PENGARUH SUDUT SUDU SEGITIGA TERHADAP PERFORMANSI PEMBANGKIT LISTRIK PIKO HIDRO Oleh : Kadek Budiartawan Pembimbing : Ir. Anak Agung Adi Suryawan, MT. Ir. Made Suarda, M.Eng ABSTRAK Kincir air adalah salah satu komponen penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro. Desain kincir air sangat menentukan efisiensi dari PLTPH. Kincir air dengan sudu segitiga mudah dibuat tetapi belum diketahui bentuk sudu segitiga yang memiliki efisiensi tertinggi.penelitian dilakukan dengan menguji model kincir air pada skala laboratorium. Agar bekerja optimal ditentukan parameter input yaitu debit air, kecepatan aliran air dan ketinggian, sedangkan parameter yang diuji adalah kincir air dengan variasi sudut sudu segitiga yaitu 70, 80, 90, 100, dan 110. Dari hasil penelitian didapatkan efisiensi tertinggi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu segitiga 100⁰ yaitu sebesar 27,1% pada sudut nosel 1/3 beta. Kemudian disusul kincir air sudu segitiga pada sudut 90⁰, 110⁰, 80⁰ dan terakhir 70⁰ pada masing-masing sudut nosel 1/3 beta. Kata kunci: piko hidro, kincir air, sudu segitiga iv
EFFECT OF TRIANGLE ANGLE VARIATION ON PICOHYDRO WATERWHEEL PERFORMANCE Author : Kadek Budiartawan Guidance : Ir. Anak Agung Adi Suryawan, MT. Ir. Made Suarda, M.Eng ABSTRACT Waterwheel is one of the important components in Pico Hydro Power Plant. The design of the waterwheel greatly determines the efficiency of the Pico Hydro Power Plant. Waterwheel with triangular blade easy to make but not yet known form of triangle blade which has the highest efficiency. The research is done by testing the model of waterwheel on the laboratory scale. In order to work optimally determined the input parameters are water discharge, water flow velocity and elevation, while the parameters tested are waterwheels with variation angle of triangle blade that is 70, 80, 90, 100, and 110. From the research results obtained the highest efficiency of the waterwheel triangle on the angle of the triangle 100⁰ is 27.1% at the nozzle 1/3 beta angle. Then followed by a waterwheel triangle angle at an angle of 90⁰, 110⁰, 80⁰ and last 70⁰ at each corner of the nozzle 1/3 beta. Key word : Pico Hydro, water wheel, triangle blade v
KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Pengaruh Variasi Sudut Sudu Segitiga terhadap Performansi Kincir Air Piko Hidro. Dalam penyusunan skripsi ini penulis tidak sedikit mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ir. I Ketut Sugita, MT., selaku kepala program studi Teknik Mesin Universitas Udayana. 2. Bapak Ir. Anak Agung Adhi Suryawan, MT. selaku Dosen Pembimbing I dalam penulisan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Made Suarda, M.Eng. selaku Dosen Pembimbing II dalam penulisan skripsi ini. 4. Bapak Dr. Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, M.Erg. selaku Dosen Pembimbing Akademik. 5. Bapak/Ibu Dosen serta staf pegawai Program studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 6. Semua pihak dan kawan-kawan Program studi Teknik Mesin yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini Penulis menyadari bahwa skripsi ini tentu jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan pengetahuan dan referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya konstruktif sangat penulis harapkan dari berbagai pihak. Sekali lagi penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penulis mohon maaf apabila ada kekurangan ataupun kesalahan dalam penulisan skripsi ini. Bukit Jimbaran, Agustus 2017 Penulis vi
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN i LEMBAR PESETUJUAN ii PERNYATAAN iii ABSTRAKS iv ABSTRACT v KATA PENGANTAR vi DAFTAR ISI vii DAFTAR GAMBAR ix DAFTAR TABEL xi DAFTAR LAMPIRAN xii BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Tujuan Penelitian 2 1.4 Batasan Penelitian 3 1.5 Manfaat Penelitian 3 BAB II LANDASAN TEORI 4 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air 4 2.1.1 Pengertian Umum 4 2.1.2 Klasifikasi Hydropower 4 2.1.3 Pemilihan Lokasi 4 2.2 Komponen-Komponen PLTA 5 2.2.1. Sumber Air (Water Supply) 5 2.2.2. Bangunan Intake / Forebay-Tank / Reservoir 5 2.1.3. Pipa Pesat atau Penstock Pip 6 2.1.4. Powerhouse dan Tailrace 6 2.1.5. Turbin atau Kincir Air 6 2.1.6. Generator 6 2.1.7. Drive Systems 7 vii
