See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/322686645 Laporan Kemajuan RANCANG BANGUN TURBIN AIR CROSSFLOW BERTINGKAT DUA DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) YANG EFISIEN Research Proposal · August 2016 CITATIONS READS 0 1,495 2 authors, including: A'rasy Fahruddin Universitas Muhammadiyah Sidoarjo 13 PUBLICATIONS 2 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Analisa Perbandingan Pelapisan Galvanis Elektroplating Dengan Hot Dip Galvanizing Terhadap Ketahanan Korosi Dan Kekerasan Pada Baja View project PEM-FC study View project All content following this page was uploaded by A'rasy Fahruddin on 24 January 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN DOSEN PEMULA RANCANG BANGUN TURBIN CROSSFLOW BERTINGKAT DUA DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) YANG EFISIEN Tahun ke satu dari rencana satu tahun TIM PENGUSUL Ketua : Ali Akbar, S.T., M.T. (0001027302) Anggota : A’rasy Fahruddin, S.T., M.T. (0727018601) UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SIDOARJO Agustus 2016 ii RINGKASAN Indonesia memiliki potensi besar untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) maupun Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), karena kondisi topografi Indonesia yang bergunung dan berbukit serta dialiri oleh banyak sungai. PLTMH adalah salah satu teknologi yang sudah terbukti tidak merusak lingkungan, menunjang pemanfaatan energi terbarukan, dan mengurangi ketergantungan pada Bahan Bakar Minyak (BBM). Turbin crossflow sebagai penggerak dipilih karena kontruksi yang sederhana dan mudah diaplikasikan. Penelitian ini menggunakan turbin crossflow poros vertikal, sudu berbentuk mangkok, dan turbin disusun dua tingkat agar dapat menangkap aliran lebih banyak guna memperbesar daya putar yang dihasilkan. Tujuan jangka panjang penelitian ini adalah pemanfaatan energi air yang lebih besar untuk mencapai kemandirian energi di daerah dekat aliran sungai khususnya dan mengurangi ketergantungan negara terhadap BBM. Sedangkan target tujuan penelitian ini adalah terwujudnya desain turbin crossflow yang efisien menangkap energi air, menghasilkan daya yang optimal untuk memutar generator. Metode yang digunakan adalah true experiment research dengan membuat prototipe turbin crossflow dengan variasi jumlah sudu 3, 5, 7 untuk turbin tingkat pertama dan tingkat kedua. Turbin dibuat dari PVC 4” dengan diameter luar turbin 30 cm. Sumber aliran air berasal dari mesin pompa air diameter 4 inchi dengan kecepatan aliran yang divariasikan sebesar 15, 25, dan 35 m3/jam. Penelitian ini dilaksanakan selama satu tahun, dan terbagi menjadi penelitian pendahuluan dan penelitian utama. Penelitian pendahuluan meliputi pembuatan alat, uji jalan, hingga pengmbilan data untuk turbin satu tingkat. Sedangkan penelitian utama meliputi pengambilan data untuk turbin dua tingkat dan analisa hasil. Hasil pengambilan data dari penelitian pendahuluan menunjukkan bahwa daya turbin terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 35 m3/jam, yaitu 0,24 watt. Sedangkan efisiensi terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 15 m3/jam, yaitu sebesar 10,15%. Keywords : turbin crossflow, bertingkat dua, PLTMH. iii PRAKATA Puji syukur kami panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan rahmatNya kami dapat menyelesaikan laporan kemajuan penelitian dengan judul “RANCANG BANGUN TURBIN CROSSFLOW BERTINGKAT DUA DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) YANG EFISIEN”. Laporan ini dibuat dalam rangka pelaksanaan Penelitian Dosen Pemula tahun anggaran 2016. Pada kesempatan ini, kami mengucapkan terima kasih kepada pihak yang telah membantu terwujudnya penelitian ini, diantaranya: 1. Kemristekdikti, yang telah mendanai penelitian ini. 2. Rektor dan LPPM Universitas Muhammadiyah Sidoarjo. 