PENGUJIAN VARIASI JUMLAH DAN SUDUT BILAH KINCIR AIR TIPE BREASTSHOT

Transkripsi

1 POLITEKNOLOGI VOL. 14 NO. 3 SEPTEMBER 1 PENGUJIAN VARIASI JUMLAH DAN SUDUT BILAH KINCIR AIR TIPE BREASTSHOT Fachruddin, Adi Syuriadi, Ainun Nidhar 1, Febri Ramdhan dan Rian Aji Candra Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Jakarta 1 ainun_xb@yahoo.com ABSTRACT Today, many Micro Hydro-Electric Power Plants (MHEPP) construction carried out independently by community. The common MHEPP that constructed by community is an axial flow-breastshot-type water wheel, but the problem is with big hydrolic power that available but produce small electric power in MHEPP. The objective from this final project is to construct an axial flow-breastshot-type water wheel model with number and angle of blades testing in order to get maximum efficiency of breastshot waterwheel. This axial flow-breastshot-type water wheel testing use, 8 and 6 blades as constant variable, and each number of blades has adjustable angles of blades at,, dan 4. Performance that will be analyzed is rotation speed of waterwheel. The results show that the rotation speed of each waterwheel (with different number of blades) reach the maximum value if angles of blades at 4, and maximum rotation speed is 166,147 rpm with electrical power is,381 watt and efficiency as big as 48,962% at 8 blades and 4 adjustable angle waterwheel. Keyword : Micro Hydro-Elactric Power Plant, Breastshot Type Waterwheel, Number and Angle of Blades Testing, Efficiency ABSTRAK Pembangunan PLTMH saat ini banyak dilakukan secara swadaya oleh masyarakat. PLTMH yang biasa dibangun oleh masyarakat ialah model kincir air jenis aliran axial tipe breastshot, namun kendala yang ditemukan adalah daya hidrolik yang tersedia besar namun daya listrik yang dihasilkan oleh PLTMH kecil. Tujuan dari tugas akhir ini ialah membuat model kincir air aliran axial tipe breastshot dengan pengujian pada jumlah bilah dan sudut bilah sehingga di dapatkan efisiensi maksimal dari kincir air breastshot. Model pengujian kincir air aliran axial tipe breastshot menggunakan variabel tetap berupa jumlah bilah sebanyak bilah, 8 bilah dan 6 bilah, serta variabel berubahnya yaitu masing-masing kincir sudut bilahnya dapat diatur yaitu sebesar,, dan 4. Unjuk kerja yang dianalisa ialah putaran kincir. Hasil pengujian menunjukkan bahwa putaran masing-masing kincir akan (dengan jumlah bilah yang berbeda) mencapai nilai maksimal pada sudut bilah diatur sebesar 4, serta nilai putaran paling maksimal yaitu sebesar 166,147 rpm dengan daya litrik yang dihasilkan sebesar,381 watt dan efisiensi PLTMH 48,962% berada pada jumlah bilah 8 dengan sudut atur sebesar 4. Kata Kunci : Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, Kincir Air Tipe Breastshot, Pengujian dan Sudut Bilah, Efisiensi PENDAHULUAN Latar Belakang Energi adalah sesuatu yang bersifat abstrak dan sulit dibuktikan tetapi dapat dirasakan keberadaannya [1], salah satu jenis energi ialah energi listrik yang saat ini menjadi salah satu kebutukan pokok manusia. Saat ini berbagai teknologi dan penelitian sedang dikembangkan untuk bisa menghasilkan energi listrik yang efisien dan murah. Sumber energi listrik berasal dari sumber energi fosil (batubara, minyak gas) dan sumber energi terbarukan (panas bumi, angin, gelombang laut, biogas, dan air). Sumber energi listrik di Indonesia masih didominasi oleh energi fosil dengan ketergantungan penggunaan minyak bumi sebesar 41,8%, batubara 29%, dan gas sebesar 23%. Di sisi lain, kapasitas ketersediaan energi fosil [2]: minyak bumi ±23 tahun; batubara ±8 tahun; dan gas ± tahun, fakta inilah yang membuat pemerintah mengeluarkan Kebijakan Energi Nasional [3] dalam Perpres No./6 yang menargetkan 17% peran

