PROS ID I NG 2 0 1 3 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK ANALISIS KINERJA RODA AIR ALIRAN BAWAH SUDU LENGKUNG 180 o UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea Makassar, 90245 Telp./Fax: (0411) 588400 e-mail: a.mangkau@yahoo.com Abstrak Listrik adalah suatu sumber daya yang paling banyak digunakan sekarang ini karena memiliki banyak fungsi, di antaranya dalam menunjang kehidupan manusia, listrik digunakan sebagai suplai alat-alat elektronik dan alat-alat lainnya yang menggunakan listrik. Hal ini membuat banyak negara termasuk Indonesia mencari cara dalam pemanfaatan energi untuk menambah pasokan listriknya guna memenuhi kebutuhan manusia. Selain mengandalkan pembangkit berbahan bakar fosil yang jumlahnya terbatas di alam, salah satu aplikasi yang diarahkan adalah pemanfaatan energi terbarukan yang ada di alam, misalnya energi air, energi angin, energi matahari, dan panas bumi. Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di Indonesia adalah pemanfaatan energi air dan apabila pemanfaatan energi tersebut dilakukan secara meluas diseluruh wilayah Indonesia maka peluang keluar dari krisis listrik akan semakin besar mengingat bahwa terdapat banyak tempat-tempat seperti sungai yang berpotensi untuk dimanfaatkan di negara kita. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui daya listrik yang dihasilkan pada debit dan beban lampu yang bervariasi, untuk menentukan kinerja terbaik dari roda air arus bawah berdasarkan hasil pengujian, dan untuk menganalisis hubungan antara daya listrik yang dihasilkan terhadap kinerja roda air arus bawah. Pengujian dilakukan dengan pengambilan data secara langsung di Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Penelitian ini menggunakan metode penelitian lapangan dan kepustakaan. Data yang diambil menggambarkan hubungan antara efisiensi (η ins) terhadap debit (Q) dengan berbagai beban (n) lampu. Dengan mengukur besarnya debit aliran, tinggi air, kuat arus dan tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator, dan putaran dari roda air. Hasil dari penelitian dan pengolahan data diperoleh efisiensi terbaik dari roda air adalah 22,299% pada debit (Q) = 0,0135 m 3 /s dengan beban (n) lampu = 1. Kata Kunci: roda air, aliran bawah, sudu lengkung PENDAHULUAN Berdasarkan data produksi dan konsumsi listrik Indonesia, konsumsi listrik cenderung naik sedangkan produksinya sendiri walaupun cenderung naik, namun tahun 2008 terjadi penurunan produksi listrik. Tahun 2007 produksi listrik yang besarnya 141.711,30 GWh, masih lebih tinggi dibanding konsumsi listrik sebesar 121.554,79 GWh sedang sejak tahun 2008 konsumsi listrik sudah melebihi batas produksi listrik dengan rincian produksi listrik 113.080,70 GWh sedangkan konsumsinya 129.018,90 GWh. Seiring perkembangan zaman, pemanfaatan energi pada saat ini sangat dibutuhkan. Dimana kebutuhan akan energi semakin meningkat, terutama bagi daerah yang sedang berkembang. Oleh karena itu, pemanfaatan energi secara tepat guna dapat menutupi kebutuhan energi yang terus meningkat. Pada umumnya negara-negara berkembang saat ini masih banyak mengandalkan suplai energi dari pembangkit berbahan bakar fosil seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam yang tersedia dalam jumlah yang terbatas dan suatu saat akan habis, sementara permintaan akan energi terus bertambah. Oleh karena itu, pemanfaatan energi saat ini lebih kepada pemanfaatan sumber energi terbarukan seperti, energi air, energi angin, energi matahari dan sebagainya. Hal ini dikarenakan energi terbarukan lebih mudah didapat dan dapat didaur ulang bila dibandingkan dengan energi fosil yang tidak dapat didaur ulang. Untuk mendapatkan sumber energi fosil juga harus dilakukan dengan proses yang rumit dan membutuhkan waktu yang lama. Volume 7 : Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM2-1