3. Dekan Fakultas Teknik dan Kaprodi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Sidoarjo, serta semua pihak yang telah membantu. Kami menyadari bahwa dalam pada laporan ini masih banyak kesalahan dan kekurangan. Oleh karena itu, kami mengharapkan kritik dan saran demi perbaikan dan kesempurnaan laporan ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi kami pada khususnya dan pembaca pada umumnya. Sidoarjo, 10 Agustus 2016 Tim Peneliti iv DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL ................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ ii RINGKASAN ................................................................................................ iii PRAKATA ..................................................................................................... iv DAFTAR ISI ................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... vii DAFTAR TABEL ........................................................................................... viii DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. ix BAB 1. PENDAHULUAN............................................................................. 1 1.1 Latar Belakang .......................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah........................................................................................ 2 1.4 Target Luaran ............................................................................................ 2 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 3 2.1 Turbin Crossflow ....................................................................................... 3 2.2 Bentuk Sudu Turbin ................................................................................. 4 2.3 Variasi Jumlah Sudu Turbin...................................................................... 5 2.4 Turbin Bertingkat ...................................................................................... 6 2.5 Pembangkit Listrik Tenaga Mokro Hidro (PLTMH) ................................ 6 2.6 Kinerja Turbin Crossflow .......................................................................... 7 2.6.1 Daya Turbin Crossflow ........................................................................... 7 2.6.2 Efisiensi Turbin Crossflow ...................................................................... 7 2.7 Posisi Penelitian ........................................................................................ 8 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ................................... 10 3.1 Tujuan Penelitian........................................................................................ 10 3.2 Manfaat Penelitian...................................................................................... 10 v BAB 4. METODE PENELITIAN ................................................................. 11 4.1 Tahapan-Tahapan Penelitian ..................................................................... 11 4.2 Lokasi Penelitian ....................................................................................... 12 4.3 Variabel yang Diukur ................................................................................ 12 4.3.1 Variabel Bebas ........................................................................................ 12 4.3.2 Variabel Terikat....................................................................................... 12 4.4 Model yang Digunakan ............................................................................. 13 4.5 Rancangan Penelitian ................................................................................ 13 4.6 Teknik Pengumpulan Data ........................................................................ 14 4.7 Analisis Data ............................................................................................. 