ANALISIS PERBANDINGAN DAYA PADA SALURAN PEMBAWA UNTUK SUPLAI TURBIN ULIR ARCHIMEDES Zulkiffli Saleh 1*, M. Fauzan Syafitra 2 1,2 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Palembang Jl. A. Yani 13 Ulu, Palembang, Sumatra Selatan * Email: zulkiflisaleh@ft.umpalembang.ac.id, mfauzansyafitra.94@gmail.com Abstrak Pengamatan ketersediaan potensi air untuk pengembangan pembangkit listrik dengan beragam skala dan tipe pembangkit listrik sangat diperlukan, selanjutnya kajian terkait sumber daya air yang terhubung dengan pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) khususnya turbin ulir Archimedes meruntun parameter yang bersesuaian dengan kecepatan aliran, luas tampang lintang saluran dan volume aliran. Penelitian ini mengarah pada kajian terhadap pengaruh daya pada saluran pembawa untuk suplai turbin ulir Archimedes. Hasil pengujian dan analisis yang didapat, daya available aliran pada saluran yang lebih besar yaitu 10,37 kw daripada daya melalui perhitungan Matlab yaitu 4,76 kw. Kata kunci: fluida air, daya available, daya terbangkitkan pada turbin ulir Archimedes. 1. PENDAHULUAN. Energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dan perkembangan suatu negara atau daerah, arena itu pemanfaatan energi secara tepat guna akan menjadi suatu cara yang ampuh dalam perkembangan zaman dan berkelanjutan, pemanfaatan energi saat ini diarahkan pada penggunaan energi terbarukan, misalnya energi air, energi angin, energi matahari, energi panas bumi. Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di Indonesia adalah energi air dan apabila pemanfaatan energi tersebut dilakukan secara luas di seluruh wilayah maka peluang untuk keluar dari krisis listrik akan semakin besar, mengingat bahwa terdapat banyak tempattempat yang berpotensi untuk dimanfaatkan dan semuanya menyebar di seluruh pulau-pulau besar yang ada di Indonesia. Pembangkitan daya listrik yang bersumber dari energi air salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Salah satu teknologi yang dikembangkan untuk mendukung PLTMH ini adalah turbin ulir Archimedes, sebagai penggerak mula (prime mover) dari PLTMH tersebut. Kinerja sebuah turbin ulir Archimedes dipengaruhi oleh paramater-parameter yang terkait dalam perancangan turbin ulir Salah satunya adalah pengaruh daya available dan daya terbangkitkan pada turbin ulir Archimedes. 1.1. Saluran Terbuka. Saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebas disebut saluran terbuka. Saluran digolongkan menjadi dua macam yaitu saluran alam (natural) dan saluran buatan (artificial). Saluran alam meliputi semua saluran air yang terdapat secara alamiah dibumi, melalui dari anak selokan kecil di pegunungan, sungai kecil dan sungai besar sampai ke muara sungai. Sifat-sifat hidrolik saluran alam biasanya sangat tidak menentu. Dalam beberapa hal dapat dibuat anggapan pendekatan yang cukup sesuai dengan pengamatan sesungguhnya sehingga persyaratan aliran pada saluran terbuka dapat diterima untuk penyelesaian analisis hidrolika teoritis. Saluran buatan merupakan saluran yang dibuat untuk tujuan dan kepentingan tertentu. Saluran buatan memiliki penampang teratur dan lebih mudah dalam melakukan analisis disbanding saluran alami (Harianja & Gunawan, 2007). Penampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya bervariasi dari bentuk seperti parabola sampai trapesium. Istilah penampang saluran (channel section) adalah tegak lurus terhadap arah aliran, sedangkan penampang vertikal saluran (vertical channel section) adalah penampang vertikal melalui titik terbawah atau terendah dari penampang. Oleh sebab itu pada saluran mendatar penampangnya selalu merupakan penampang vertikal. 132
