepanjang sudu dan tidak ada

energi yang terbuang percuma seperti halnya pada turbin lain.

Turbin jenis ini sangat cocok diterapkan sebagai penggerak utama

pada pembangkit listrik mikro/pikohidro (PLTM/PLTPH) dengan

karakteristik aliran air datar (sungai-sungai/bukan air terjun) yang

banyak dijumpai dan tersebar dari perkotaan sampai keseluruh

pelosok. Di daerah tertentu yang telah terjangkau aliran listrik,

PLTM/PLTPH dapat dikembangkan sebagai wisata mikrohidro

atau juga sebagai saran pendidikan bagi khalayak.

2. KAJIAN PUSTAKA 2.1 Ketersediaan Sumber Daya Air

Konsumsi energi di Indonesia selalu meningkat lebih dari 7

% per tahun[4,5]. Salah satu alternatif untuk mengatasinya adalah

memanfaatkan energi terbarukan, salah satunya dengan

memanfaatkan energi tenaga air yang jumlahnya sangat

berlimpah. Indonesia memiliki lebih dari 6000 sungai besar.

Sedangkan ketersediaan jumlah air permukaan rata-rata di

Indonesia sebesar 88,3 ribu m3/s atau setara dengan 2,78 triliun

m3/tahun [6]. Masalahnya adalah menentukan metoda agar

sebagian pasokan air ini bisa dimanfaatkan untuk energi

pembangkit listrik.

Pembangkit listrik bukan mengkonversi air menjadi energi

listrik, tapi mengkonversi enersi potensial air menjadi energi

listrik. Karena itu yang perlu diperhatikan adalah cara

memanfaatkan enersi potensial air untuk menghasilkan listrik

tanpa terlalu mengganggu manfaat air untuk kebutuhan yang

lainnya. Sehingga tidak terjadi konflik kepentingan antara

ketersediaan sumber air dengan pemenuhan kebutuhan energi.

Pemenuhan untuk irigasi dan pembangkitan listrik konvensional

harus selaras.


5

2.2 Turbin Pembangkit Listrik Skala Piko

Banyak model peralatan yang digunakan untuk konversi

enersi kinetik atau potensial air menjadi enersi mekanik pada

Pembangkit Listrik Tenaga Piko/Mikrohidro (PLTPH). Perangkat

ini dinamakan turbin, dengan berbagai prinsip dan bentuk

konstruksinya. Berikut ini beberapa macam turbin yang telah

dipertimbangkan dalam perancangan turbin sekrup parsial.

Turbin propeller (gambar 1) dengan jumlah sudu sekitar 3-6

tersusun paralel, yang dipasang pada ujung pipa pesat. Untuk

pengaturan kecepatan putar dan peningkatan efisiensi, turbin

propeller telah dikembangkan dengan posisi sudu dapat diatur

yang kemudian disebut turbin kaplan. Dari kedua tipe turbin

inilah telah diterapkan pada turbin Vortex, yang implementasinya

dipasang vertikal sehingga memiliki efisiensi yang baik.

Gambar 1. Turbin Propeller, Kaplan, dan Vortex

Turbin Turgo dan turbin Francis mengandalkan sudu-sudu

yang dipasang paralel. Sudu-sudu dimasukkan dalam rumah sudu

yang menyerupai pipa pesat. Daya tekan dan daya hisap enersi

potensial/kinetik air dikonversi menjadi enersi mekanik dalam

sudu-sudu tersebut. Kecepatan putar yang tinggi diperoleh dari

jumlah sudu paralel yang banyak. Turbin Pelton, mempunyai

prinsip kerja pancaran dari nozzel membentur sudu.

Pada turbin Francis semua sudu terbenam air, air dialirkan

kedalam rumah berbentuk ulir, pada sisi intake, enersi potensial

air digunakan untuk memberikan daya tekan dan pada sisi tail

menghasilkan daya isap pada rotor turbin. Pada turbin pelton,

energi yang masuk ke sudu berupa energi kinetik. Disamping


6

untuk mengubah enersi potensial menjadi energi kinetik, juga

untuk mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin digunakan

Nozzel. Debit bisa diatur dengan menggeser posisi jarum sudu.

Bentuknya berupa pelek dengan sejumlah sudu berbentuk

elipsoida di sekelilinnya.