14 BAB 5. HASIL YANG DICAPAI ................................................................. 15 5.1 Penelitian Pendahuluan .......................................................................... 15 5.2 Penelitian Utama ..................................................................................... 16 BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA ........................................ 17 BAB 7. KASIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 18 7.1 Kesimpulan................................................................................................. 18 7.2 Saran ........................................................................................................... 18 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 19 LAMPIRAN .................................................................................................... 21 vi DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kontruksi Sudu Jalan Turbin Crossflow Berbasis Silinder ........ 3 Gambar 2.2 Sudu Bentuk Mangkok............................................................... 4 Gambar 2.3 Turbin Multistage ....................................................................... 6 Gambar 3.1 Tahapan penelitian ..................................................................... 11 Gambar 3.2 Runner Turbin Crossflow ........................................................... 13 vii DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Posisi Penelitian ............................................................................. 8 Tabel 5.1 Hasil Pengambilan Data Awal ....................................................... 15 Tabel 6.1 Jadwal Penelitian Tahap Berikutnya .............................................. 17 viii DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Draft Artikel Ilmiah .............................................................. 21 Lampiran 2. Produk Penelitian ................................................................. 22 ix BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan manusia terhadap energi listrik akan terus meningkat. Hal ini dikarenakan jumlah populasi manusia yang bertambah dan makin beragamnya peralatan yang menggunakan listrik, baik untuk penerangan, alat bantu kerja, hingga hiburan. Indonesia hingga saat ini masih mengandalkan bahan bakar fosil sebagai sumber pembangkit energi listrik (Sahid, 2012). Padahal bahan bakar fosil adalah sumber energi yang tak terbarukan, selain itu pembakaran adalah sumber polusi dan penyebab pemanasan global. Sedang di negara-negara maju, sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan sudah menggeser penggunaan bahan bakar fosil. Salah satu sumber energi listrik yang terbarukan dan ramah ligkungan adalah tenaga air. Indonesia memiliki potensi besar untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) maupun Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), karena kondisi topografi Indonesia yang bergunung dan berbukit serta dialiri oleh banyak sungai. PLTMH lebih mudah dibangun daripada PLTA, dengan PLTMH pada daerah dekat aliran sungai akan dapat mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil, menghemat biaya untuk listrik, atau menciptakan daerah yang mandiri energi (Hari, 2011) PLTMH menggunakan turbin air sebagai alat untuk mengubah energi aliran air menjadi energi putaran poros. Ada berbagai jenis turbin air, yang paling mudah diaplikasikan secara langsung adalah jenis crossflow poros vertikal. Karena jenis turbin ini bisa langsung berputar jika dicelupkan ke dalam aliran air tanpa harus membuat bendungan (Achmad, 2014). Hal ini akan mendukung penggunaan untuk daerah terpencil, karena tidak memerlukan pembangunan dengan banyak bahan material berbiaya mahal (Adia, 2013). Akan tetapi turbin crossflow memiliki efisiensi yang tergolong rendah (Sahid, 2012). Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi turbin adalah dengan pemasangan bertingkat. Saat ini pemasangan turbin secara bertingkat masih sebatas pada turbin uap. Selain itu jumlah sudu pada turbin juga mempengaruhi efisiensi turbin. Berdasarkan uraian diatas penulis tertarik untuk menyusun penelitian dengan judul “Rancang Bangun Turbin Crossflow Bertingkat Dua Dengan Variasi Jumlah Sudu Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang Efisien”. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Bagaimana desain turbin air crossflow yang efisien? 2. Bagaimana jumlah sudu yang optimal untuk desain turbin bertingkat dua? 1.3 Batasan Penelitian Beberapa batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Penelitian ini membahas tentang desain turbin air crossflow bertingkat dua untuk dapat digunakan pada PLTMH. Diasumsikan kondisi aliran air steady flow steady state. 1.4 Target Luaran Luaran penelitian yang diharapkan pada penelitian ini adalah: 1. Publikasi hasil penelitian di jurnal ilmiah yang mempunyai ISSN. Jurnal ilmiah yang dimaksud adalah: a. Jurnal Teknik Mesin Universitas Negeri Malang, untuk periode Oktober 2015 dengan judul “Rancang Bangun Turbin Crossflow Bertingkat Dua Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang Efisien”. b. Jurnal Rekayasa Mesin Universitas Brawijaya, dengan judul “Pengaruh Variasi Jumlah Sudu pada Turbin Crossflow Bertingkat Dua Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)”. 2. Publikasi penelitian pada Seminar Nasional Teknik Mesin UK Petra Surabaya pada Agustus 2015. BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbin Crossflow Pada tahun 1920 Michell dan Banki mengembangkan turbin yang cocok untuk tinggi air yang rendah, dikenal sebagai turbin aliran silang atau Crossflow. Salah satu keistimewaan turbin aliran silang adalah dapat berputar meski hanya didorong tekanan jatuh 1 m dengan kapasitas aliran antara 0,02 m3 /dt sampai dengan 7 m3 /dt (Dietzel,1995). Di Indonesia turbin crossflow biasa digunakan sebagai penggerak mula pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) (Sahid, 2012). Hasil penelitian yang dilakukan oleh Yesung, et al (2014), menyatakan bahwa pemanfaatan turbin crossflow sangat cocok untuk potensi energi air yang tersedia di alam sekitar yang didominasi aliran sungai. Mengingat turbin impuls jenis crossflow memiliki karakteristik yang cocok untuk range head rendah hingga medium. Prinsip kerja dari turbin aliran silang poros vertikal yaitu air sungai dialirkan melalui sudu pengarah yang berfungsi untuk mengarahkan aliran air agar tepat menumbuk sudu jalan turbin. Tumbukan air ini akan membuat turbin berputar menghasilkan energi mekanik pada poros (Sahid, 2012). Karena sudu terletak menyilang terhadap aliran, sehingga akan menerima energi kinetik aliran untuk diubah menjadi kecepatan putar tanpa membutuhkan tekanan yang besar. Gambar 2.1 Kontruksi Sudu Jalan Turbin Crossflow Berbasis Silinder (Sahid,2012) Keuntungan pemanfaatan turbin crossflow adalah : 1. Pemilihan lokasi tidak terlalu banyak syarat 2. Tanpa bendungan 3. Instalasi yang murah 4. Waktu pemasangan yang cepat 5. Bentuknya sederhana dan mudah dibuat. 6. Potensi air yang dibutuhkan tidak membutuhkan tinggi jatuh, yang dibutuhkan hanya adanya aliran air (Energi kinetik = v2/2g). 7. Pemeliharaan mudah. 