RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT …digilib.unila.ac.id/54792/3/SKRIPSI TANPA BAB...
64
RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN HELIK (HELICAL TURBINE) (Skripsi) Oleh M. AANG KHONAIFI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2018
Transcript of RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT …digilib.unila.ac.id/54792/3/SKRIPSI TANPA BAB...
RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN HELIK (HELICAL
TURBINE)
(Skripsi)
Oleh
M. AANG KHONAIFI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
ABSTRACT
DESIGN MANUFACTURE OF EQUIPMENT TESTING MODEL OF
HYDROELECTRIC POWER PLANT SYSTEM USING HELICAL
TURBINE
By
M. Aang Khonaifi
Hydroelectric Power Plant is a term used for electrical energy generation system
that uses hydraulic energy. PLTA technology has been proven reliable to meet the
electricity needs for villages in remote areas. Generally, existing PLTA systems
utilize high flow heads, many areas in villages do not have potential of high flow
head but only potential of free water flow energy or kinetic energy. By using ultra
low head hydraulic turbines, potential of this energy can be utilized to drive a
PLTA system. Before this potential is utilized, it is necessary to design the test
equipment of water turbine model that will be used to estimate the performance of
the water turbine prototype to drive a PLTA system and at the same time
introducing helical turbines to students of Mechanical Engineering in the
University of Lampung through practical assignments.
The purpose present design manufacture of equipment testing model of PLTA
system using helical turbine where profile of helical turbine using NACA 0030
witch the turbine diameter is 10 cm, turbine length is 20 cm, blade width is 4,2
cm, blade length is 20,8 cm, blade angle is 73,32o, number of blades is three.the
test was carried out by varying the flowrate by 0,058 m3/s,0,067 m3/s, and 0,069
m3/s. The test was also varied with a flywheel weight of 411 grams, 512 grams,
and 610 grams.The test result with the greatest efficiency were obtained at 0,069
m3/s with a flywheel weight of 512 grams at 21,32 %. While testing without
flywheel weight at 0,069 m3/s obtain an efficiency of 15,56 %. The design
manufacture of equipment testing model of PLTA system uses helical turbine
conducted in Fluid Mechanics Laboratory of Mechanical Engineering
Departement, Faculty of Engineering, University of Lampung.
Keywords : Electric Generation, Helical Turbine, Hydraulic Turbine, Ultra Low
Head.
ABSTRAK
RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN HELIK
(HELICAL TURBINE)
Oleh
M. Aang Khonaifi
Pembangkit Listrik Tenaga Air adalah istilah yang digunakan untuk sistem
pembangkit energi listrik yang menggunakan energi air. Teknologi PLTA ini
sudah terbukti handal untuk memenuhi kebutuhan listrik bagi desa-desa di daerah
terpencil. Umumnya sistem PLTA yang ada memanfaatkan energi aliran air yang
memiliki tinggi jatuh, namun banyak daerah di pedesaan yang tidak memiliki
potensi aliran yang memiliki tinggi jatuh air tetapi hanya potensi aliran air yang
memiliki energi kinetik. Dengan menggunakan turbin air ultra low head (head
sangat rendah), potensi aliran ini dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu
sistem PLTA. Namun sebelum potensi energi aliran air suatu aliran air
dimanfaatkan maka perlu dilakukan perancangan alat pengujian terhadap model
turbin air yang akan digunakan untuk memperkirakan unjuk kerja prototipe turbin
air untuk menggerakkan suatu sistem PLTA dan sekaligus memperkenalkan
turbin helik kepada Mahasiwa Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung
Melalui Praktikum.
Pada penelitian ini disajikan rancang bangun alat uji model sistem PLTA dengan
menggunakan turbin helik dimana profil turbin helik menggunakan NACA 0030
dengan diameter turbin 10 cm, tinggi turbin 20 cm, lebar sudu 4,2 cm, panjang
sudu 20,8 cm, kemiringan sudu 73,32o, jumlah sudu tiga. Pengujian dilakukan
dengan memvariasikan debit aliran 0,058 m3/s, 0,067 m3/s, dan 0,069 m3/s.
Pengujian juga divariasikan dengan beban roda gila sebesar 411 gram, 512 gram,
dan 610 gram. Hasil pengujian dengan efisiensi terbesar didapatkan pada debit
0,069 m3/s dengan beban roda gila 512 gram sebesar 21,32 %. Sedangkan
pengujian tanpa beban roda gila pada debit 0,069 m3/s menghasilkan efisiensi
sebesar 15,56 %. Rancang bangun alat uji model sistem PLTA dengan
menggunakan turbin helik dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan
Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung.
Kata kunci : Pembangkit listrik, Turbin air, Turbin helik, Ultra low head.
RANCANG BANGUN ALAT UJI MODEL SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN HELIK (HELICAL
TURBINE)
Oleh
M. AANG KHONAIFI
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2018
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kota Metro, Lampung pada tanggal 04 Juni
1995, sebagai anak pertama dari tiga bersaudara dari pasangan
Edwin Novalino dan Susilowati.
Penulis mengawali jenjang akademis di Sekolah Dasar yaitu di
SD Negeri 2 Gaya Baru, Kecamatan Seputih Surabaya, Lampung Tengah pada
tahun 2001. Lalu pada tahun 2003 penulis pindah sekolah ke SD Negeri 3 Bandar
Jaya, Lampung Tengah dikarenakan pekerjaan orangtua. Kemudian pada tahun
2005 penulis pindah sekolah lagi dengan alasan yang sama ke SD Negeri 5 Metro
Barat, Kota Metro. Selanjutnya penulis melanjutkan pendidikan Sekolah Menengah
Pertama di SMP Negeri 1 Metro Pusat, Kota Metro dan lulus pada tahun 2010.
Pada tahun 2013 penulis berhasil menyelesaikan pendidikan Sekolah Menengah
Atas di SMA Negeri 3 Metro Utara, Metro.
Pada tahun 2013 penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Seleksi Nasional Masuk
Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif di organisasi internal seperti di Himpunan
Mahasiswa Teknik Mesin (2015 – 2016) menjabat sebagai kepala divisi penelitian.
Penulis juga aktif dalam kegiatan lomba teknologi terapan, salah satu penghagaan
yang pernah diraih yaitu Juara Harapan 1 Kategori Umum dalam Lomba Anugerah
Inovasi Daerah Provinsi Lampung. Dalam bidang akademik, penulis melaksanakan
Kerja Praktek di PT. Daya Radar Utama (DRU) Unit III Lampung pada bulan
September 2016. Pada Skripsi ini penulis melaksanakan penelitian dalam bidang
konsentrasi konversi energi yang berjudul “ Rancang Bangun Alat Uji Model
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan Menggunakan Turbin Helik (Helical
Turbine) ” di bawah bimbingan Bapak Jorfri Boike Sinaga, S.T., M.T. dan Bapak
Agus Sugiri, S.T., M.T.
Bismillahirrahmanirrahim
Dengan Segala Kerendahan Hati
Dan Harapan Meraih Ridho Allah SWT.
Kupersembahkan Hasil Karya Yang Sederhana Ini Untuk Orang-Orang Yang Berjasa Besar
Dalam Hidupku :
“Kedua Orang Tuaku yang Tercinta”
“Abah dan Mama”
Yang Selalu Memberikan Kasih Sayang dan Cinta Sejak Buaian, Serta Jerih Payah dan Kerja
Keras Yang Dilakukan Untuk Menjadikanku Hingga Bisa Seperti Sekarang Ini.