2.1.8. Controller 7 2.3 Pemilihan Turbin atau Kincir Air 8 2.4 Daya dan Efisiensi 9 2.5 Metode Perancangan Profil Sudu Kincir Air 11 BAB III METODE PENELITIAN 13 3.1 Rancangan Penelitian 13 3.2 Peralatan Pengujian 15 3.3 Lingkup Penelitian 15 3.4 Prosedur Pelaksanaan 16 3.5 Langkah-langkah Penelitian 16 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 18 4.1 Hasil 18 4.1.1 Data Tercatat 18 4.1.2 Pengujian Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 70 20 4.1.3 Pengujian Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 80 21 4.1.4 Pengujian Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 90 22 4.1.5 Pengujian Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 100 23 4.1.6 Pengujian Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 110 24 4.2 Pembahasan 25 4.2.1 Performansi Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 70 25 4.2.2 Performansi Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 80 27 4.2.3 Performansi Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 90 28 4.2.4 Performansi Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 100 30 4.2.5 Performansi Kincir Air Sudut Sudu (θ) = 110 31 4.2.6 Perbandingan Daya dan Efisiensi Maksimum Kincir air pada sudut sudu (θ) = 70,80, 90, 100, 110 33 4.3 Perbandingan performansi kincir air sudu lurus, sudu segitiga, dan sudu lengkung ke belakang 36 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 37 DAFTAR PUSTAKA 38 LAMPIRAN 39 viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Kincir air dengan bentuk sudu segitiga 1 Gambar 1.2. Sudut Sudu segitiga yang akan divariasikan 2 Gambar 2.1. Skema Instalasi PLTMH 5 Gambar 2.2. Aplikasi pemilihan jenis turbin 9 Gambar 2.3. Perancangan profil sudu segitiga 12 Gambar 3.1. Skema model uji kincir air (picohydro) 13 Gambar 3.2. variasi sudut sudu dan sisi masuk fluida kerja (a) sudut sudu 70, (b) sudut sudu 80, (c) sudut sudu 90 (d) sudut sudu 100, dan (e) sudut sudu 110 14 Gambar 3.3. variasi sudut sisi masuk fluida kerja 15 Gambar 3.4. Langkah-langkah penelitian 17 Gambar 4.1. Skema model uji kincir air (titik referensi untuk menghitung Head Efektif Kincir) 19 Gambar 4.2. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Daya kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 70 26 Gambar 4.3. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Efisiensi kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ) = 70 26 Gambar 4.4. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Daya kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 80 27 Gambar 4.5. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Efisiensi kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ) = 80 28 Gambar 4.6. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Daya kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 90 29 ix
Gambar 4.7. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 90 29 Gambar 4.8. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Daya kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ) = 100 30 Gambar 4.9. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Efisiensi kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ) = 100 31 Gambar 4.10. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Daya kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ) = 110 32 Gambar 4.11. Hubungan antara putaran kincir dan sudut masuk fluida kerja (β) terhadap Efisiensi kincir air sudu segitiga sudut sudu (θ)= 110 32 Gambar 4.12. Perbandingan Efisiensi Maksimum Kincir Air Sudu Segitiga pada sudut sudu (θ) = 70,80, 90, 100, 110 33 Gambar 4.13 Perbandingan bentuk sudu kincir air sudu segitiga sudut sudu: a. 70 derajat, b. 80 derajat, c. 90 derajat, d. 100 derajat, d. 110 derajat, 32 Gambar 4.14. Fluida pada putaran kincir : a. Putaran lambat, b. Putaran cepat 33 Gambar 4.15. arah fluida kerja pada masing-masing sudut nosel (a) sudut nosel 0 derajat, (b) sudut nosel 1/3 β. 33 Gambar 4.16. Fluida pada kincir: a. Kincir sudu segitiga sudut sudu 70 derajat, b. Kincir sudu segitiga sudut sudu 110 derajat 34 Gambar 4.17. perbandingan performansi kincir air sudu lurus, sudu segitiga, dan sudu lengkung ke belakang 34 x