2.2 Bentuk Sudu Turbin Menurut Sahid (2010), bentuk sudu yang baik dapat meningkatkan efisiensi turbin. Kajian secara eksperimental terhadap kinerja turbin pelton akibat perubahan sudut outlet sudu juga telah dilakukan oleh Sahid, et al (2007). Hasil uji menunjukkan bahwa sudut outlet sudu mempengaruhi kinerja turbin. Penelitian juga menghasilkan sudut outlet optimum pada sudu berbentuk mangkok, yaitu 50. Namun hasil yang berbeda ditunjukkan pada turbin pipa belah dua, dimana sudut outlet optimum terjadi pada 00 yaitu 90,7 %. Sudu mangkok adalah sudu yang sisinya dibuat melengkung dan terdapat sisi samping agar dapat menahan aliran air, dan meningkatkan efesiensi gaya tangensial. Dalam penelitian akan digunakan sudu bentuk mangkok dengan ukuran sebagaimana ditunjukan pada gambar 2.2 Gambar 2.2 Sudu Bentuk Mangkok Pemilihan sudu mangkok dalam penelitian ini didasarkan atas beberapa alasan diantaranya : 1. Pertimbangan Gaya Tangensial Posisi poros turbin adalah vertikal sehingga posisi sudu aksial akan mendapatkan gaya akibat adanya kecepatan sehingga memerlukan kelengkungan tertentu untuk memperlambat posisi air keluar atau memperbesar Hw. 2. Pertimbangan Penelitian Terdahulu Bono dan Indarto (2008) mengadakan penelitian dan menyimpulkan bahwa karakteristik daya dan efesiensi antara sudu mangkok dan setengah silinder hampir sama, namun daya dan efesiensi sudu mangkok lebih baik dari sudu setengah silinder. 2.3 Variasi Jumlah Sudu Turbin Sahid dan Gatot (2004) telah meneliti turbin crossflow skala mikro yang digunakan untuk membangkitkan tenaga 1 kW. Turbin ini masih memiliki efisiensi rendah 30 %. Berdasarkan penelitian tersebut beberapa optimasi kemudian dilakukan untuk meningkatkan efisiensi turbin crossflow. Diantaranya Sahid dan Gatot (2006) mengkaji optimasi jumlah sudu pada turbin crossflow. Hasil penelitian menunjukkan efisiensi maksimum diperoleh pada jumlah sudu 16 sebesar 50,1% sehingga ada peningkatan 20,1 % dibandingkan turbin sebelumnya. Demikian pula menurut Yesung, et al (2014), jumlah sudu yang mengelilingi poros rotor turbin crossflow mempengaruhi unjuk kerja turbin crossflow. Disimpulkan bahwa semakin banyak jumlah sudu maka efisiensi sistem pada instalasi turbin yang digunakan untuk pengujian ini akan bertambah pula. Dibandingkan dengan jumlah sudu 4 dan 6, efisiensi sistem yang paling baik diperoleh saat variasi jumlah sudu 12 dengan gerakan sudu tetap. Besar efisiensi sistem pada instalasi turbin ditunjukkan dengan perbandingan antara energi output generator dengan energi kinetik input. Efisiensi sistem saat variasi jumlah sudu 12 buah dan gerakan sudu tetap adalah 0,47. Putaran generator paling tinggi terjadi saat variasi jumlah sudu 12 buah dengan pergerakan sudu tetap. Putaran generatornya sebesar 89,9 rpm saat diberi beban dan sebesar 91,5 rpm saat tidak diberi beban. 2.4 Turbin Bertingkat Turbin satu tingkat, biasanya berkapasitas kecil dan banyak digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan mesin-mesin lain yang serupa. Turbin nekatingkat (multi-stage), biasanya berkapasitas besar dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik berkapasitas tinggi. Gambar dibawah ini memperlihatkan turbin uap dengan 3 tingkat, terdiri dari 3 sudu gerak yang terdapat pada poros. Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang akan mengerakkan poros berputar. Ketika uap melewati nosel pertama, kecepatan uap akan menaik, dan tekanan uap akan menurun. Penurunan tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap. Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap. (Suyanto, 2010) Gambar 2.3 Turbin Uap Multistage (Suyanto, 2010) 2.5 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Sumber energi potensial air dapat dimanfaatkan dengan cara mengubah energi tersebut ke dalam bentuk energi listrik melalui teknologi sistem pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang terdiri dari komponen utama reservoir, turbin air, generator listrik, dan instalasi perpipaan (Sutomo, 2014). Sistem pembangkit listrik tenaga air berskala kecil telah dikembangkan di beberapa negara untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedalaman, antara lain : Columbian Alternator System di Kolombia, Peltric Set di Nepal dan Pico Power Pack di Amerika (Sutomo, 2014). Menurut Diliph Singh (2009), klasifikasi