“Adikku”
“Ibras dan Alfi”
Terima Kasih Atas Curahan Motivasi dan Semangat Yang Telah Diberikan
“Keluarga Besar Teknik Mesin Universitas
Lampung”
Keluarga Besarku dan Sahabat Terbaik yang Selalu Memberi Warna dan Ilmu Dalam
Hidupku.
“Almamater Tercinta Teknik Mesin
Universitas Lampung”
MOTTO
“... Boleh Jadi Kamu Tidak Menyenangi Sesuatu,
Padahal Itu Baik Bagimu, dan Boleh Jadi Kamu
Menyukai Sesuatu, Padahal Itu Tidak Baik Bagimu.
Allah Maha Mengetahui Sedangkan Kamu Tidak
Mengetahui.”
(Al- Baqarah : 216)
“Hai Orang-Orang yang Beriman, Jadikanlah Sabar dan
Shalatmu Sebagai Penolongmu, Sesungguhnya Allah
Beserta Orang-Orang yang Sabar”
(Al- Baqarah : 153)
“Tidak Ada Masalah yang Tidak Bisa Diselesaikan
Selama Ada Komitmen Bersama untuk
Menyelesaikannya”
SANWANCANA
Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT tuhan semesta alam atas rahmat dan
pertolongan-Nya, skripsi ini dapat diselesaikan. Sholawat serta salam selalu
tercurah kepada Nabi Muhammad SAW yang menunjukkan kepada umat manusia
jalan yang lurus, dan kepada para sahabatnya, keluarganya, serta para pengikutnya
yang selalu istiqamah diatas kebenaran agama Islam hingga hari ajal menjemput.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis banyak memperoleh bantuan baik itu moral
maupun material dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin
menyampaikan ucapan terima kasih kepada :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Hasriadi Mat Akin, M.P., selaku Rektor Universitas
Lampung.
2. Prof. Drs. Suharno, M.S., M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Lampung.
3. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung.
4. Bapak Jorfri Boike Sinaga, S.T., M.T., selaku pembimbing utama tugas akhir,
atas banyak waktu, ide, dan perhatian yang telah diberikan untuk membina
penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
5. Bapak Agus Sugiri, S.T., M.Eng., selaku pembimbing kedua tugas akhir ini,
yang telah banyak mencurahkan waktu dan pikirannya bagi penulis.
6. Bapak Ir. Herry Wardono, M.Sc., IPM, selaku pembahas tugas akhir ini, yang
telah banyak memberi kritik dan saran yang sangat bermanfaat bagi penulis.
7. Seluruh Dosen Staff pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.
8. Kedua Orang Tuaku, Mama, Abah, serta Adikku yang selalu memberikan doa
yang terbaik bagi penulis.
9. Kepada Alm. Ayah Gaek, Alm Nenek, Alm, Mbah Kakung, Mbah Putri, dan
Alm. Pak Ngah (Labetagola) yang menjadi inspirasi dan menjadi penyemangat
penulis.
10. Sahabat-sahabatku seperjuangan Rahman, Ucok, Nuril, Yuda, Rian, Cahya,
Wahyudi, Adin, Moyo, Agung, Riski, Topik, serta seluruh saudara
seperjuangan Teknik Mesin 2013 yang selalu memberikan semangat bagi
penulis.
Semoga dengan kebaikan, bantuan, dan dukungan yang telah diberikan pada
penulis mendapat balasan pahala yang berlipat ganda dari Allah SWT. dan semoga
skripsi ini bermanfaat. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.
Bandar Lampung, 7 Desember 2018
Penulis
M. AANG KHONAIFI
NPM. 1315021039
i
DAFTAR ISI
halaman
DAFTAR ISI .............................................................................................. i
DAFTAR GAMBAR ................................................................................. iii
DAFTAR TABEL ..................................................................................... vi
DAFTAR SIMBOL.................................................................................... vii
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang............................................................................... 1
B. Tujuan Penelitian............................................................................ 3
C. Batasan Masalah............................................................................. 4
D. Sitematika Penulisan...................................................................... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)...................... 6
B. Turbin Air....................................................................................... 7
C. Turbin Helik................................................................................... 10
D. Hydrofoil........................................................................................ 13
E. Javafoil........................................................................................... 16
F. Parameter Rancangan Turbin Helik............................................... 18
ii
G. Roda Gila (Flywheel)..................................................................... 24
III. METODELOGI PENELITIAN
A. Tempat Pelaksanaan ..................................................................... 26
B. Alat dan Bahan.............................................................................. 26
C. Tahap Perancangan dan Pembuatan.............................................. 33
D. Pengujian Alat Uji Turbin Helik.................................................. 36
E. Analisa Data................................................................................. 37
F. Diagram Alur Pelaksanaan Tugas Akhir..................................... 38
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Perancangan Alat Uji Turbin Helik.............................................. 39
B. Rancang Bangun Alat Uji Model Sistem Pembangkit Listrik
Tenaga Air dengan Menggunakan Turbin Helik.......................... 41
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan......................................................................................... 59
B. Saran............................................................................................... 60
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
iii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Turbin reaksi (Francis)..................................................................... 9
Gambar 2. Turbin Impuls (Pelton)..................................................................... 10
Gambar 3. Turbin helik...................................................................................... 11
Gambar 4. Skematik lift, drag, dan kecepatan relatif........................................ 12
Gambar 5. Nomenclature Hydrofoil.................................................................. 14
Gambar 6. Aliran gaya turbin triple helik.......................................................... 15
Gambar 7. Profil NACA 0030 (Javafoil)........................................................... 16
Gambar 8. Tampilan program Javafoil............................................................. 17
Gambar 9. Grafik pengaruh soliditas, tip speed ratio terhadap koefisien
performansi................................................................................... 19
Gambar 10. Dimensi turbin helik.................................................................... 20
Gambar 11. Pengaruh L/R, sudut δ dan torsi pada turbin helik....................... 21
Gambar 12. Beban-beban yang bekerja pada hydrofoil................................... 22
Gambar 13. Pelat.............................................................................................. 26
Gambar 14. Besi siku........................................................................................ 27
Gambar 15. Mesin las listrik dan elektroda...................................................... 28
Gambar 16. Meteran......................................................................................... 28
Gambar 17. Gerinda.......................................................................................... 29
iv
Gambar 18. Mal sudu turbin (akrilik)............................................................... 29
Gambar 19. Mistar siku, busur dan jangka........................................................ 30
Gambar 20. Tachometer.................................................................................... 31
Gambar 21. Torsimeter..................................................................................... 31
Gambar 22. Current Meter............................................................................... 32
Gambar 23. Pompa........................................................................................... 33
Gambar 24. Skema model alat uji pembangkit listrik tenaga air
menggunakan turbin helik............................................................. 34
Gambar 25. Reservoir....................................................................................... 34
Gambar 26. Dimensi saluran alir...................................................................... 35
Gambar 27. Turbin helik................................................................................... 35