2 Fachruddin dkk, Pengujian Variasi... energi baru terbarukan dalam energi mix pada tahun 2. Salah satu dari sumber energi baru terbarukan yang mudah untuk dijadikan energi listrik ialah air, saat ini banyak masyarakat yang secara swadaya membangun PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro). Kendalanya adalah PLTMH yang dibangun oleh masyarakat tidak bisa bekerja secara maksimal karena daya hidrolis yang tersedia besar namun daya listrik yang dihasilkan oleh PLTMH kecil. Selain itu minimnya publikasi mengenai pengujian dan perkembangan prototipe kincir membuat sulitnya masyarakat maupun civitas akademik untuk medapatkan referensi. Dengan realita yang ada, maka yang akan dilakukan ialah membuat prototipe PLTMH dengan pengujian variasi jumlah bilah dan sudut bilah pada kincir air aliran axial tipe breastshot, dengan alasan jenis kincir breastshot lebih sering digunakan masyarakat. Diharapkan data dan hasil dari pengujian ini dapat menjadi rujukan bagi masyarakat ataupun civitas akademik dalam membuat kincir air pada kincir air aliran axial tipe breastshot, ataupun bisa menjadi bahan referensi untuk diadakan pengujian serupa dengan jenis kincir air yang berbeda. Tujuan a. Mencari jumlah bilah dan sudut bilah kincir air yang paling efisien untuk tipe aliran axial tipe breastshot. b. PLTMH model kincir air tipe aliran axial tipe breastshot, dapat diaplikasikan pada masyarakat, sehingga PLTMH tipe ini nantinya bisa bekerja dengan efisien. Manfaat a. Sebagai bahan referensi untuk penelitian lebih lanjut terhadap pengembangan model kincir air aliran axial untuk tipe overshot dan undershot. b. Sebagai rujukan penelitian/ pengujian kincir air yang dapat disempurnakan kekurangan kekurangnnya. Perumusan Masalah a. Bagaimana pengaruh jumlah bilah dan sudut bilah terhadap kinerja kincir air? b. Berapa besar efisiensi yang dihasilkan dari masing-masing kincir air? c. Kincir air dengan jumlah bilah dan sudut bilah berapakah yang bekerja paling optimal? Dasar Teori Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Mikrohidro merupakan gabungan dari 2 kata yaitu mikro (kecil) dan hidro (air), sehingga secara istilah mikrohidro adalah pembangkit listrik tenaga air skala kecil yang tidak memerlukan instalasi penyimpanan air yang luas, sehingga tidak membutuhkan banyak lahan. Sebuah hydopower dapat disebut sebagai PLTMH (Pembangkit Listrik Mikro Hidro) apabila daya listrik yang dihasilkan sebesar, kw kw [9]. Kincir Air Tipe Breastshot Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang menggerakkan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air. Kincir air jenis ini menperbaiki kinerja dari kincir air tipe undershot Gambar 1. Kincir air tipe Breastshot []

3 POLITEKNOLOGI VOL. 14 NO. 3 SEPTEMBER 1 Daya Kinetik Air Diketahui bahwa laju massa suatu fluida ialah [13] : mm = ρ A V...(1) dan daya hidrolis ialah [1] : Ph = ρ g h Q...(2) Diketahui bahwa debit air (Q) merupakan perkalian dari luas penampang air (A) dengan kecepatan aliran air (V) [1] Q = A V...(3) Sehingga dari subtutitusi persamaan (3) terhadap persamaan (2), maka : Ph = ρ g h A V...(4) Dari persamaan Bernoulli diketahui bahwa [13] : P + ρgh ρv2 = C...() Persamaan () menunjukkan variabel ρgh merupakan unsur dari rumus daya hidrolis, dan variabel P ρgh 1 2 ρv2, dimana, sehingga persamaan (4) menjadi : Ph = Pk = ρ V2 A V...(6) Q = debit aliran air [m 3 /s] g = ketetapan gravitasi [9,81 m/s 2 ] mm = laju massa air [kg/s] Ph = Daya hidrolis [Watt] = Daya kinetik air [Watt] Pk Daya Listrik Pada sistem PLTMH ini daya output generator dapat didapat bila tegangan dan kuat arus diketahui, maka didapatkan rumus yaitu [1] : PL = V x I...(8) Keterangan : PL = Daya listrik dari generator [Watt] V = Tegangan [Volt] I = Kuat arus [Ampere] Efisiensi Besar efisiensi model PLTMH ialah [1] : η = PP oooooo PP iiii x %...(9) dengan PL sebagai Pout dan Pk sebagai Pin, maka rumus efisiensi yang digunakan ialah : η = PP LL PP kk x %...() Keterangan : η = Efisiensi model PLTMH [%] PL = Dayalistrik [Watt] = Daya kinetik air [Watt] Pk Dengan menggunakan persamaan (1), makan persamaan (6) menjadi : Ph = Pk = mm V2...(7) Keterangan : P = tekanan fluida [Pa] V = kecepatan aliran air [m/s] h = head ketinggian [m] ρ = ketetapan massa jenis air [1. kg/m 3 ]