Analisa Kinerja Roda Air Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi dalam penggunaannya melihat negara Indonesia merupakan negara yang beriklim tropis dan mempunyai curah hujan yang tinggi, kemudian ditambah dengan keadaan topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang deras sehingga sangat berpotensi untuk dijadikan sebagai pembangkit tenaga listrik. Energi air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Dimana pada dasarnya, air diseluruh permukaan bumi ini bergerak (mengalir). Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dengan menggunakan kincir air (roda air) atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu aliran sungai atau air terjun. Kincir air (roda air) memiliki sudu yang mempengaruhi kinerja yang dihasilkan dari roda air itu sendiri. Adapun bentuk sudu dari roda air yang umumnya digunakan dan memiliki kinerja yang lebih baik dibanding bentuk sudu yang lainnya adalah sudu lengkung. Persamaan-Persamaan yang Digunakan Debit, merupakan banyaknya volume air yang mengalir setiap satuan waktu (Munson, Bruce R., 2003). Q = A. v (1) Q = debit air (m 3 /s) A = luas penampang yang dilalui oleh air (m 2 ) v = kecepatan aliran air (m/s) Daya air yang tersedia, merupakan energi kinetik dari air yang mengalir tiap satuan waktu (Dandekar dan Sharma, 1998). P air = ½ ρ.a.v 3 (2) P air = daya air yang tersedia (Watt) ρ = densitas air (kg/m 3 ) A = luas penampang yang dilalui oleh air (m 2 ) v = kecepatan aliran air (m/s) Gaya, adalah sesuatu yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan (Foster, Bob. 1980). F = m g (3) F = gaya yang terjadi (N) m = massa benda (kg) g = percepatan gravitas (9,81 kg/s 2 ) Daya listrik, merupakan daya yang dihasilkan oleh generator sebagai akibat dari putaran roda air dan torsi yang terjadi (Foster, Bob. 1980). P gen = I.V (4) P gen = daya yang dihasilkan oleh generator (Watt) I = kuat aruslistrik (Ampere) V = tegangan atau beda potensial (Volt) Efisiensi, merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan dengan daya yang tersedia dalam bentuk persen atau biasa disebut dengan kinerja (Wikipedia, 2013). η = P out / P in x 100% (5) ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 7 : Desember 2013 TM2-2
PROS ID I NG 2 0 1 3 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK η = besarnya nilai kinerja (%) P out = besarnya daya yang dihasilkan (Watt) P in = besarnya daya yang tersedia (Watt) METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian ini telah dilakukan selama bulan Februari 2013 bertempat di Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Tahap Penelitian Adapun tahap penelitian yang akan dilakukan oleh penulis dalam rangka mengumpulkan data hingga menyelesaikan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Membuat alat eksperimental Pembuatan alat eksperimental dimaksudkan sebagai objek penelitian yang akan dilakukan. Pengambilan data. Metode yang digunakan dalam pengumpulan data adalah dengan sistem observasi langsung. Mengolah data dan membahas hasil penelitian. Menarik kesimpulan dari hasil pengolahan data dan pembahasan yang telah dilakukan. Instalasi Alat Pengujian Roda Air Sudu Lengkung Berikut ini adalah gambar tampak dari roda air sudu lengkung yang digunakan pada penelitian ini lengkap beserta ukuran dalam satuan cm (gambar 1). Gambar 1. Tampak Sketsa Roda Air Gambar 2. Sistem Pemasangan Alat Volume 7 : Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM2-3