Gambar 28. Diagram alur penelitian tugas akhir.............................................. 38
Gambar 29. Hasil rancangan alat uji model sistem PLTA dengan turbin
helik ...............................................................................................41
Gambar 30. Turbin helik NACA 0030............................................................. 42
Gambar 31. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap torsi turbin
tanpa flywheel................................................................................. 48
Gambar 32. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap torsi turbin
dengan beban flywheel 411 gram................................................... 49
Gambar 33. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap torsi turbin
dengan beban flywheel 512 gram.................................................. 49
Gambar 34. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap torsi turbin
dengan beban flywheel 610 gram................................................. 50
Gambar 35. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap daya turbin
v
tanpa beban flywheel................................................................... 52
Gambar 36. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap daya turbin
dengan beban flywheel 411 gram................................................. 52
Gambar 37. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap daya turbin
dengan beban flywheel 512 gram................................................ 53
Gambar 38. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap daya turbin
dengan beban flywheel 610 gram................................................ 53
Gambar 39. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap efisiensi
turbin tanpa beban flywheel........................................................ 56
Gambar 40. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap efisiensi
turbin dengan beban flywheel 411 gram..................................... 56
Gambar 41. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap efisiensi
turbin dengan beban flywheel 512 gram...................................... 57
Gambar 42. Grafik pengaruh tip speed ratio (TSR) terhadap efisiensi
turbin dengan beban flywheel 610 gram...................................... 57
vi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Contoh tabel pengambilan data alat uji pembangkit listrik
tenaga air menggunakan turbin helik.............................................. 37
Tabel 2. Tabel data hasil pengujian turbin helik tanpa flywheel.................. 44
Tabel 3. Tabel data hasil pengujian turbin helik dengan beban flywheel
411 gram........................................................................................ 45
Tabel 4. Tabel data hail pengujian turbin helik dengan beban flywheel
512 gram....................................................................................... 46
Tabel 5. Tabel data hasil pengujian turbin helik dengan beban flywheel
610 gram...................................................................................... 47
vii
DAFTAR SIMBOL
W Kecepatan Relatif m/s
V Kecepatan Tangensial m/s
U Kecepatan Aliran Air m/s
R Jari-Jari Turbin m
L Gaya Lift N
D Gaya Drag N
α Sudut Serang o
ϴ Sudut Rotasi o
Re Bilangan Reynold
c Chord / Lebar Sudu Turbin m
Cl Koefisien Lift
Cd Koefisien Drag
σ Soliditas
λ Tip Speed Ratio (TSR)
δ Sudut Kemiringan Sudu Turbin o
φ Sudut Puntir Sudu Turbin o
L/R Rasio Tinggi dan Jari-Jari Turbin
nt Kecepatan Putaran Turbin rpm
viii
ω Kecepatan Sudut Turbin rad/s
ρ Masa Jenis Kg/m3
A Luas Frontal Sudu Turbin m2
b Panjang Sudu Turbin m
T Torsi Turbin Nm
F Gaya Turbin N
Ph Daya Hidro Watt
At Luas Penampang Turbin m2
Pt Daya Turbin Watt
η Efisiensi Turbin %
I Momen Inersia Flywheel Terhadap
Sumbu Putarnya Kgm2
δ0 Koefisien Fluktuasi
E Energi Kinetik Joule
m Berat Roda Gila Kg
h Tinggi Air m
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Listrik adalah bagian penting berlangsungnya kehidupan manusia saat ini.
Namun bertambahnya waktu, tenaga listrik akan lebih banyak dibutuhkan
dalam jumlah besar. Sampai sekarang pembangkit listrik yang memanfaatkan
energi air merupakan penghasil listrik yang ramah lingkungan, sehingga
potensi energi dari air perlu dimanfaatkan dalam mengatasi semakin besarnya
kebutuhan tenaga listrik. Pembangkit listrik tenaga air ialah salah satu dari
beberapa energi terbarukan yang mampu berkembang dan akan menjadi
sumber energi besar di masa mendatang.
Penghasil Listrik Tenaga Hidro pertama kali dipakai di Indonesia sejak tahun
1882 untuk menggerakkan industri teh (Sentanu, 2013). Hingga sekarang di
Indonesia sudah banyak perkembangan untuk menciptakan listrik melalui
turbin, hanya saja secara umum listrik yang diciptakan memanfaatkan
ketinggian jatuhnya air (head) sebagai penggerak turbin. Sedangkan banyak
sungai-sungai khususnya didaerah pedesaan yang aliran airnya mampu
dimanfaatkan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air.
2
Jika dilihat dari sudut pandang geografis dan iklim di Indonesia, arus air sangat
berpotensi sekali untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi dengan
memanfaatkan teknologi arus air.
Berdasarkan sistem kerjanya, turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu turbin impuls
yang sistem kerjanya memanfaatkan energi air berupa kecepatan, tekanan, dan
energi potensial untuk dikonversikan menjadi energi kinetik melalui turbin dan
ditransmisikan ke generator sehingga menghasilkan listrik. Turbin kedua yaitu
turbin reaksi dimana sistem kerjanya merubah energi air menjadi energi puntir
dalam bentuk putaran akibat dari bentuk sudu turbin yang memiliki profil khusus
dan turbin seluruhnya terendam dalam air. Salah satu contoh jensi turbin reaksi
antara lain turbin air Darrieus dan turbin air helikal Gorlov. Turbin air helikal
Gorlov merupakan penyempurnaan dari turbin air Darrieus (Kurniawan 2014).
Turbin Helik adalah tipe turbin yang sistem kerjanya termasuk kedalam turbin
reaksi yang mampu bekerja tanpa membutuhkan ketinggian jatuh air (head) atau
head rendah, namun penggeraknya memanfaatkan gaya dorong dari aliran air
seperti aliran sungai maupun ombak laut. Turbin jenis ini belum banyak
dikembangkan dan perlu dikembangkan untuk digunakan sebagai sumber energi
baru. Bagian sudu pada turbin merupakan bagian yang sangat penting dalam
kinerja turbin helik untuk mengkonversi aliran air menjadi energi listrik.
Berdasarkan kajian eksperimental sebelumnya yang dilakukan oleh Andreas
Wijaya Sitepu mengenai pengaruh profil sudu terhadap unjuk kerja turbin helik
yang dilaksanakan di saluran irigasi way tebu 1 dan 2 Desa Banjaragung Udik,
Kecamatan Pugung Kabupaten Tanggamus, mengatakan
3
bahwa NACA 0030 adalah profil sudu turbin dengan unjuk kerja terbaik
dengan efisiensi 33,97 % (Sitepu, 2014).
Hal ini yang mendorong penulis untuk merancang bangun alat uji model
pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan turbin helik. Dimana alat
hasil perancangan ini nantinya juga dapat digunakan sebagai alat praktikum
prestasi mesin untuk mahasiswa S1 dan praktikum mesin-mesin fluida untuk
mahasiswa D3. Harapannya nanti setelah mahasiswa melakukan pengujian
dengan alat uji ini, mahasiswa dapat mengetahui kinerja dan pemanfaatan dari
turbin helik yang dapat mengkonversikan energi kinetik air yang memiliki
head rendah menjadi energi listrik. Sehingga nantinya ilmu tersebut dapat
diaplikasikan didaerah-daerah yang memiliki potensi aliran air sebagai PLTH.
B. Tujuan
Adapun tujuan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Merancang alat uji model sistem pembangkit listrik tenaga air dengan
menggunakan turbin helik.
2. Membuat hasil perancangan alat uji model sistem pembangkit listrik yang
sudah dirancang di Laboratorium Mekanika Fluida.
3. Melakukan pengujian alat uji model sistem pembangkit listrik yang sudah
dibuat di Laboratorium Mekanika Fluida.
4. Menganalisis data hasil pengujian alat uji model sistem pembangkit listrik
tenaga air untuk mengetahui unjuk kerja.
4
C. Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Alat uji model sistem pembangkit listrik tenaga air dirancang sesuai
dengan kondisi ruangan laboratorium mekanika fluida dan kapasitas alat
ukur torsimeter yang ada dilaboratorium mekanika fluida untuk
menentukan Parameter-parameter turbin helik.
2. Profil sudu yang digunakan untuk membuat turbin helik adalah NACA
0030.
D. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan penelitian ini adalah sebagai berikut :
I. Pendahuluan
Berisikan latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah dan
sistematika penulisan.