Turbin yang paling sederhana adalah model kincir yaitu roda

diputar oleh aliran air. Jenis ini memiliki efisiensi yang cukup

tinggi disamping murah, sederhana, mudah dan juga tidak begitu

berdampak pada lingkungan [2,7].

Jenis Archimedes screws pada gambar 3 adalah jenis turbin

dengan sudu-sudu berbentuk ulir yang panjang dimasukkan dalam

pipa. Turbin ini bukan teknologi yang paling efisien, tapi

sederhana, kuat, dan ramah ikan. Pada turbin ini, ikan dan puing-

puing kecil bisa melewati tanpa menyebabkan kerusakan. Pada

gambar 3, juga ditunjukkan turbin sekrup termodifikasi untuk

menyesuaikan kondisi aliran sungai. Turbin ini terdiri dari rumah

sebagi kolektor dan rumah sebagai nozzle. Pada sudu-sudu berupa

ulir dilengkapi dengan pengkondisi pra aliran dan sudu pengatur

kecepatan putar. Prioritas utama untuk mendapatkan enersi

terletak pada debit aliran air disamping ketingggian terjun air.

Gambar 3. Turbin Ulir[8,9] dan Turbin Skerup[9]

3. METODE

Secara garis besar metode penelitian ini melalui rancang

bangun turbin yang kompatibel dengan kondisi yang dibutuhkan,

yaitu diperuntukkan pada sungai-sungai yang umumnya memiliki

aliran datar (ketinggian terjun air yang rendah) tapi memiliki

debit air yang cukup. Hasil rancang bangun turbin diuji-cobakan

dilapangan untuk mengetahui unjuk kerjanya, meliputi kecepatan

putar dan torsi yang dihasilkan pada debit konstan. Berikut ini

langkah-langkah metodologi penelitian yang telah dilakukan.

Turbin Ulir Turbin Sekrup


7

3.1 Rancang Bangun Turbin

Turbin terdiri dari rotor berbentuk sekrup dengan diameter

tertentu dilengkapi dengan sudu-sudu parsial yang dapat diatur

sudut kemiringannya (45o,60

o, dan 75

o). Rotor dimasukkan dalam

pipa pesat yang terdiri dari dua bagian, yaitu (1) sisi depan sebagi

kolektor/ pengkondisi aliran dan (2) sisi belakang sebagai nozzle

untuk mendapatkan kecepatan aliran air yang memadai. Pada

gambar 4 ditunjukkan sketsa hasil rancangan.

Gambar 4. Sketsa Turbin Hasil Rancangan Realisasi turbin dibuat dengan spesifikasi mekanik seperti

ditunjukkan pada tabel 1. Pada gambar 5 ditunjukkan bentuk fisik

turbin yang telah dibuat.

Tabel 1. Spesifikasi Mekanik Turbin Hasil Rancang-Bangun

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8

Diameter intake penstock

Diameter outake penstock

Diameter rotor

Panjang rotor

Panjang corong depan

Jumlah sudu

Sudut sudu

Susunan sudu

:

:

:

:

:

:

:

:

40 cm

30 cm

15 cm

47 cm

35 cm

6 biji

450, 60

0, 75

0

Paralel, 2 putaran


8

Gambar 5. Bentuk Fisik dan Pembuatan Turbin

3.2 Sistem Diagram Blok Pengujian

Sistem perangkat uji-coba terdiri dari tiga bagian, yaitu: (1)

turbin sebagai penggerak utama, (2) generator untuk konversi ke

energi listrik, dan (3) beban untuk pengujian unjuk-kerja

berbeban. Diagram blok sistem ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 6. Diagram Blok Pengujian

Penjelasan Diagram Blok Sistem

1) Beban Lampu, untuk mengetahui daya output dengan cara

mengukur tegangan dan arus.

2) Beban Mekanik, untuk mengukur torsi statis yaitu torsi pada

saat turbin ditahan sampai berhenti.