turbin air ditinjau dari jenis pembangkit dan daya keluaran turbin yaitu: 1. Large-Hydro (daya keluaran lebih dari 100 MW) 2. Medium-Hydro (daya keluaran mulai 15 MW sampai 100 MW) 3. Small-Hydro (daya keluaran mulai 1 MW sampai 15 MW) 4. Mini-Hydro (daya keluaran mulai 100 kW sampai 1 MW) 5. Micro-Hydro (daya keluaran mulai 5 kW sampai 100 kW) 6. Pico-Hydro (daya keluaran sampai 5 kW) 2.6 Kinerja Turbin Crossflow Turbin air yang diteliti adalah peralatan mekanis berbentuk roda dengan sudu mangkok dengan poros vertikal. Turbin air ini memanfaatkan selisih ketinggian alamiah dari permukaan sungai kecil atau kecepatan aliran. Air yang masuk ke dalam turbin memiliki tekanan yang rendah, energi mekanis yang dihasilkan utamanya berasal dari energi kinetik aliran air. Kinerja dari turbin air ini tergantung : 1. Daya yang dihasilkan turbin 2. Efesiensi 2.6.1 Daya Turbin Crossflow Daya suatu turbin crossflow ditentukan oleh besar kecepatan aliran dan luasan dari suatu wadah atau tempat dimana air mengalir. Untuk daya air yang mengalir pada suatu penampang tertentu maka dalam perhitunganya dipergunakan persamaan berikut: ..………………..………….. (Vardar, 2006) Dimana : Pa = Daya air (Watt) ρ = Massa jenis air (kg/m3) Untuk menghitung besar daya turbin yang dihasilkan akibat adanya energi kinetik dipergunakan persamaan: Pt = T.ω …………………..…..……………... (Arismunandar, 2004) T = F. l …………………..…..………………. (Arismunandar, 2004) Dengan : Pt = Daya turbin (Watt) T = Torsi (Nm) l = Lengan (m) n = Putaran poros atau roda turbin (rpm) F = Gaya (N) 2.6.2 Efisiensi Turbin Crossflow Efesiensi suatu turbin crossflow adalah ditentukan oleh perbandingan antara daya turbin yang dihasilkan dan daya air yang masuk, sebagaimana ditunjukkan pada persamaan: ……………………….…… (Arismunandar, 2004) 2.7 Posisi Penelitian Beberapa penelitian yang berkaitan dengan turbin air crossflow atau aliran silang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu. Tabel berikut menggambarkan posisi penelitian ini terhadap penelitian terdahulu. Tabel 2.1 Posisi Penelitian Nama Parameter Desain Peneliti Bentuk Jumlah Susunan (tahun) Sudu Sudu Judul Penelitian Hasil Penelitian Bertingkat Silinder Yesung Allo √ Analisis Variasi Hasil penelitian menunjukkan Padang, et al. Jumlah Sudu bahwa unjuk kerja turbin terbaik (2014) Berengsel diperoleh saat jumlah sudu 12 Terhadap Unjuk dengan gerakan sudu tetap bila Kerja Turbin Cross dibanding jumlsh sudu 4 dan 6. Flow Zero Head Efisiensi sistem yang terbaik sebesar 0,47% diperoleh pada kecepatan putar generator sebesar 89,9 rpm dan energi output generator sebesar 29,25 Watt. Sahid (2012) √ Kaji Eksperimental Pada penelitian ini turbin aliran Kinerja Turbin silang poros vertikal sebagai Crossflow Berbasis penggerak pompa air yang dibuat Konstruksi Silinder berdasarkan konstruksi silinder (Drum) Poros yang dibelah menjadi empat Vertikal Untuk mempunyai sudut sudu jalan Potensi Arus optimum 60o dengan debit aliran Sungai masukan sebesar 0,23 m3/det, debit aliran keluaran pompa sebesar 0,000253 m3/det, daya hidrolis yang dihasilkan pompa sebesar 3,05 watt, dan mempunyai efisiensi sistem sebesar 4,98 %. Penelitian ini √ √ √ Rancang Bangun Penelitian ini bertujuan Turbin Crossflow merancang desain turbin air Bertingkat Dua crossflow yang efisien dan Dengan Variasi menemukan jumlah sudu yang Jumlah Sudu optimal untuk desain turbin Untuk Pembangkit bertingkat dua. Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang Efisien BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1 Tujuan Penelitian Tujuan yang akan dicapai pada penelitian ini adalah: 1. Merancang desain turbin air crossflow yang efisien. 