II. Tinjauan Pustaka
Berisikan tentang teori dan konsep dasar PLTMH mulai dari definisi
Turbin, jenis-jenis turbin, konsep kerja turbin helik dan persamaan-
persamaan dalam perancangan alat uji model sistem PLTMH dengan
turbin helik.
III. Metodologi Peneelitian
Berisikan tentang langkah-langkah yang dilakukan untuk perancangan
dan pembuatan alat uji model sistem PLTMH dengan turbin helik,
pengambilan data untuk analisis alat uji yang digunakan.
5
IV. Hasil Dan Pembahasan
Berisikan tentang hasil perancangan, hasil pengujian dan pembahasan
dari data-data yang diperoleh.
V. Simpulan Dan Saran
Berisikan simpulan yang diperoleh dari hasil pengujian dan saran –saran
yang diberikan oleh peneliti.
Daftar Pustaka
Lampiran
6
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) yaitu teknologi terbarukan
yang memanfaatkan tenaga air sebagai penggerak lalu dikonversikan menjadi
listrik. Sumber tenaga air tersebut biasa didapat pada saluran irigasi, sungai
atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan ketinggian air terjun (head) dan
jumlah debit air. Mikro hidro yaitu sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro
yang artinya kecil dan hidro yang artinya air. Secara teknis, mikro hidro
mempunyai tiga kompenen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin
yang berguna untuk merubah gerak translasi dari air menjadi gerak rotasi dan
generator yang berguna mengkonversikan energi mekanik dari putaran turbin
menjadi energi listrik.
Energi yang didapatkan pada mikro hidro berasal dari aliran air yang memiliki
perbedaan ketinggian. Pada dasarnya, mikro hidro memanfaatkan energy
potensial jatuhan air (head) seperti penelitian yang telah dilakukan oleh
Asroful Anam yang menyatakan semakin tinggi jatuh air maka semakin baik
kinerja turbin pada sudu mangkok (Pelton) (Anam, 2016). Namun pada
dasarnya energi kinetik yang dihasilkan oleh arus ombak laut, aliran sungai
7
dan lain sebagainya juga dapat dikonversikan menjadi energi listrik seperti
yang sudah dilakukan oleh Gorlov pada tahun 1998, ia mampu
mengkonversikan aliran air pada head rendah sebesar 16,51 cm menjadi listrik
sebesar 11,9 Watt (Gorlov, 1998).
B. Turbin Air
Turbin air merupakan salah satu mesin-mesin fluida yang tergolong dalam
mesin tenaga (power) yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi fluida
berupa air menjadi energi mekanis pada poros. Turbin air dikembangkan pada
abad 19 dan telah dikembangkan secara luas sebagai pembangkit listrik.
Turbin-turbin air yang sekarang banyak digunakan saat ini memliki sejarah
yang bermula dari kincir-kincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai
untuk memecah batubara dan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut
dapat dilihat di Aungrabad, India yang telah berumur sekitar 400-an tahun
(Susatyo, 2006).
Turbin air adalah mesin yang mampu mengubah atau mengkonversikan energi
potensial (air yang jatuh) maupun energi kinetik (aliran air) menjadi energi
mekanis dengan menggunakan air sebagai fluida kerja. Secara umum turbin
dapat diklasifikasikan dalam dua jenis tipe dasar yaitu turbin reaksi dan turbin
impuls. Dimana secara umum turbin reaksi adalah turbin yang memiliki head
rendah dan laju aliran yang tinggi, sedangkan turbin impuls adalah turbin yang
memiliki head besar dan laju aliran yang rendah (Fox, 2004).
8
Dengan semakin meningkatnya perkembangan zaman, turbin memiliki berbagai
jenis dengan bentuk yang berbeda-beda sesuai dengan kebutuhannya. Turbin air
dapat diklasifikasikan menjadi berbagai jenis turbin sesuai dengan tingkatan head-
nya yaitu (Agus, 2007) :
1. Turbin dengan Head Sangat Rendah
Turbin dengan head sangat rendah yaitu ≤ 5 m dapat menggunakan jenis turbin
propeller, Kaplan, dan water wheel.
2. Turbin dengan Head Rendah
Turbin dengan head rendah sekitar 5 – 20 m dapat menggunakan jenis turbin
cross flow, propeller, dan Kaplan.
3. Turbin dengan Head Sedang
Turbin dengan head sedang sekitar 20 – 100 m dapat menggunakan jenis turbin
Francis dan cross flow.
4. Turbin dengan Head Tinggi
Turbin dengan head tinggi sebesar 100 m dapat menggunakan jenis turbin
pleton, turgo, dan Francis head tinggi.
Sedangkan berdasarkan cara kerja turbin, maka dapat diklasifikasikan menjadi dua
tipe turbin antara lain :
1. Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air dengan bentuk sudu yang memiliki profil khusus
yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
Cara kerja turbin reaksi yaitu merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi
energi puntir dalam bentuk putaran. Turbin reaksi terdiri dari sudu pengarah
9
dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam dalam air yang
dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilalui dalam sebuah cincin yang
berbentuk spiral. Perubahan energi seluruhnya terjadi didalam sudu gerak.
Contoh turbin reaksi adalah turbin francis dan kaplan (propeler) (Sihombing,
2009).
Gambar 1. Turbin reaksi (Francis) (Date, 2014)
2. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang sistem kerjanya memanfaatkan semua energi
air berupa kecepatan, tekanan dan energi potensial menjadi energi kinetik yang
memutar turbin sehingga menyebabkan energi mekanik pada poros untuk
ditransmisikan menuju generator hingga menjadi listrik. Turbin impuls
memiliki tekanan yang sama pada setiap sudu geraknya (runner). Cara kerja
turbin impuls yaitu merubah energi potensial menjadi energi kinetik pada
nozzle. Air yang keluar dari nozzle memiliki kecepatan yang tinggi akan
membentur sudu turbin yang menyebabkan arah kecepatan aliran berubah
10
sehingga terjadi perubahan momentum (impuls) sehingga roda turbin akan
berputar. Contoh dari turbin impuls adalah turbin pleton, turgo, dan crossflow.
Gambar 2. Turbin Impuls (Pleton) (https://derlanmarzela.wordpress.com/)
C. Turbin Helik
Turbin helik adalah salah satu jenis dari turbin reaksi dimana cara kerjanya
yaitu mengkonversikan energi kinetik dari arus air dengan head rendah yang
melalui sudu turbin menjadi energi mekanik untuk memutar generator sehingga
dapat menghasilkan listrik. Turbin helik ini ditemukan pertama kali oleh
Alexander Gorlov pada tahun 1990 yang merupakan pengembangan dari turbin
Darrieus.
11
Gambar 3. Turbin helik (Gorlov, 1998)
Turbin helik dan Darrieus didesain dengan orientasi rotasi sumbu searah
dengan aliran, sehingga hal ini menjadi keuntungan dalam pemakaian pada
arus ombak yang arah alirannya lebih dari dua arah. Sudu turbin helik memiliki
beberapa parameter dan faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja turbin,
antara lain (Anderson, 2011) :
1. Kecepatan tangensial (V) sama dengan hasil jari-jari turbin (r) dengan
kecepatan sudut.
2. Kecepatan relatif (W) adalah jumlah vektor kecepatan tangensial dan aliran
fluida masuk turbin.
3. Gaya lift (L) yang merupakan vektor tegak lurus terhadap kecepatan relatif
(W).
4. Gaya drag (D) yang merupakan vektor sejajar dengan kecepatan relatif (W).
5. Sudut serang (α) yang merupakan sudut antara garis chord sudu dan
kecepatan relatif (W).