Gambar 1. Penampang saluran persegi panjang (Triatmodjo, 1993). Luas (A) = b x h Keliling basah (P) = b+ 2h Jari-jari Hidrolik (R) = bh b+2h b = lebar dasar saluran, dan h = tinggi kedalaman air. Terdapat banyak bentuk penampang saluran terbuka antaralain penampang bentuk trapesium, penampang bentuk persegi panjang, penampang bentuk segitiga, penampang bentuk parit dangkal, dan penampang saluran alam yang tidak beraturan. Gambar 2. Berbagai macam bentuk saluran terbuka (a)trapesium, (b)persegi, (c)segitiga, (d)setengah lingkaran, (e)tak beraturan (Triatmodjo, 1993). Debit dapat diartikan sebagai banyaknya volume fluida yang mengalir pada tiap satu satuan waktu, biasanya dinyatakan dalam satuan liter/detik atau dalam satuan meter kubik (m 3 ) per detik. Maka debit dapat dihitung: Q = v. A Q = Debit air (m 3 /s) v = Kecepatan aliran (m/s) A = Luas Penampang (m 2 ) Korelasi antara daya yang dihasilkan oleh generator dan debit turbin, terletak pada daya yang dihasilkan dari massa jenis, percepatan gravitasi, debit, head dan efisiensi yang dimiliki oleh turbin. Maka untuk mendapatkan debit turbin dapat dicari dengan menggunakan persamaan (Havendri & Luis, 2009). P = ρ. g. Q. H. η Q = P ρ.η.h.g P = Daya (Watt) ρ = Massa jenis air (kg/m 3 ) Q = Debit air (m 3 /s) g = Grafitasi (9,81) H = Head efektif ɳ = Efisiensi 133
1.2. Turbin ulir Archimedes. Awalnya Archimedes menciptakan pompa ini bertujuan untuk mengeluarkan air dari bagian dalam kapal dan merancang ulang pompa ini agar bisa digunakan untuk menaikkan air dari sungai. Prinsip kerja pompa ulir berputar terbalik dan membiarkan air mengendalikan pompa kemudian di atas pompa tersebut dipasang sebuah generator maka listrik akan dapat dihasilkan sepanjang generator tersebut tidak terkena air atau basah. Jadi pada prinsipnya turbin screw merupakan pembalikan dari fungsi pompa screw (Havendri, Adly; Arnif, Irfan, 2010). Gambar 3. Turbin Screw Archimedes (Havendri, Adly; Arnif, Irfan, 2010) Air berfungsi sebagai penggerak sudu atau screw turbin dimana besarnya gerakan yang dihasilkan tergantung kepada jumlah debit dan ketinggian air (menghasilkan energi potensial). Debit air merupakan banyaknya jumlah air yang mengalir dalam turbin per satuan waktu (liter/dt) dan ketinggian jatuh air (head) pada turbin adalah besarnya jarak antara titik air dengan turbin. Selanjutnya energi potensial diubah menjadi energi mekanik pada pada turbin melalui sudu sudu atau screw pada turbin. Energi mekanik yang dihasilkan turbin diteruskan oleh poros penghubung (berputar) ke generator dimana pada generator energi mekanik diubah menjadi energi listrik (Indriani, Anizar; Hendra; Kurniawan M, Afdal; Herawati, Afriyastuti, 2013) Turbin ulir terdiri dari beberapa tipe seperti steel trough dan closed compact installation (Havendri & Luis, 2009). Beberapa keunggulan dari turbin ulir dibandingkan dengan jenis turbin air lainnya yaitu: 1. Baik dikembangkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan debit yang cukup besar (sungai) namun hanya memiliki head yang rendah. 2. Tidak memerlukan sistem merlukan sistem kontrol yang sangat rumit seperti turbin lainnya. 3. Tekanan air yang terjadi pada tidak merusak ekologi dalam hal ini dampak terhadap makhluk hidup air (ikan). 4. Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dampak mengurangi pengeluaran untuk penggalian pemasangan draft tube. 5. Memiliki efisiensi yang tinggi, dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk debit air yang kecil. 6. Tidak memerlukan jaring-jaring halus sebagai pencegah masuknya puing-puing kedalam turbin, sehingga dapat mengurangi biaya perawatan. 1.2.1. Puli. Puli merupakan salah satu dari berbagai macam transmisi. Puli berbentuk seperti roda. Pada penggunaannya puli selalu berpasangan dan dihubungkan dengan sabuk (belt). 1.2.2. Torsi. Gerak rotasi, penyebab berputarnya benda merupakan momen gaya atau torsi. Momen gaya (torsi) adalah sebuah besaran yang menyatakan besarnya gaya yang bekerja pada sebuah benda sehingga mengakibatkan benda tersebut berotasi. Besarnya torsi tergantung pada gaya yang dikeluarkan serta jarak antara sumbu putaran dan letak gaya. Torsi disebut juga momen gaya dan merupakan besaran vektor. Torsi dilambangkan dengan lambang τ (Yulistiyanto, Bambang; Hizhar, Yul, 2012). 134