2. Menemukan jumlah sudu yang optimal untuk desain turbin bertingkat dua. 3. Menganalisa pengaruh jumlah turbin dan debit air pada turbin bertingkat dua terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan. 3.2 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat diterapkan untuk memanfaatkan potensi tenaga air sungai menjadi tenaga listrik maupun penggerak poros khususnya di daerah yang blum mendapat pasokan listrik. Dengan turbin air model crossflow bertingkat dua diharapkan pembangunan instalasi lebih mudah, lebih hemat biaya, dan daya yang diambil lebih besar dari bertingkat satu. BAB 4 METODE PENELITIAN 3.1 Tahapan-Tahapan Penelitian Studi Pustaka Perumusan masalah & Tujuan Penelitian Penyusunan Proposal Tahap 1 Gambar Desain Alat Pembuatan Turbin Pembuatan Saluran Air Setting Alat Tahap 2 Pengambilan data dengan Variasi Jumlah Sudu turbin tk. I dan Variasi Debit Air Pengambilan data dengan Variasi Jumlah Sudu turbin tk. II dan Variasi Debit Air Tahap 3 Analisa Hasil Penyusunan Laporan dan Publikasi Ilmiah Gambar 3.1. Tahapan Penelitian Tahap 4 Tahap 1 Pada tahap 1 ini peneliti akan melakukan studi literatur mengenai jenis turbin crossflow, pemasangan turbin secara bertingkat, pengaruh variasi jumlah sudu turbin, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), dan efisiensi turbin air. Sehingga peneliti dapat merumuskan masalah dan tujuan penelitian yang kemudian disusun dalam sebuah proposal penelitian. Tahap 2 Pada tahap 2 mulai dilakukan rancang bangun peralatan yang akan diteliti. Dimulai dari persiapan desain gambar, pembuatan turbin, pembuatan saluran air, dan setting alat uji beserta alat ukurnya agar bisa dilakukan pengujian dengan baik. Tahap 3 Pada tahap 3 dilakukan pengambilan data pengujian dengan variasi yang dipilih. Pengambilan data pertama dilakukan pada variasi jumlah sudu turbin tingkat ke II dengan debit yang divariasikan. Setelah didapat jumlah sudu yang optimal untuk turbin tingkat II, kemudian dilakukan pengujian dengan jumlah sudu turbin tingkat I yang divarisi pada debit yang juga divariasi. Makin banyak sudu pada turbin tingkat I akan menambah daya tangkap turbin akan tetapi akan mengurangi momentum aliran yang akan diterima turbin tingkat II. Tahap 4 Pada tahap 4 dilakukan pengolahan data dengan uji Analisis Varian dan kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik agar lebih mudah dianalisa. Hasil pengujian dan hasil analisa kemudian disusun dalam laporan dan dipublikasikan melalui seminar dan jurnal nasional. 3.2 Lokasi Penelitian Penelitian ini akan dilaksanakan di laboratorium Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Sidoarjo. 3.3 Variabel yang Diukur Variabel yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari tiga jenis, yaitu variabel bebas, variabel terikat dan variabel terkontrol. 3.3.1 Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel yang bebas ditentukan nilainya sebelum dilakukan penelitian. Variabel bebas yang ditetapkan dalam penelitian ini adalah: 1. Variasi jumlah sudu turbin tingkat pertama: 3, 5, dan 7. 2. Variasi jumlah sudu turbin tingkat kedua: 3, 5, dan 7. 3. Debit air divariasikan 15, 25, dan 35 m3/jam. 3.3.2 Variabel Terikat Variabel terikat adalah variabel yang nilainya sangat tergantung pada variabel bebas dan merupakan hasil dari penelitian. Variabel terikat yang diamati dalam penelitian ini adalah: 1. Daya turbin 2. Efisiensi turbin 3.4 Model yang Digunakan Turbin air yang diteliti adalah jenis crossflow poros vertikal dengan sudu bentuk mangkok sesuai desain dan ukuran seperti gambar berikut. Gambar 3.2 Runner Turbin Crossflow Runner Turbin Crossflow meliputi 3 bagian utama, yaitu poros berdiameter 3 cm, pemegang sudu dengan bahan pipa besi, serta sudu dengan lebar 10 cm dan kedalaman cekung 3 cm dari bahan PVC tebal 2 mm yang dipasang pada keliling cakram. Sedangkan panjang diameter luar turbin adalah 30 cm. 3.5 Rancangan Penelitian Saluran aliran air yang dipakai mempunyai ukuran penampang 200 cm x 35 cm x 30 cm yang terbuat dari kayu setebal 2 cm. Alat ukur yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Bak ukur, berfungsi untuk mengukur debit aliran. 