12
6. Sudut rotasi (θ) yang merupakan posisi sudut keliling sudu.
7. Bilangan Reynold (Re), menyatakan kecepatan aliran yang melalui searah sudu
terhadap sudut serang (α)
Gambar 4. Skematik lift, drag, dan kecepatan relatif (Anderson, 2011)
Turbin helik berfungsi sebagai mesin pembangkit listrik dengan memanfaatkan arus
air yang mengalir. Dengan bentuk sudu turbin helik yang sedemikian rupa mampu
memanfaatkan aliran air sebagai gaya dorong terhadap sudu turbin yang kemudian
memutarkan poros untuk ditransmisikan menuju ke generator sehingga
menghasilkan listrik. Aliran air didapatkan melalui reservoir yang telah ditampung
sebelumnya hingga penuh, kemudian air dialirkan dengan ketinggian yang lebih
tinggi dari media aliran fluida yang akan mengenai turbin helik.
Kemudian aliran air yang memiliki debit tersebut akan memutar turbin dan
ditrasmisikan ke generator yang akan menghasilkan listrik. Untuk mengetahui
kinerja dari turbin helik, saat turbin berputar kemudian diukur seberapa cepat
W
13
putaran turbinnya dan perlu juga untuk mengukur torsinya melalui poros yang
terhubung dengan turbin helik
D. Hydrofoil
Hydrofoil adalah suatu struktur dengan bentuk hidrodinamik yang berguna
untuk menghasilkan gaya mekanis (angkat) akibat dari gerakan relatif dari
hydrofoil dan juga fluida sekitarnya. Hidrofoil pada dasarnya memiliki
permukaan atas dan bawah.
Pada sebagian besar hidrofoil, kelengkungan permukaan atas lebih tinggi
daripada permukaan bawah. Titik persimpangan kedua permukaan pada daerah
depan dan belakang masing-masing dikenal sebagai tepi leading dan trailing.
Garis datar yang menghubungkan ujung tombak dan ujungnya disebut garis
chord, dilambangkan dengan c.
Garis yang merupakan titik tengah antara permukaan atas dan bawah hidrofoil
dikenal sebagai garis chamber. Chamber dari hidrofoil didefinisikan sebagai
jarak vertikal antara garis chord dan garis chamber, nilai terbesar dari jarak itu
disebut chamber maksimum.
Jarak antara permukaan atas dan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis
akord adalah ketebalan hidrofoil. Sudut serangan, yang ditunjukkan oleh α
adalah sudut geometris antara vektor kecepatan relatif, W dan garis chord.
Rentangnya adalah panjang tegak lurus dari mata pisau relatif terhadap
penampang melintang.
14
Gambar 5. Nomenclature hydrofoil (Kroo, 2007)
Hydrofoil memiliki bentuk yang beragam dan memiliki standar data yang telah
dikembangkan oleh beberapa lembaga penelitian, salah satunya yaitu National
Advisory Committee for Aeronautics (NACA) dan RISØ National Laboratory
(Denmark).
Profil hydrofoil dinyatakan oleh NACA dengan angka yang menyatakan
beberapa parameter seperti ketebalan maksimal, chamber maksimum, posisi
ketebalan maksimal, posisi chamber maksimum dan radius hidung dimana
setiap angka memiliki makna.
Pada angka pertama menyatakan nilai maksimum chamber dalam persen
terhadap chord, angka kedua menunjukkan letak maksimum chamber berada
dalam persepuluh chord, dan dua angka terakhir menunjukkan ketebalan
maksimum dalam persen terhadap chord.
15
Gambar 6. Aliran gaya turbin triple helik (Wikimedia, 2008)
Berbagai penelitian telah dilakukan oleh para peneliti, salah satunya yaitu
Andreas Wijaya Sitepu yaitu yang telah melakukan kajian eksperimental
pengaruh bentuk sudu terhadap unjuk kerja turbin helik dengan menggunakan
hydrofoil dengan profil NACA 0020, NACA 0025, dan NACA 0030. Berdasarkan
hasil penelitian didapatkan hasil bahwa hydrofoil dengan profil NACA 0030
memiliki efisiensi maksimum sebesar 33,97 % mendekati hasil pengujian yang diuji
oleh US Departement of Energy and the National Science Foundation (Sitepu,
2014). Sehingga penulis memilih NACA 0030 sebagai profil hydrofoil sudu turbin
helik dalam rancang bangun alat uji model sistem PLTH ini.
16
Gambar 7. Profil NACA 0030 (Javafoil)
E. Javafoil
Javafoil adalah perangkat lunak yang diciptakan pada tahun 2001 oleh Martin
Hepperle untuk menganalisis hydrofoil pada aliran subsonic (M < 1). Kegunaan
dari Javafoil yaitu untuk menentukan karakteristik hydrofoil seperti lift, drag,
dan momen.
Program ini mampu menganalisis distribusi kecepatan pada permukaan
hydrofoil dengan beberapa parameter seperti kecepatan dan tekanan lokal,
bilangan Reynold, sudut serang dan masih banyak lagi. Program ini sangat
bermanfaat sekali dalam merancang hydrofoil sebagai sudu turbin untuk
mengetahui koefisien lift (Cl) dan koefisien drag (Cd) sehingga didapatkan
besar gaya yang dihasilkan tiap sudu.
17
Gambar 8. Tampilan program Javafoil
Cara pemakaian program javafoil untuk menentukan koefisien lift dan drag yaitu
dengan membuat profil hydrofoil pada sub-menu Geometry sesuai dengan yang
diinginkan, lalu pada sub-menu Options masukkan parameter-parameter seperti
massa jenis fluida, viskositas kinematik fluida, kecepatan suara, bilangan Mach,
Aspec Ratio (panjang sudu dibagi panjang chord), dan sudut sweep sesuai dengan
kondisi yang akan dirancang.
Lalu untuk mendapatkan koefisien lift dan drag dapat diperoleh pada sub-menu
Polar, masukkan bilangan Reynold dan sudut serang pada setiap posisi sudu, lalu
klik “Analyze it!”. Kemudian akan muncul grafik dan tabel yang berisikan
koefisien lift dan drag pada setiap posisi sudut serang sudu yang dianalisa
(Hepperle, 2014).
18
F. Parameter Rancangan Turbin Helik
Dalam merancang turbin helik perlu dilakukan perhitungan yang tepat supaya
turbin mampu bekerja dengan baik dan memiliki efisiensi yang besar. Terdapat
beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang turbin helik
untuk mendapatkan kinerja yang baik diantaranya yaitu seperti soliditas, Tip
Speed Ratio, profil dan dimensi sudu turbin, torsi, dan daya turbin. Berikut
adalah beberapa persamaan yang digunakan untuk merancang turbin helik
adalah sebagai berikut :
1. Soliditas dan Tip Speed Ratio
Soliditas adalah karakteristrik geometrik (struktur) turbin yang akan
digunakan dalam menghitung gaya drag pada bagian frontal sudu turbin
helik dimana semakin besar nilai soliditas maka kinerja turbin akan
semakin baik. Hal tersebut dapat terjadi karena jika pada soliditas yang
besar, luas kontak sudu menjadi besar yang mengakibatkan gaya-gaya
yang ditimbulkan pada sudu turbin semakin besar dan dalam hal ini juga
mengakibatkan meningkatnya efek turbulen pada arus air, dimana pada
daerah datangnya arus air (bagian frontal turbin) terjadi penurunan
kecepatan air.