τ = F. r τ = Torsi F = Gaya r = Panjang lengan Daya turbin dilambangkan dengan Pt diperoleh dari torsi, T dikalikan dengan kecepatan sudut ω. Pt = τ. ω Pt = Daya turbin τ ω = Torsi = Kecepatan sudut (ω = 2πn/60) 1.2.3. Daya Turbin Daya yang dihasilkan turbin dapat ditentukan dengan persamaan (Yulistiyanto, Bambang; Hizhar, Yul, 2012) : P t = f(n 2 ). r. 2πn/60 2. METODOLOGI Terapan metode yang dilakukan dalam penelitian ini terbagi dalam 2 (dua) tahapan yaitu : (1) pengumpulan data lapangan terkait dengan data saluran dan (2) perhitungan melalui perangkat komputasi. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian dilaksanakan melalui metode action research yang mengadopsi teknik pengumpulan data lapangan berbantukan peralatan ukur untuk mengkoleksi cakupan data yang merujuk pada parameter terkait. Mekanisme pengumpulan data disesuaikan dengan kondisi lapangan dan metode koleksi data. Lingkup data yang dikoleksi berupa data pada saluran dengan mengukur kecepatan aliran. Gambar 4. Penampang saluran Tampilan penampang penampang lintang pada saluran diproyeksikan seperti Gambar 4. Pembentukan tampang lintang tersebut untuk membuat model matematis yang digunakan pada baris program perhitungan kecepatan aliran melalui Matlab. Tabel 1. Dimensi penampang saluran 135
Data pendukung pada saluran yang dikoleksi terkait dengan luasan dengan mengukur kedalaman dan lebar saluran. Tabel 2. Pengukuran aliran per penampang Saluran pembawa pada sistem pengembangan PLTMH disuplai dari catchment area sebelumnya dengan kapasitas yang lebih besar, luaran saluran pembawa mengarah pada pintu masuk turbin. Variabel terkait terdapat pada saluran pembawa berkait erat dengan prediksi daya pada fluida air. Kondisi teknis aliran pada saluran terbuka yang dimiliki saluran pembawa secara umum hampir sama pada setiap kondisi walaupun metode koleksi data dapat digunakan untuk segmen tertentu. Tabel 3. Data Penampang Saluran Data yang didapat pada penampang dapat di hitung dengan formula luas penampang : A = L. D A = 39.29 A = 1131 cm 2 A = 0,1131 m 2 Debit : Q = v. A Q = 5,75. 0,1131 Q = 0,650325 m 3 /dt Daya available : P = ρ. g. Q. H. η P = 1000.9,81.0,650325.2,5.0,65 P = 10366,99 Watt 1000 P = 10,37 kw 136
Gambar 5. Hasil perhitungan penampang melalui Matlab Dari Gambar 5. hasil perhitungan matlab dapat diperoleh aliran tercepat pada penampang berada pada v5 = 5,14 m/dt. Daya dengan perhitungan Matlab : P t = f(n 2 ). r. 2πn / 60 P t = 160 2. 0,254. 2. 3,14. 7/60 P t = 4764.092 Watt 1000 P t = 4,76 kw 4. KESIMPULAN Berdasarkan data nilai pengukuran dan dilanjutkan dengan perhitungan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan diantaranya sebagai berikut : 1. Kecepatan maksimum pada penampang saluran tepatnya terjadi di permukaan aliran sebesar 5,14 m/dt sedangkan kecepatan minimum terjadi didasar saluran sebesar 1,04 m/dt 2. Daya available aliran pada saluran yang lebih besar yaitu 10,37 kw daripada daya melalui perhitungan Matlab yaitu 4,76 kw. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kami sampaikan kepada Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi atas asupan pendanaan yang kami terima melalui Hibah Bersaing tahun pelaksanaan ke-2. DAFTAR PUSTAKA Harianja, J. A., & Gunawan, S. (2007). Tinjauan Energi Spesifik Akibat Penyempitan pada Saluran Terbuka. Majalah Ilmiah UKRIM Edisi 1/th XII/2007, 31-36. Havendri, A., & Luis, H. (2009). Perancangan dan Realisasi Model Prototipe Turbin Air Type Screw (Archimedean Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Head Rendah di Indonesia. TeknikA, 1-7. Havendri, Adly; Arnif, Irfan. (2010). Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke - 9. Kaji Eksperimental Penentuan Sudut Ulir Optimum pada Turbin Ulir untuk Perancangan Turbin Ulir pada Pusat Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) dengan Head Rendah, MI- 274. 137
Indriani, Anizar; Hendra; Kurniawan M, Afdal; Herawati, Afriyastuti. (2013). laporan akhir penelitian unggulan. rancang bangun dan pembuatan model sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro dengan metode eleman hingga berdasarkan posisi dan bentuk sudu screw pump, 5. Triatmodjo, B. (1993). Hidraulika II. Yogyakarta. Yulistiyanto, Bambang; Hizhar, Yul. (2012). Pengaruh Debit Aliran dan Kemiringan Poros Turbin Ulir Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro. Jogjakarta. 138