3) RPM Meter untuk mengukur kecepatan putar pada setiap

perlakuan beban

BEBAN LAPU

TURBIN

GENERATOR

BEBAN MEKANIK

Ket: Beban lampu: untuk mengukur torsi dinamis. Beban mekanik: untuk mengukur torsi statis

RPM METER

INSTAL TURBIN

REALISASI UJI-COBA


9

3.3 Langkah-langkah Pengujian

3.3.1 Pengujian Torsi Dinamis

Pengujian dimulai dengan sudut sudu diatur pada 45o, debit

air dipertahankan konstan, ditunggu beberapa saat dibiarkan

turbin sampai berputar stabil, diukur besarnya kecepatan putar

turbin, tegangan dan arus yang terjadi pada generator. Diulangi

perlakuan ini tapi terlebih dahulu dipasang beban berupa lampu

dengan nilai daya tertentu. Diulang lagi tapi terlebih dahulu

menambah beban lampu dengan daya yang lebih besar. Demikian

seterusnya sehingga sampai beban lebih atau tegangannya jatuh

mendekati nol. Setiap perlakuan selalu diamati kondisi dan

perubahan aliran air. Langkah berikutnya dilakukan dengan cara

yang sama untuk memeperoleh data dengan sudut sudu 60o dan

75o.

3.3.2 Pengujian Torsi Statis

Turbin dibebani dengan pemberat berlengan yang dipasang

pada pulley terkopel generator. Pemberat berlengan digeser

menjauh dari poros turbin sampai turbin berhenti dalam kondisi

setimbang. Perkalian antara pemberat dan panjang lengan

merupakan torsi statis dari turbin. Langkah berikutnya dilakukan

dengan cara yang sama untuk memeperoleh data dengan sudut

sudu 60o dan 75

o.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian dan Pengambilan Data

Mesin hasil rancangan diterapkan secara langsung di sungai

aliran datar dengan debit aliran dan ketinggian terjun air yang

relatif konstan. Pemasangan dilakukan dengan teliti untuk

meminimalkan aliran air yang bocor. Turbin yang telah dikopel

dengan generator dapat menghasilkan putaran dan tegangan

terinduksi pada generator. Pada gambar 7 ditunjukkan proses

ujicoba dan pengambilan data, serta ditunjukkan aliran turbulensi

di dalam turbin. Lalu dilakukan pengujian beberapa tahap

meliputi: (1) sudut sudu 45o, generator tanpa beban dan berbeban,

(2) sudut sudu 60o, generator tanpa beban dan berbeban, dan (3)


10

sudut sudu 75o, dalam kondisi generator tanpa beban dan

berbeban.

Gambar 7. Pengujian Turbin Pada tabel 2, ditunjukkan data yang diperoleh dalam pengujian

mesin dalam tiga kondisi sudut sudu. Dalam pengambilan data ini

banyak temuan-temuan yang semula belum dipahami dan

bermunculan disini. Antara lain, pada pengujian sudut sudu 45o

ternyata debit air yang tersedia hanya sampai pada level setengah

(50 %) dari ketinggian turbin, berarti kecepatan aliran air cukup

tinggi, tapi sebaliknya ternyata putaran turbin yang diperoleh

sangat rendah demikian juga torsinya. Pada tahap berikutnya

dilanjutkan pengujian pada sudut sudu 60o diperoleh hasil: putaran

meningkat dan level air juga meningkat menjadi ¾ ketinggian

turbin (sebut 75 %), ini berarti kecepatan aliran air menurun, tapi

kecepatan turbin dan torsi justru meningkat. Dugaan awal untuk

sudut sudu 75o pasti kecepatan putar turbin dan torsi akan

meningkat lagi. Kenyatannya tidak benar, yang dihasilkan adalah

level air penuh (100 %) atau kecepatan aliran menurun, diikuti

dengan kecepatan putar dan torsi turbin juga menurun.

Turbulensi di dalam turbin hampir tidak tampak. Pengujian

menggunakan butiran foam warna yang dimasukkan di dalam

turbin untuk mengetahui arah aliran menjadi gagal total dan tidak

dilanjutkan karena foam menjadi gangguan yang fatal

dikawatirkan dapat memecahkan turbin. Dari sini dapat

dibayangkan jika seekor ikan masuk dalam turbin dipastikan akan

hancur berantakan. Perkiraan awal, turbin ini dapat digunakan


11

pada air kotor (tercampur butiran sampah atau kerakol), dalam

kenyataanya tidak dapat kecuali air keruh (butiran halus, misalnya

pasir halus).