Analisa Kinerja Roda Air Sistem Pemasangan Alat Keseluruhan Berikut ini adalah rangkaian alat pada instalasi pada penelitian ini yang terdiri dari: roda air, generator, amperemeter, voltmeter, dan lampu (gambar 2). Skema Pemasangan Alat Ukur Listrik Skema pemasangan alat ukur listrik pada instalasi dapat digambarkan seperti di bawah ini: Gambar 3. Skema Pemasangan Alat Ukur Listrik Prosedur Penelitian Adapun prosedur pengambilan data yang dilakukan yaitu: Memeriksa keadaan alat yang akan digunakan pada pengujian roda air misalnya tinggi air dalam bak penampungan yang baik digunakan adalah 80 cm serta memeriksa katup apakah sudah dalam kondisi baik. Memasang roda air sudu lengkung pada instalasi. Menghubungkan pompa dengan sumber listrik. Mengatur debit air mula-mula dengan membuka katup 2,25. Membiarkan pompa beroperasi hingga mencapai kondisi air yang stabil. Mengukur debit air yang mengalir pada saluran dengan menggunakan ember ukur 20 liter dan stopwatch. Pengukuran ini dilakukan sebanyak 3 kali yang kemudian nantinya dicari rata-ratanya. Ini bertujuan untuk mendapatkan data yang akurat. Mencatat tinggi air yang mengalir dalam saluran. Tinggi air (h) ini sebagai daya dari air yang akan dipakai untuk memutar roda air. Memasang generator, pulley dan belt serta rangkaian alat ukur amperemeter, voltmeter, dan 5 buah lampu. Menentukan berapa kuat arus dan tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan beban 1 lampu pada amperemeter dan voltmeter. Setelah itu menghitung jumlah putaran roda air dengan menggunakan handy counter dan bersamaan dengan itu stopwatch dijalankan selama satu menit. Setelah satu menit, stopwatch dihentikan dan mencatat data yang didapatkan seperti putaran roda air serta daya listrik yang dihasilkan. Setelah itu beban lampu ditambahkan mulai dari 2 lampu hingga menggunakan 5 lampu. Kemudian mengulangi prosedur pada poin 9 11. Mengubah kedudukan katup dengan bukaan 2,5, 2,75, dan 3. Setelah itu ulangi prosedur pada poin 5-11. Setelah semua data didapatkan dari pengujian roda air sudu lengkung, pompa dimatikan dengan memutuskannya dengan sumber arus listrik. Meletakkan kembali alat pada tempat yang aman. BAHASAN Setelah menyelesaikan pengujian dan pengolahan data pada roda air dengan model sudu lengkung, maka diperoleh data-data antara lain, debit air, daya air, daya generator, dan efisiensi. Daya air yang diperoleh berbeda-beda, hal ini disebabkan karena berbeda-bedanya debit air yang diberikan. Dimulai dari debit air 0,0108 m 3 /s (Q 1), 0,0124 m 3 /s (Q 2), 0,0135 m 3 /s (Q 3), dan 0,0163 m 3 /s (Q 4). Semakin besar debit air, maka daya air yang tersedia juga semakin besar. Daya air inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk memutar roda air sehingga menghasilkan putaran. Kemudian putaran roda air akan diteruskan ke generator melalui pulley untuk menghasilkan daya listrik. Daya ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 7 : Desember 2013 TM2-4
ηins (%) PROS ID I NG 2 0 1 3 HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK listrik generator yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh putaran roda air. Semakin banyak putaran roda air yang dihasilkan, maka kuat arus yang dihasilkan semakin besar pula sehingga daya listrik juga semakin besar. Kinerja roda air atau biasa disebut dengan efisiensi (η ins) didapat dari perbandingan antara daya listrik yang dihasilkan oleh generator dengan daya air yang tersedia. Dari hasil pengamatan diketahui bahwa efisiensi (η ins) berbanding lurus terhadap daya listrik yang dihasilkan oleh generator (P gen). Berikut ini adalah tabel dan grafik perbandingan antara efisiensi (η ins) dan daya generator Pgen dengan beban lampu yang berbeda-beda. Tabel 1. Data Efisiensi Roda Air (η ins) pada berbagai Jumlah Beban Lampu n lampu Debit (m 3 /s) Pair (Watt) Pgen (Watt) ηins (%) 0.0108 14.40167 2.0016 13.89839 1 0.0124 14.12104 2.529 17.90945 0.0135 14.47621 3.228 22.29865 0.0163 21.56712 4.3152 20.00823 0.0108 14.40167 1.3368 9.282259 2 0.0124 14.12104 1.6968 12.01611 0.0135 14.47621 1.9605 13.54291 0.0163 21.56712 2.7558 12.77778 0.0108 14.40167 0.8416 5.843768 3 0.0124 14.12104 1.101 7.796876 0.0135 14.47621 