4 Fachruddin dkk, Pengujian Variasi... METODE PENELITIAN Mulai terhadap variasi jumlah bilah dan sudut bilah, sebagai berikut 1 Perhitungan komponenkomponen yang digunakan Pembuatan model pengujian kincir air tipe breastshot Putaran Kincir Rata-rata [RPM] bilah bilah 8 bilah 6 Pengujian pengaruh variasi jumlah bilah dan sudut bilah, meliputi : - Pengujian I (variabel data meliputi putaran kincir air/tanpa pembebanan) - Pengukuran II (variabel data meliputi putaran kincir, putaran generator, tegangan output generator dan arus pada pembebanan dengan ) Mengulangi pengujian II Analisa data hasil pengujian Mengambil kesimpulan dan saran Selesai HASIL DAN PEMBAHASAN Dari pengujian yang telah dilakukan, diperoleh hubungan antara putaran Gambar 2. Grafik Hubungan Putaran Rata-rata Kincir Air terhadap Bilah dan Sudut Atur Bilah Gambar di atas menunjukkan bahwa nilai putaran kincir air bilah, 8, dan 6 akan semakin tinggi saat sudut bilahnya diatur pada,, dan 4. Putaran kincir tertinggi dicapai pada jumlah bilah 8 dengan sudut 4. Untuk memperkuat data dari grafik di atas, maka dilakukan analisa besar efisensi kincir air dari setiap pengujian variasi jumlah bilah dan sudut bilah, sehingga perlu dilakukan perhitungan daya kinetik air dan daya listrik. Dari pengukuran yang dilakukan, didapatkan bahwa denit air [Q] yang keluar dari nozzle sebesar,436 x - 3 [m 3 /s]. Dengan diameter nozzle sebesar 22, [mm], maka kecepatan air yang keluar dari nozzle dapat dicari dengan menggunakan rumus pada persamaan (3) sehingga didapatkan kecepatan air keluar nozzle ialah 1,126 [m/s]. Untuk mencari daya kinetik air, maka digunakan rumus pada persamaan (7), dengan laju massa air yang diperoleh dari persamaan (1), dan didapatkan daya kinetik air sebesar,281 [Watt]. Setelah daya kinetik air didapatkan maka berikutnya ialah dengan menghitung daya listrik, yang arusnya didapatkan dengan memasangkan pada output generator. Besar nilai yang digunakan bervasiasi yaitu,,

5 POLITEKNOLOGI VOL. 14 NO. 3 SEPTEMBER 1 dan sehingga di dapatkan data sebagai berikut : Tabel 1. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah Sudut Bilah [ ] Tegangan [Volt], Arus [Ampere], 1,1 1,4 1, ,2 1, ,1 1,6 1,7,1 7 Tabel 2. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah 8 Sudut Bilah [ ] Tegangan [Volt],,7 1, 1,4 4 1,1 1,2 1,4 1,6 1,6 1,8 4 Arus [Ampere], 6 7, Tabel 3. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah 6 Sudut Bilah [ ] Tegangan [Volt], [Ω ], 9, ,1 1, Arus [Ampere], 7 1,2 1, ,2 2 1, Tabel 3. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah 6 (Lanjutan) 3 4 Data dari ketiga tabel diatas menunjukkan bahwa semakin besar nilai tahanan, maka tegangan akan naik dan arus akan menurun, dan hal ini sesuai dengan teori dalam Hukum Ohm yang mana tegangan dan arus berbanding terbalik. V = I x R R = VV II Sementara itu besar daya listrik yang diperoleh dari persamaan (8), tergambar oleh grafik berikut : Daya Listik [Watt] Gambar 3. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = Daya Listrik [Watt] Gambar 4. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R =