Tabel 2 Data Hasil Pengujian Sudut

Sudu

Perlakuan N Turbin

(rpm)

N Generator

(rpm)

Tegangan

Output (v)

Arus Output

(A)

45o Tanpa Beban 94,8 252,8 - -

60o Tanpa Beban 225,0 600,0 10 0

60o

Repeatable

Berbeban

450

345,5

281,0 281,5

209 208

6,0

4,0

4,0 3,0

2,0 1

0,6

1,5

1,4 1,5

1,8 1,9

75o Tanpa Beban 325 7,0 -

75o Berbeban 261.6

210 194

180

140 145

5,0

3,0 3,0

2,0

1.5 1

1,1

0,9 1,0

1,2

1,6 0,1

N : kecepatan putar

4.2 Analisis dan Pembahasan

Pengujian pada sudut 45o merupakan penelitian awal sebagai

dasar dalam pengujian tahap berikutnya. Pengujian-pengujian

pendahuluan ini dapat digunakan untuk mengetahui kendala di

lapangan. Sebagai misal yaitu pengujian pada sudut 45o,

memberikan petunjuk bahwa kecepatan putar turbin masih

dibawah standar yaitu 94,8 rpm, data ini menyerupai dengan hasil

pengujian pada penelitian sebelumnya[9] yang tanpa

membandingkan kecepatan putar pada berbagai sudut sudu. Tapi

hasil ini memberikan informasi bahwa ukuran turbin hampir tidak

mempengaruhi kecepatan putar jika dibuat pada sudut sudu yang

sama, dan dengan debit air yang sama. Data ini juga memberikan

keyakinan bahwa pada sudut sudu 45o menghasilkan kecepatan

putaran 94,8 rpm dengan catatan lokasi yang sama (kemiringan

dan debit yang sama).

Kecepatan putaran 94,8 rpm masih terlalu rendah untuk

memutar generator, yang ditargetkan dengan kecepatan putar


12

sebesar 1500 rpm. Peningkatan kecepatan putar digunakan pulley

dengan diameter 11/16. Jadi jika kecepatan putar yang diperoleh

sebesar 94,8 rpm, maka kecepatan putar turbin (16/11) x 94,8 =

139 rpm. Pada sudut sudu 45o ternyata tinggi jatuh air hanya

separuh tinggi turbin. Ini menunjukkan bahwa pada debit yang

sama, air mengalir dengan cepat tanpa diimbangi dengan kenaikan

torsi sehingga dapat dikatakan banyak energi yang tidak

dikonversi menjadi energi mekanik pada poros turbin. Dari

pengujian ini, kecepatan putar turbin tidak memadai, hanya

menghasilkan tegangan yang sangat rendah dan tidak sesuai

dengan kebutuhan putaran generator.

Sedangkan cara pengujian torsi statis digunakan pemberat

berlengan. Posisi pemberat dimulai dari posisi lengan terpendek

(terdekat dengan pulley), kemudian digeser menjauh sampai

mencapai kondisi setimbang atau labil. Besar torsi statis adalah

hasil perkalian pemberat dengan panjang lengan pada kondisi

stimbang. Dari pengambilan data ini diperoleh kesimpulan bahwa

pada sudut 450, banyak energi yang tidak di konversi menjadi

energi mekanik pada poros turbin. Alasan-alasan diperoleh dari

pengamatan, yaitu: (1) level air intake pada posisi terendah. Ini

dapat dibuktikan dari kombinasi hasil pengamatan, yaitu: (1)

putaran turbin rendah, (2) torsi rendah, dan (3) tegangan yang

dihasilkan generator juga rendah. Nilai-nilai ini tidak dianalisis

lebih lanjut karena terbukti sistem memiliki unjuk kerja yang

kurang efisien.

Sehingga dari penelitian pendahuluan ini dilakukan modifikasi

menjadi: (1) ukuran perbandingan pulley menjadi 8/3, dan (2)

mengubah sudut sudu menjadi 60o. Hasil uji coba menunjukkan

hasil putaran yang diperoleh telah dilipatkan menjadi 600 rpm atau

putaran turbin sekitar 225 rpm. Perubahan sudut dari 45o menjadi

60o dapat meningkatkan putaran yang signifikan dari 139 rpm

menjadi 225 rpm. Pada tabel 2 ditunjukkan hasil pengujian pada

berbagai sudut sudu. Pada sudut sudu 600 dengan tanpa dilakukan

perubahan debit, diperoleh hasil seperti ditunjukkan pada tabel 3.