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Klasifikasi hydropower 4 Tabel 2.2. Pemilihan jenis turbin air berdasarkan head 8 Tabel 4.1. Pengujian kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 70 20 Tabel 4.2. Pengujian kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 80 21 Tabel 4.3. Pengujian kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 90 22 Tabel 4.4. Pengujian kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 100 23 Tabel 4.5. Pengujian kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 110 24 Tabel 4.6. Daya dan Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 70 25 Tabel 4.7. Daya dan Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 80 27 Tabel 4.8. Daya dan Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 90 28 Tabel 4.9. Daya dan Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 100 30 Tabel 4.10. Daya dan Efisiensi kincir air sudu segitiga pada sudut sudu (θ) = 110 31 xi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Skema Alat Uji 39 Lampiran 2. Variasi Kincir Sudu Segitiga 40 Lampiran 3.Dokumentasi Pengujian 41 xii
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Hydropower adalah salah satu renewable energy yang berpotensi untuk dikembangkan di Indonesia dan Bali pada khususnya. Hal ini dikarenakan banyaknya sumber aliran air pada sungai atau saluran irigasi yang mempunyai debit aliran air yang relatif kecil pada head yang rendah yang berpotensi dimanfaatkan sebagai pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro. Kincir air adalah komponen utama yang mengkonversi energi dari aliran air menjadi energi mekanis yang kemudian digunakan untuk menggerakkan generator. Untuk mendapatkan energi listrik yang optimal dibutuhkan kincir air yang bisa menghasilkan output putaran kincir dan efisiensi yang tinggi, maka perlu dibuat desain sudu kincir air dengan bentuk yang tepat tetapi mudah dibuat dan murah. Pada umumnya kincir air memiliki bentuk sudu lurus. Jasa (2014) telah membuat desain dan menguji kincir air dengan bentuk sudu segitiga, seperti pada Gambar 1.1, yang dapat menghasilkan efisiensi 5,73% lebih besar dibandingkan dengan bentuk sudu lurus. Gambar 1.1. Kincir air dengan bentuk sudu segitiga (Sumber: Jasa, et.al., 2014) Dalam penelitian ini diuji kincir air sudu segitiga dengan variasi sudut sudu dan sudut masuk fluida untuk mendapatkan efisiensi yang paling optimal. Penelitian yang dilakukan oleh Sakurai (2009) adalah melakukan uji coba terhadap purwarupa model turbin air dalam skala laboratorium. Metode tersebut memungkinkan dilakukan penelitian di laboratorium tanpa harus dilokasi. Pada penelitian
2 sebelumnya Suryawan (2016) telah membuat dan menguji desain model kincir dengan sudu lurus, sudu melengkung kedepan dan sudu melengkung kebelakang untuk mendapatkan desain sudu yang optimal. Pembangkit listrik tenaga air skala sangat kecil sangat potensial dikembangkan di daerah pedesaan. Pada penelitian ini akan dibuat dan diuji desain model kincir sudu segitiga dengan memvariasikan sudut segitiga untuk mendapatkan desain sudu yang optimal namun mudah dibuat dan murah harganya. θ Gambar 1.2.Sudut sudu kincir air sudu segitiga yang akan divariasikan 1.2. Rumusan Masalah Adapun permasalahan yang dibahas dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana rancangan sudut sudu kincir air sudu segitiga dan sudut masuk fluida kerja kincir air yang dapat menghasilkan daya yang lebih tinggi untuk pembangkit listrik skala sangat kecil (picohydro) namun mudah dibuat? 2. Berapa sudut sudu segitiga kincir air yang menghasilkan performansi optimal? 1.3. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk: 1. Mengetahui rancangan sudut sudu kincir air sudu segitiga dan sudut masuk fluida kerja kincir air yang dapat menghasilkan daya yang lebih tinggi untuk pembangkit listrik skala sangat kecil (picohydro) namun mudah dibuat.
3 2. Mengetahui sudut sudu kincir air sudu segitiga yang menghasilkan performansi optimal. 1.4. Batasan Penelitian Agar penelitian ini tidak menyimpang dari tujuan yang direncanakan sehingga mempermudah mendapatkan data dan informasi yang diperlukan, maka penulis menetapkan batasan-batasan sebagai berikut: 1. Perancangan kincir sudu segitiga divariasikan pada sudut depan hipotenusa segitiga. 2. Variasi sudut sudu (θ) dibatasi hingga 5 varian yang paling memungkinkan untuk dibuat yaitu θ = 70, 80, 90, 100, dan 110. 3. Sudut masuk fluida kerja (β) sesuai dengan sudut relatif sisi masuk sudu. 4. Penelitian dilakukan dengan model skala laboratorium. 5. Penelitian dibatasi pada kondisi breastshoot. 6. Variable tetap yaitu debit air(q), ketinggian air(h), dan kecepatan aliran air (V). 1.5. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat digunakan sebagai desain kincir air sudu segitiga yang lebih efisien dalam rangka meningkatkan performansi PLTPH yang mempunyai head rendah. Diharapkan dapat mengembangkan PLTPH dengan mudah dan murah.