6 Fachruddin dkk, Pengujian Variasi... Daya Listrik [Watt] Gambar. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = Keterangan legenda gambar : Dari grafik dan trendline yang terbentuk pada gambar 3, 4, dan terlihat bahwa pada setiap kincir dengan jumlah bilah yang berbeda, memiliki daya listrik maksimal yang dihasilkan pada sudut atur bilah sebesar 4 dengan beban sebesar. Dengan diperolehnya daya kinetik air dan daya listrik, maka efisiensi model PLTMH : Efisiensi [%] Gambar 6. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = Efisiensi [%] Bilah Bilah 8 Gambar 7. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = Efisiensi [%] Bilah Bilah 8 Bilah Bilah 8 Gambar 8. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = Pembacaan dari grafik 6, 7, dan 8 ialah nilai efisiensi akan semakin tinggi jika nilai output (daya listrik) mendekati atau sama dengan nilai input (daya kinetik air),

7 POLITEKNOLOGI VOL. 14 NO. 3 SEPTEMBER 1 sesuai dengan rumus pada persamaan () yaitu : η = PP LL x %...() PP kk Keterangan : η = Efisiensi model PLTMH [%] PL = Dayalistrik [Watt] = Daya kinetik air [Watt] Pk Selain itu grafik 6,7 dan 8 menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi pada masingmasing kincir air terjadi pada sudut atur bilah 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari berbagai data yang didapat, serta dari perhitungan ialah: a. Pada setiap kincir air putaran tertinggi berada pada sudut bilah 4. b. Pada daya kinetik air yang sama menunjukkan putaran kincir tertinggi tercapai pada jumlah bilah 8 dengan sudut bilah 4 c. Pada sudut bilah 4, semua kincir air menunjukan daya tertinggi, dalam pengujian ini kincir air dengan jumlah bilah 8, dan 6 d. Setiap kenaikan pengaturan variabel, nilai tegangan mengalami kenaikan dan nilai arus mengalami penurunan. Hal tersebut sesuai dengan rumus R = VV, yang mana nilai II tegangan dan arus berbanding terbalik. e. Pada setiap kincir air, efisiensi model PLTMH terbesar pada setiap kincir air berada pada sudut 4, dalam pengujian kincir air dengan jumlah bilah 8, dan 6. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kami ucapkan kepada seluruh staf Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, Politeknik Negeri Jakarta yang telah mengamanahkan kami untuk menerima dana bantuan tugas akhir mahasiswa. DAFTAR PUSTAKA [1] Pudjanarsa Astu, 8, Nursuhud Djati, Mesin Konversi Energi, Yogyakarta : Andi Offset [2] 14 /9/hanya-23-tahun-lagi-sisacadangan-minyak-indonesia (dikutip pada tanggal 2 Januari 1, pukul 8.46) [3] Inventarisasi Kegiatan Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru dan Terbarukan, dan Konservasi Energi 3-11, Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, (halaman 87) [4] Sihombing Edis Sudianto. 9, Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung pada Aliran Sungai. Skripsi. Medan : Fakultas Teknik, Universitas Sumetera Utara [] Riansyah Farry, 9, Optimasi Sudut Jatuh Air pada Model Turbin Mikrohidro dengan Plat Pengarah. Skripsi. Depok : Fakultas Teknik, Universitas Indonesia [6] Jatmiko, Hasyim Asy ari, Hendarto P Aryo, 12, Pemanfaatan Pemandaian Umum untuk Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMH) Menggunakan Kincir Air Tipe Overshot, vol.12, no. 1 Maret [7] Wahyudi Slamet, Cahyadi Dhimas Nur, Purnami, 12, Pengaruh Variasi Tebal Sudu terhadap Kinerja Kincir Air Tipe Sudu Datar, Jurnal Rekayasa Mesin,vol. 3, no. 2 : [8] Larasakti Andi Ade, Himran Syukri, Arifin A. Syamsyul, 12, Pembutan dan Pengujian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Turbin Banki Daya

8 Fachruddin dkk, Pengujian Variasi... Watt, Jurnal Mekaninal, vol. 3, no. 1 : [9] McKinney J.D, Warnick C.C, Bradley B., Dodds J, McLaughlin T.B, Miller C.L, Sommers G.L, Rinerhart B.N, Microhydropower Handbook. Idaho: Technical Information Center U.S. Department of Energy, 1983 [] (dikutip pada tanggal 1 Januari 1, pukul.7) [11] dia/energi [12] (dikutip pada tanggal 1 Januari 1, pukul 1.3) [13] Munson Bruce R, Young Donald F, Okiishi Theodore H, Mekanika Fluida Jilid 1, Jakarta : Erlangga, 4 [14] Dietzel, F Turbin. Pompa dan Kompresor. Jakarta : Erlangga [1] Siswoyo H Pengembangan Potensi Sumber Daya Air untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Wilayah Pedesaan. Jurnal. Jember: Politeknik Negeri Jember, 11