13

Tabel 3. Data Hasil Pengujian pada Sudut Sudu 60o

No Variabel Hasil

1. Putaran turbin 225 rpm

2. Putaran generator 600 rpm

3. Ketinggian air di dalam pipa pesat 75 %

4. Kecepatan aliran = 0,86 m/ 0,86 m/s

5. Penampang outtage = 0,071 m2 0,071 m2

6. Debit 46 l/s Kecepatan aliran air menjadi lebih rendah yang dapat

dibuktikan dari kenaikan level air menjadi 75% dari ketinggian

turbin, tetapi putaran dan torsi turbin menjadi lebih tinggi. Ini

membuktikan adanya kenaikan efisiensi dalam konversi energi

terjun air menjadi energi putaran pada poros turbin. Walaupun

putaran yang dihasilkan lebih tinggi dibanding dengan posisi sudu

45o, tapi kecepatan putar 600 rpm masih kurang memiliki

kecepatan untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi.

Harapannya pada sudut sudu 75o akan mencapai target kecepatan

putar, tapi kenyataannya justru sebaliknya. Kecepatan putar yang

dibutuhkan adalah 1500 rpm. Karena itu disamping diperlukan

perubahan sudut sudu untuk mempercepat putaran turbin juga

diperlukan perubahan perbandingan pulley. Untuk mengubah

perbadingan pulley harus diperhatikan torsi yang dihasilkan harus

mencukupi. Perubahan perbandingan pulley diubah menjadi 8/3,

hasilnya dari 225 rpm menjadi 600 rpm. Perbandingan ini

dipertimbangkan berdasarkan pemikiran (1) tetap menjaga tidak

terjadinya slip pada pulley, (2) ketersediaan komponen yang ada

dipasaran dan mudah diperoleh, dan (3) meningkatkan kecepatan

putar generator. Untuk mendapatkan putaran yang di kehendaki,

seharusnya perbandingan pulley dengan rasio 6,67.

Pengujian juga menunjukkan bahwa dengan pembebanan,

kecepatan putar turbin jatuh cukup besar. Anehnya di sini yaitu

dengan penambahan beban menyebabkan turunnya kecepatan


14

putar disertai dengan turunnya torsi (daya) walaupun debit air

dipertahankan konstan. Pada gambar 8 ditunjukkan kurva

pembebanan menggunakan generator dc.

Gambar 8. Kurva Torsi vs Kecepatan Putar

Ketika tanpa beban, kecepatan putar mencapai 600 rpm, tapi

ketika dibebani, putaran menjadi berkurang sangat drastis.

Pengurangan kecepatan putar turbin ini tidak disertai dengan

naiknya torsi, tapi justru sebaliknya. Kecepatan putaran turun

disertai dengan turunnya torsi, artinya debit air juga turun. Seperti

halnya pada sebuah enginee, jika putaran turun mesin tidak bisa

menghisap bahan bakar lebih banyak, sehingga daya juga akan

turun. Pada turbin ini, jika putaran turun, tidak bisa menambah

debit air sehingga daya turun. Salah satu cara untuk menambah

debit air adalah dengan menambahkan ketinggian terjun air akan

memiliki tekanan hidrostatis yang lebih besar. Dari kurva pada

gambar 11, dapat diamati bahwa jatuhnya kecepatan putar dibatasi

pada kisaran di dekat 50 % dari kecepatan putar tanpa beban.

Pengaturan sudut sudu 75o mempunyai kasus simetri dengan

sudut sudu 45o. Jika pada sudut sudu 45

o, aliran air dilewatkan

begitu saja dengan konversi energi yang rendah, sebaliknya untuk

sudut sudu 75o, aliran air ditahan sehingga menghasilkan putaran

dan torsi yang rendah, sehingga total dayanya lebih rendah

dibanding dengan kondisi sudut sudu 60o. Pada putaran generator

Torsi

Kecepatan Putar

Sudut sudu 60o


15

261 rpm menghasilkan daya 5,5 watt, dan pada kecepatan putar

generator 166 rpm menghasilkan daya sekitar 2,3 watt. Ini berbeda

jika dibandingkan dengan sudut sudu 60o, yaitu menghasilkan

putaran 346 rpm dengan daya sebesar 6 watt pada debit air yang

sama. Besar daya ini bukan kapasitas turbin, tapi daya pengujian

untuk mendapatkan karakteristik turbin secara mudah. Dari sini

dapat disimpulkan bahwa sudut sudu yang paling tepat dengan

efisiensi tertinggi adalah pada sudut sudu 60o. Perlu dicatat bahwa

pengujian yang telah dilakukan di atas adalah pada debit air rata-

rata yang sama dengan ketinggian terjun air yang berubah yang

disebabkan oleh perubahan sudut sudu. Disamping itu pengujian

dilakukan pada level air yang rendah.