Menurut Twidell dan Weir turbin yang memiliki soliditas tinggi (σ > 0,3)
mudah beroperasi pada putaran awal namun memiliki TSR yang rendah,
sedangkan untuk soliditas rendah (σ < 0,3) akan kesulitan beroperasi pada
putaran awal namun memiliki TSR yang tinggi (Niblick, 2012).
19
Dan menurut Shiono, rasio soliditas yang digunakan untuk mendapatkan
efisiensi optimum adalah sebesar 0.3 – 0.4 (Shiono, 2002).
Sedangkan tip speed ratio adalah rasio kecepatan sudu terhadap kecepatan
fluida yang melalui turbin. Menurut hasil penelitian Kirke untuk menentukan
soliditas dan tip speed ratio dapat digunakan grafik pada Gambar 9
yaitu pengaruh soliditas, tip speed ratio terhadap koefisien performansi.
Maka dipilih soliditas dan tip speed ratio dengan koefisen performansi terbesar
(Kirke, 2011). Gorlov mengemukakan bahwa TSR yang baik digunakan untuk
turbin helik adalah sekitar 2,0 - 2,2 (Gorlov, 1998).
Gambar 9. Grafik pengaruh soliditas, tip speed ratio terhadap koefisien
performansi
2. Profil dan Dimensi Turbin
Dalam merancang turbin helik, diperlukan profil sudu dan dimensi turbin yang
dapat menghasilkan gaya lift yang besar dan gaya drag yang rendah sehingga
20
akan menghasilkan torsi besar. Dimensi turbin yang perlu diperhatikan yaitu
jari-jari turbin, panjang sudu turbin dan panjang chord pada sudu dengan
memperhatikan soliditas. Menurut Gorlov, untuk menentukan panjang sudu
perlu memperhatikan sudut δ terhadap rasio tinggi turbin terhadap jari-jari
turbin (L/R) sehingga didapat nilai torsi non-dimensional terbesar. Untuk
mengetahui pengaruh L/R, sudut δ dan torsi dapat dilihat pada Gambar 11.
Setelah mengetahui sudut δ yang akan digunakan, dapat ditentukan panjang
sudu turbin dan posisi sudut sudu bagian atas turbin (φ) dengan menggunakan
trigonometri seperti yang tertera pada Gambar 10 (Gorlov,1998).
𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑠𝑢𝑑𝑢 = 𝑇𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛
sin 𝛿....................................(5)
𝐷𝐴 = cos 𝛿 × 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑠𝑢𝑑𝑢......................................(6)
𝜑 = 𝐷𝐴
2𝜋𝑟× 360°.....................................................(7)
Gambar 10. Dimensi turbin helik (Gorlov,1998)
21
Gambar 11. Pengaruh L/R, sudut δ dan torsi pada turbin helik (Gorlov,1998)
3. Torsi
Untuk dapat menghitung torsi, diperlukan untuk mengetahui besar sudut
serang. Berdasarkan Gambar 6 dapat dilihat bahwa sudut serang merupakan
sudut yang terbentuk dari kecepatan relatif (W) dan kecepatan keliling sudu
(U) dimana kecepatan relatif didapatkan dengan persamaan trigonometri.
Dengan mempertimbangkan bentuk geometris, vektor kecepatan relatif (W)
dan sudut serang (α) dapat dihitung dengan cara :
22
𝑊 = √(𝑈. sin 𝜃)2 + (𝑈. cos 𝜃 + 𝜆. 𝑈)2.........................(8)
𝛼 = 𝑡𝑎𝑛−1 sin 𝜃
cos 𝜃+𝜆...................................................(9)
𝜆 =𝜔𝑅
𝑈...........................................................(10)
𝜔 =2𝜋𝑛𝑡
60.........................................................(11)
kemudian setelah menemukan besar nilai kecepatan relatif dan soliditas,
dilanjutkan dengan menghitung besar gaya drag, dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut :
𝐷 =1
2𝐶𝑑𝜌𝐴𝑊2................................................(12)
Setelah itu menghitung gaya lift, dengan persamaan sebagai berikut :
𝐿 =1
2𝐶𝑙𝜌𝐴𝑊2...................................................(13)
Gambar 12. Beban-beban yang bekerja pada hydrofoil
Dalam bentuk pendekatan, sudu memiliki bentuk suatu persegi panjang yang tipis
dengan panjang sama dengan b dan lebarnya merupakan chord sehingga didapatkan
23
luas frotal atau bagian depan hydrofoil. Lalu perhitungan torsi yang dihasilkan
adalah sebagai berikut :
𝑇 = 𝐹. 𝑅 = (𝐿. sin 𝛼 − 𝐷 cos 𝛼). 𝑅 (Nm)...........................(14)
Kegunaan torsi dalam kinerja turbin helik yaitu untuk mengetahui seberapa
tangguh turbin mampu menahan beban yang akan diterima ketika
ditransmisikan dengan generator. Kemudian, torsi juga sebagai salah satu
acuan dalam pemilihan generator yang cocok dengan kemampuan turbin helik
(Schulz, 2007).
4. Daya
Daya adalah usaha yang terjadi persatuan waktu. Untuk mengetahui besar daya
masukan atau daya air (hidro), dapat diperoleh dengan persamaan sebagai
berikut :
𝑃ℎ =1
2𝜌. 𝐴𝑡. 𝑈3................................................(15)
Untuk mengetahui daya keluaran (output) yang dihasilkan turbin helik dapat
diperoleh dengan persamaan sebagai berikut (Fox, 2004):
𝑃𝑡 = 𝑇. 𝜔........................................................(16)
Atau dengan mensubtitusikan putaran turbin nt (rpm) kedalam persamaan 16,
maka didapatkan persamaan :
𝑃𝑡 = 0,105. 𝑇. 𝑛𝑡............................................(17)
24
Sehingga efisiensi turbin dapat diperoleh dengan menggunaan persamaan
sebagai berikut :
𝜂 =𝑃𝑡
𝑃ℎ× 100%...............................................(19)
G. Roda Gila (Flywheel)
Roda gila atau Flywheel merupakan massa benda yang berotasi. Kegunaan roda
gila adalah untuk menyimpan tenaga yang dihasilkan dari putaran mesin.
Tenaga yang disimpan pada roda gila berupa torsi (Nm). Tenaga yang
disimpan didalam roda gila dapat dihitung menggunakan persamaan berikut.
𝑇 = 12⁄ 𝐼𝜔2...............................................(20)
Ketika mesin meningkatkan tenaganya maka putarannya bertambah dan
tenaganya akan tersimpan didalam flywheel. Kemudian saat mesin kekurangan
tenaga, energi yang tersimpan dalam roda gila akan memberikan tenaganya.
Setiap penggunaan roda gila pada mesin memiliki kebutuhan berat yang
berbeda-beda sesuai dengan spesifikasi kerjanya. Agar mampu mengetahui
energi yang dihasilkan pada tiap beban roda gila, perlu untuk mengetahui
beberapa parameter. Diantaranya yaitu nilai koefisien fluktuasi kecepatan,
momen inersia yang sesuai bentuk roda gila, jari-jari roda gila, dan massa roda
gila. Koefisien fluktuasi (δ0) adalah besar variasi kecepatan yang dibutuhkan
roda gila. Besar nilai koefisien fluktuasi yang digunakan untuk turbin sebagai
machine tools dan mesin dengan sistem transmisi sebesar 0,03. Kemudian
25
untuk menentukan besar energi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut
(Khurmi, 2005).
𝐸 = 𝐼0𝛿0𝜔2..............................................(21)
Karena roda gila berbentuk disk maka, 𝐼0 = 𝑚𝑅2 , maka energi roda gila menjadi
seperti berikut.
𝐸 = 𝑚. 𝑅2. 𝛿0. 𝜔2..............................................(22)
27
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida Fakultas Teknik
Universitas Lampung (UNILA).
B. Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan-bahan yang digunakan untuk pembuatan dan
pengujian turbin helik ini adalah sebagai berikut :
1. Bahan
Adapun bahan yang digunakan dalam proses pembuatan alat uji model
sistem pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin helik ini
adalah sebagai berikut :
a. Pelat
Pelat digunakan sebagai bahan pembuatan tangki penampung air
(reservoir), penampang aliran air dan turbin helik.
Gambar 13. Pelat
27
b. Besi siku
Besi siku digunakan sebagai bahan pembuatan rangka kaki reservoir,
rangka kaki generator dan rangka kaki penampang aliran air.
Gambar 14. Besi siku
2. Alat Pembuatan
Adapun alat yang digunakan dalam pembuatan rangkaian alat uji model
pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin helik ini adalah sebagai
berikut :
a. Mesin las listrik dan elektroda
Mesin las dan elektroda ini digunakan sebagai alat pelekat antara pelat
besi dan besi siku untuk membuat turbin helik, penampang aliran air dan
reservoir.
28
Gambar 15. Mesin las listrik dan elektroda
b. Meteran
Meteran digunakan sebagai alat ukur panjang, lebar dan tinggi dalam proses
pembuatan.
Gambar 16. Meteran
c. Gerinda
Gerinda digunakan sebagai alat pemotong pelat dan besi siku dalam proses
pembuatan alat uji model pembangkit listrik dengan menggunakan turbin
helik.
29
Gambar 17. Gerinda
d. Mal sudu turbin (akrilik)
Akrilik ini digunakan sebagai mal untuk pembuatan sudu turbin helik. Akrilik
ini nanti akan dipotong sesuai dengan pola sudu turbin yang akan dibuat.
Gambar 18. Mal sudu turbin (akrilik)
e. Mistar siku, busur, dan jangka
Mistar siku, busur dan jangka dingunakan untuk membuat pola dari sudu
turbin helik.
30
Gambar 19. Mistar siku, busur dan jangka
3. Alat Pengujian
Adapun alat yang digunakan untuk menguji alat uji model pembangkit listrik
tenaga air dengan menggunakan turbin helik adalah sebagai berikut :
a. Tachometer
Tachometer digunakan sebagai alat ukur kecepatan putaran dari turbin
dengan spesifikasi sebagai berikut :
1) kapasitas maksimum non kontak sebesar 99.999 rpm.
2) Kapasitas maksimum kontan sebesar 20.000 rpm
3) Akurasi sebesar ± (0,05% + 1 digit)
4) Lama pengambilan sample selama 0,5 detik (diatas 120 rpm)
5) Jarak Pengukuran sebesar 50 – 500 mm
31
Gambar 20. Tachometer
b. Torsimeter
Torsimeter digunakan sebagai alat ukur torsi yang dihasilkan oleh turbin
helik. Torsimeter yang digunakan dalam penelitian ini memiliki
spesifikasi sebagai berikut :
1) kapasitas maksimal sebesar 1,471 Nm.
2) Akurasi sebesar ± (1,5 % + 5 digit)
3) Lama Pengambilan data : Fast (0,125 detik), Low (0,334 detik)
4) Kapasitas Overload : 2,201 Nm
Gambar 21. Torsimeter
32
c. Current Meter
Current Meter digunakan sebagai alat ukur kecepatan aliran air yang
mengalir pada saluran air. Current Meter yang digunakan pada penelitian
ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :
1) Rentang kecepatan fluida sebesar 0,1 m/s sampai 18 m/s
2) Akurasi kecepatan fluida sebesar ± 2 %
3) Suhu -50o C sampai 100o C
Gambar 22. Current Meter
d. Pompa
Pompa digunakan untuk memompa air yang telah melewati penampang
aliran air menuju ke reservoir dengan tujuan mensirkulasikan air.
33
Gambar 23. Pompa
C. Tahap Perancangan dan Pembuatan
Dalam melakukan perancangan dan pembuatan alat uji turbin helik ini
dilakukan dengan beberapa tahap yang diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Tahap Persiapan
Pada tahap ini dilakukan studi literatur dan melengkapi bahan-bahan
perlengkapan yang dibutuhkan dalam tahap perancangan dan pembuatan
alat uji.
2. Tahap Perancangan
Pada tahap ini dilakukan pembuatan skema alat uji seperti pada Gambar
24.
34
Gambar 24. Skema model alat uji pembangkit listrik tenaga air menggunakan
turbin helik
Keterangan gambar :
1. Reservoir 4. Turbin Helik 3 Sudu
2. Bak Penampung Air 5. Saluran Aliran Air
3. Pompa
Kemudian membuat rancangan desain volume reservoir dengan ukuran panjang
90 cm, lebar 90 cm, dan tinggi sebesar 100 cm seperti pada Gambar 25.
Gambar 25. Reservoir
1
2
3
4 5
35
Setelah itu dilanjutkan dengan merancang desain saluran air dengan ukuran
panjang saluran air 4 meter, tinggi saluran 40 cm dan lebar saluran 21 cm seperti
pada Gambar 26.
Gambar 26. Dimensi saluran alir
kemudian dilanjutkan dengan merancang desain turbin helik dengan ukuran tinggi
20 cm, diameter turbin sebesar 10 cm dan profil sudu yang digunakan adalah
NACA 0030 seperti pada Gambar 27.
Gambar 27. Turbin helik
36
3. Tahap Pembuatan
Pada tahap ini dilakukan pembuatan alat uji model pembangkit listrik
tenaga air mengunakan turbin helik yang dilaksanakan di Laboratorium
Mekanika Fluida Teknik Mesin Universitas Lampung, skema alat uji
seperti pada Gambar 24.
D. Pengujian Alat Uji Turbin Helik
Tujuan dilakukan pengujian alat uji ini untuk mendapatkan data pengujian
untuk mengetahui unjuk kerja turbin. Beberapa data yang perlu didapatkan
untuk mengetahui unjuk kerja turbin dalam pengujian ini yaitu torsi turbin
menggunakan alat uji torsimeter dan kecepatan putaran turbin menggunakan
alat uji tachometer. Adapun prosedur untuk mendapatkan data hasil
pengujian adalah sebagai berikut :
1. Mengisi air kedalam reservoir sampai penuh
2. Membuka gerbang saluran air pada reservoir dengan variasi ketinggian
22 cm, 27 cm dan 32 cm
3. Menghidupkan pompa untuk mengalirkan kembali air dari bak
penampung menuju reservoir
4. Mengukur aliran air untuk menentukan debit aliran
5. Mengukur kecepatan putar turbin menggunakan tachometer dengan
variasi pengereman menggunakan torsimeter
6. Memvariasikan debit aliran dengan cara mengulangi prosedur ke 2
dengan variasi ketinggian 27 cm dan 32 cm, lalu dilanjutkan sampai
prosedur ke 5
37
7. Selesai
E. Analisa Data
Data-data pengujian yang telah didapatkan, kemudian diolah untuk
mendapatkan daya hidro (Ph), daya turbin (Pt), dan efisiensi turbin (η).
Untuk menghitung daya hidro digunakan data berupa kecepatan air dari
debit air dengan menggunakan persamaan (15). Untuk menghitung daya
turbin digunakan data torsi dan kecepatan sudut dengan menggunakan
persamaan (16) dan persamaan (17). Untuk menghitung efisiensi turbin
digunakan daya turbin dan daya hidro dengan menggunakan persamaan
(19). Lalu data hasil pengujian dapat dianalisis dengan membuat grafik
pengaruh Tip Speed Ratio (TSR) yang dapat dihitung menggunakan
persamaan (10) terhadap torsi (T), daya turbin (Pt), dan efisiensi. Sehingga
data hasil pengujian yang telah diambil dapat dianalisis untuk mengetahui
pengaruh torsi (T) dan kecepatan putaran (nt) terhadap unjuk kerja turbin
helik. Setelah mendapatkan data dari hasil pengujian, data tersebut dicatat
pada Tabel 1.