1.149 7.937158 0.0163 21.56712 1.5024 6.96616 0.0108 14.40167 0.3808 2.644139 4 0.0124 14.12104 0.603 4.270224 0.0135 14.47621 0.7371 5.091801 0.0163 21.56712 1.0386 4.815664 0.0124 14.12104 0.3816 2.70235 5 0.0135 14.47621 0.5055 3.491935 0.0163 21.56712 0.7343 3.40472 (Sumber: Hasil olahan 2013) Pada Tabel 1 dan Gambar 4 memperlihatkan bahwa efisiensi berbanding lurus terhadap daya generator akan tetapi apabila telah mencapai titik maksimumnya, maka efisiensi akan mengalami penurunan akibat semakin besarnya pembebanan yang diberikan terhadap roda air. Sehingga dalam grafik akan membentuk sebuah garis setengah parabola. Selain itu beban lampu juga sangat mempengaruhi kinerja roda air. Seperti terlihat pada grafik di atas dimana semakin banyak beban yang diberikan, maka akan menurunkan kinerja dari roda air. Kinerja terbaik roda air atau efisiensi maksimum terjadi pada debit 0,0135 m 3 /s dengan pembebanan 1 lampu yaitu sebesar 22,299%. Dimana dengan debit 0,0135 m 3 /s kinerja roda air cenderung seimbang. Hal ini dikarenakan oleh pembebanan yang diberikan cenderung kecil sehingga efisiensi yang dihasilkan maksimal. Berikut adalah grafik perbandingan antara efisiensi terhadap debit air. 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 P gen (Watt) n lampu = 1 n lampu = 2 n lampu = 3 n lampu = 4 n lampu = 5 Gambar 4. Hubungan antara Efisiensi (η ins) terhadap Daya Generator (P gen) dengan berbagai Beban (n Lampu) Volume 7 : Desember 2013 Group Teknik Mesin ISBN : 978-979-127255-0-6 TM2-5
ηins (%) Analisa Kinerja Roda Air 24 22 20 18 16 n lampu = 1 14 12 n lampu = 2 10 n lampu = 3 8 6 n lampu = 4 4 2 n lampu = 5 0 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Q (m 3 /s) Gambar 5. Hubungan antara Efisiensi (η ins) terhadap Debit (Q) dengan berbagai Beban (n Lampu) Pada Gambar 5 memperlihatkan bahwa kinerja roda air sangat dipengaruhi dengan debit aliran, dimana semakin besar debit aliran maka semakin besar pula kinerja dari roda air sehingga menghasilkan efisiensi yang besar pula. Akan tetapi apabila kinerja roda air telah mencapai titik maksimumnya maka efisiensi akan menurun. Hal ini dikarenakan tabrakan dari aliran air pada instalasi ke sudu roda air telah mencapai titik dimana sudah tidak kuat lagi untuk menghasilkan putaran yang diharapkan. SIMPULAN Dari hasil pengamatan diketahui bahwa efisiensi tertinggi (ηins) atau kinerja terbaik dari roda airadalah 22,299% pada debit (Q) = 0,0135 m 3 /s dengan n lampu = 1. Dari hasil pengamatan dapat diketahui bahwa efisiensi atau kinerja roda air arus bawah berbanding lurus terhadap daya listrik yang dihasilkan. Akan tetapi apabila telah mencapai titik maksimumnya maka efisiensi akan mengalami penurunan akibat semakin besarnya pembebanan atau beban lampu yang diberikan terhadap roda air. DAFTAR PUSTAKA Bruce R. Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi, Harnaldi, Budiarso. 2003. Mekanika Fluida (Terjemahan). Edisi IV, Erlangga, Jakarta. Foster, Bob. 1980. Fisika Terpadu. Erlangga, Jakarta. Himran, Syukri. 2006. Dasar-dasar Merencana Turbin Air. CV Bintang Lamumpatue, Makassar. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2009. Data Produksi Dan Konsumsi Listrik Indonesia (http://www.esdm.go.id diakses pada 21 Maret 2013) M. M. Dandekar, K. N. Sharma. 1998. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Erlangga, Jakarta. Patty, O.F., 1995. Tenaga Air. Erlangga, Jakarta. Prayatmo, Wibowo. 2007. Turbin Air. Graha Ilmu, Yogyakarta. Suharsono. 2004. Kincir Air Pembangkit Listrik. PT. Penebar Swadaya, Jakarta. White, Frank M, Hariandja, Manahan. 1986. Mekanika Fluida (Terjemahan). Edisi I, Erlangga, Jakarta. Wikipedia, 2013. Energi Potensial dan Energi Mekanik (http://id.wikipedia.org diakses pada 7 Mei 2013) ISBN : 978-979-127255-0-6 Group Teknik Mesin Volume 7 : Desember 2013 TM2-6