5. PENUTUP

Dari hasil rancang bangun dan pengujian pada debit air

konstan dengan level terjun air sedikit berubah disebabkan

pengaruh pemasangan turbin ternyata sudut sudu 60o memiliki

torsi output yang paling besar dibandingkan dengan sudut sudu

45o dan 75

o. Penambahan sudut sudu lebih besar dari 60

o

meneyebabkan kecepatan putar menurun diikuti dengan

menurunnya torsi. Penambahan sudut sudu lebih besar diperlukan

penambahan debit/ ketinggian terjun air untuk mendapatkan daya

output yang lebih optimal. Untuk menjaga efisiensi optimal

konversi energi pada turbin sebaiknya jatuh kecepatan putar

berbeban tidak lebih dari 50 % kecepatan putar tanpa beban.

Penurunan kecepatan putar turbin diakibatkan oleh pembebanan

justru menyebabkan penurunan torsi, bukan sebaliknya.

Pembebanan dapat menyebabkan menurunnya debit air yang

melalui turbin dan meningkatkan level terjun air. Dengan

rancangan tertentu, kondisi ini dapat digunakan sebagai umpan

balik dalam pengendalian kecepatan putar pada kondisi

perubahan beban.


16

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima-kasih kepada Ristek DIKTI

sebagai penyedia dana, kepada Direktur dan UPT P2M Politeknik

Negeri Malang yang telah memberi kesempatan kepada kami, dan

pimpinan wisata Sumberawan yang menyediakan lokasi sehingga

terlaksananya penelitian ini.

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] A. Shappy, P. Knapp, J. Mullowney, C. Delaney, 2013,

Optimization of an Archimedean Screw, Saint Michael’s

College

[2] Bachtiar A.N., Jauhar, Gamindra, 2015, “Rancang Bangun

Kincir Air Sistem Knock Down Untuk Pemenuhan Energi

Listrik Bagi Mayarakat Terisolir Di Sumatera Barat”, Jurnal

Teknik Mesin, STTI, Padang, Indonesia, 5(2): 88-96.

[3] C. Rorres, 2000, The Turn of The Screw Optimal Design of an

Archimedes Screw, Journal of Hydraulic Engineering, p. 72-

80.

[4] Siregar A., Syukri M., Sara I.D., Syahrizal, dan Gapy M,

2015, “Rancang Bangun Prototipe PLTPH Menggunakan

Turbin Open Flume, Seminar Nasional dan Expo Teknik

Elektro 2015”, 23 - 24 November 2015, Banda Aceh,

Indonesia. Hal. 66 -71.

[5] Radhika, Rendy Firmansyah, Waluyo Hatmoko, “ Perhitungan

Ketersediaan Air Permukaan Di Indonesia Berdasarkan Data

Satelit’, Jurnal Sumber Daya Air, 2017.

[6] Sukamta S., Kusmantoro A., 2013; “Perencanaan Pembangkit

Listrik Tenaga Mikro Hidro Jantur Tabalas Kalimantan

Timur”, Jurnal Teknik Elektro, Semarang, Indonesia 5(2):

58-03.

[7] Syukri M., Halid R., Sukma H., 2012, “Rancangbangun

Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro Sistem Terapung,

Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2012”, 12-14

November 2012, Banda Aceh, Indonesia, Hal. A63 – A70.

[8] Zulkiffli Saleh, M. Fauzan Syafitra, 2016, “Analisis

Perbandingan Daya Pada Saluran Pembawa Untuk Suplai


17

Turbin Ulir Archimides”, Simposium Nasional Teknologi

Terapan (SNTT) .

[9] Yulianto, Tarmukan, Bambang Priyadi, 2017, “Implementasi

Turbin Rotor Sekrup Untuk Aliran Datar”, Prosiding

Seminar Teknologi Elektro Terapan 1 (Jurusan Teknik

Elektro vol. 2017)

pikohidro menggunakan turbin tipe rotor sekrup …

Documents