Tabel 1. Contoh tabel pengambilan data alat uji pembangkit listrik tenaga
air menggunakan turbin helik
Debit aliran (m3/s) Torsi (Nm) Putaran poros (rpm)
38
F. Diagram Alur Pelaksanaan Tugas Akhir
Alur pelaksanan yang dilakukan dalam tugas akhir ini, digamabarkan pada
diagaram berikut ini:
Gambar 28. Diagram alur penelitian tugas akhir
Mulai
Studi literatur
Perancangan alat uji model sistem pembangkit listrik tenaga
air menggunakan turbin helik
Pengujian atau Pengambilan data alat uji model sistem
pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin helik
Simpulan dan Saran
Selesai
Pembuatan alat uji model sistem pembangkit
listrik tenaga air menggunakan turbin helik
Persiapan alat dan bahan untuk pembuatan alat uji model sistem
pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin helik
menggunakan turbin helik
Pengolahan data yang telah diperoleh dari pengujian yang
dilakukan
59
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Adapun simpulan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Dalam laporan Tugas Akhir ini telah diberikan Rancang Bangun Alat Uji
Model Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan Menggunakan
Turbin Helik di Laboratorium Mekanika Fluida Teknik Mesin Universitas
Lampung.
2. Setelah dilakukan perancangan maka didapat besar nilai dimensi reservoir
dengan tinggi 100 cm, panjang 90 cm, lebar 90 cm, panjang saluran 4
meter, tinggi saluran 40 cm, lebar saluran 20 cm, diameter turbin 10 cm,
tinggi turbin 20 cm, lebar sudu 4,2 cm, panjang sudu 20,8 cm, kemiringan
sudu 73,32o, jumlah sudu 3 buah, dan profil sudu yaitu NACA 0030.
3. Hasil pengujian alat uji model sistem pembangkit listrik tenaga air
menggunakan turbin helik didapatkan efisiensi turbin maksimum terbesar
pada pemberian beban flywheel 512 gram pada debit 0,058 m3/s sebesar 8,4
%, pada debit 0,067 m3/s sebesar 11 %, pada debit 0,069 m3/s sebesar 21,32
% sedangkan turbin tanpa beban flywheel menghasilkan efisiensi
60
pada debit 0,058 m3/s sebesar 6,7 %, pada debit 0,067 m3/s sebesar 9,52 %,
dan pada debit 0,069 m3/s sebesar 15,56 %.
4. Dari hasil pengujian alat uji model sistem pembangkit listrik tenaga air
dengan menggunakan turbin helik ini, maka alat ini ini dapat digunakan
untuk mendukung proses praktikum prestasi mesin bagi mahasiswa S1 dan
praktikum mesin-mesin fluida bagi mahasiswa D3 Teknik Mesin
Universitas Lampung.
B. Saran
Adapun saran yang dapat diberikan setelah melakukan pengujian dan analisa
pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Pembuatan profil sudu turbin sebaiknya divariasikan dengan pemberian cat
warna pada sudu untuk mengetahui pengaruh faktor gesekan pada
permukaan sudu terhadap unjuk kerja turbin.
2. Turbin helik perlu divariasikan rasio tinggi dengan diameter turbin untuk
mengetahui pengaruh rasio tinggi dengan diameter turbin terhadap unjuk
kerja turbin helik.
3. Turbin helik perlu divariasikan profil sudunya untuk mengetahui pengaruh
profil sudu turbin terhadap unjuk kerja turbin.
1
DAFTAR PUSTAKA
Agus. R, 2007. Pembangkit Listrik Tenaga Mirko Hidro (PLTMH) : Jurnal
Vokasi. Politeknik Negeri Pontianak. Kalimantan Barat.
Anderson, J., 2011. Design and Manufacture of a Cross-Flow Helical Tidal
Turbine : Capstone Project Report. University of Washington.
Amerika Serikat.
Date, A., 2014. Experimental Performance of a Rotating Two-Phase Reaction
Turbine : Applied Thermal Engineering. Vol 76. RMIT University.
Australia.
Derlan, 2015. Turbin Pelton. Dapat diunduh di
https://derlanmarzela.wordpress.com/. Diakses pada tanggal 20 Juni
2017.
Khurmi, R.S., Gupta, J.K., 2005. A Text Book of Machine Design. New Delhi.
India. Eurasia Publishing House.
Kirke, B.K., 2011. Tests on ducted and bare helical and straight blade Darrieus
hydrokinetic turbines : Journal Renewable Energy. University of
South Australia. Australia.
Fox, R.W, McDonald, A.T, Pritchard, P.J., 2004. Introduction to Fluid
Mechanics. United State of America. John Wiley and Sons, Inc.
62
Gorlov A.M, 1998. Turbine With a Twist : Journal Macro-Engineering and The
Earth World Project for Year 2000 and Beyond. Northeastern
University. Boston, MA.
Gorlov A.M, 2010. Helical Turbine and Fish Safety. Northeastern University,
Boston, MA.
Hepperle, M., 2014. JAVAFOIL User’s Guide [Online]. Dapat diunduh di
http://www.mh-
aerotools.de/airfoils/java/JavaFoil%20Users%20Guide.pdf
Iwan, 2015. Kajian Eksperimental Pengaruh Berat Roda Gila (flywheel)
Terhadap Unjuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro
(PLTMH) : Digital Repository Unila. Universitas Lampung.
Lampung.
Kroo, I., 2007. Applied Aerodynamics: a digital textbook [Online]. Dapat diunduh
di http://docs.desktop.aero/appliedaero/preface/welcome.html
Niblick, A., 2012. Experimental and Analytical Study of Helical Cross-Flow
Turbine for a Tidal Micropower Generation System. (Master’s
Thesis). University of Washington.
Schulz, D., Knorr, K., Hanitsch, R., 2007. Methodical Failure Detection in Grid
Connected Wind Parks : Wind Energy Proceedings of the Euromech
Colloquiu. Springer. Germany
Sentanu, H., 2013. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. Dapat diunduh di
http://mts.ft.ugm.ac.id/download/3._Pemeliharaan_dan_Pengoperasi
an_PLTMH_-_AHB_Sentanu.pdf. Diunduh pada tanggal 9 Maret
2017
Shiono, M., Suzuki, K., Kiho, S., 2002. Output Characteristics of Darrieus Water
Turbine with Helical Blades for Tidal Current Generations :
Proceedings of The Twelfth (2002) International Offshore and Polar
Engineering Conference. Nihon University. Japan.
63
Sihombing, E., 2009. Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung
pada Aliran Sungai : Jurnal Teknik Mesin. Universitas Sumatera
Utara. Sumatera Utara.
Sitepu, A.W, 2014. Kajian Eksperimental Pengaruh Bentuk Sudu Terhadap Unjuk
Kerja Turbin Helik Untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro (PLTMH) : Jurnal FEMA Vol. 2 No. 2. Universitas Lampung.
Lampung
Susatyo, 2006. Perancangan Turbin Pelton. Jakarta : LIPI.
Wikimedia, 2008. Vertical Axis Wind Turbine. Dapat diakses di
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Force
s_and_velocities.png/440px-Forces_and_velocities.png. diunduh
pada tanggal 07 Juli 2017.