2. Tachometer, berfungsi untuk mengukur putaran turbin. 3. Dinamo listrik, berfungsi untuk mengkonversi daya poros menjadi daya listrik. 4. AVOmeter, berfungsi untuk mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan. 3.6 Teknik Pengumpulan Data Data diambil dengan prosedur pengujian sebagai berikut: 1. Menyiapkan dan memasang semua instalasi yang dibutuhkan. 2. Memasang alat pendukung (alat ukur). 3. Mengecek kondisi instalasi dan alat pendukung lainnya. 4. Menentukan jumlah sudu turbin sesuai dengan variasi yang telah direncanakan. 5. Menyalakan pompa. 6. Mengatur debit aliran. 7. Mengukur putaran turbin dengan alat ukur tacometer tanpa beban terlebih dahulu, selanjutnya memvariasikan debit air 15, 25, dan 35 m3/jam, lalu mengukur dan mencatat tegangan dan arus yang dihasilkan setiap variasi putaran. 8. Setiap variabel dilakukan 3 kali pengulangan sampai mendapatkan data pengujian. 9. Mengulangi langkah 1 sampai dengan 3 pada variasi jumlah sudu 10.Data yang telah didapat ditulis dalam sebuah tabel. 3.7 Analisis Data Teknik pengolahan data menggunakan teknik deskriptif berdasarkan hasil eksperimen, sedangkan metode analisis dipergunakan regresi polinomial. Data yang telah diambil akan diolah untuk mendapatkan nilai torsi poros, daya poros dan efisiensi turbin. Data yang telah diolah akan ditampilkan dalam bentuk grafik polinomial sebagai berikut: - hubungan antara debit terhadap kecepatan putar turbin I dan II - hubungan antara debit terhadap torsi pada poros turbin I dan II - hubungan antara debit terhadap daya poros turbin I dan II - hubungan antara debit terhadap efisiensi turbin I dan II - hubungan antara debit terhadap daya gabungan turbin I dan II - hubungan antara debit terhadap efisiensi turbin total BAB 5 HASIL YANG DICAPAI 5.1 Penelitian Pendahuluan Penelitian pendahuluan dilakukan untuk uji jalan instalasi dan mengambil data awal daya dan efisiensi turbin satu tingkat. Penelitian pendahuluan ini diawali dengan pembuatan turbin dan instalasi saluran air. Kemudian dilakukan tes jalan untuk mengetahui apakah instalasi dapat berfungsi dengan baik. Setelah itu dilakukan pengambilan data awal dengan turbin satu tingkat. Data yang diambil berupa tegangan dan arus listrik yang dihasilkan dengan beberapa variasi sudu dan debit air. Dari hasil pengukuran dihitung daya listrik yang dihasilkan serta efisiensi turbin. Tabel 5.1 Hasil Pengambilan Data Awal Tes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Variasi Debit sudu (m³/ jam) 3 15 3 25 3 35 5 15 5 25 5 35 7 15 7 25 7 35 Rata-rata Tegangan 1.10 1.30 1.32 1.12 1.30 1.35 1.25 1.48 1.46 Rata-rata Kuat arus (A) 0.11 0.11 0.14 0.16 0.17 0.18 0.10 0.13 0.16 Daya Efisiensi Dari tabel diatas dapat diketahui daya terbesar diperoleh pada variasi jumlah sudu 5 dengan debit air 35 m³/ jam, yaitu 0,24 Watt. Sedangkan efisisensi tertinggi diperoleh pada variasi jumlah sudu 5 dengan debit air 15 m³/ jam, yaitu sebesar 10,15%. Perhitungan efisiensi dilakukan dengan membandingkan daya listrik output dengan daya air yang diberikan. Dengan contoh perhitungan sebagai berikut: = 6,92% Dimana : Pt = daya turbin Pa = daya air ρ = massa jenis air Q = debit air v = kecepatan air 5.2 Penelitian Utama Daya dan efisiensi dari turbin tingkat pertama masih dapat ditingkatkan dengan pemasangan turbin tingkat kedua yang akan dilakukan pada akhir Agustus hingga September 2016. Pada penelitian utama selain percobaan dan pengambilan data turbin dua tingkat juga dilakukan analisis data, penulisan laporan, dan publikasi penelitian. BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA Penelitian telah berlangsung selama dua bulan efektif dan telah dilakukan penelitian pendahuluan. Selanjutnya penelitian dilanjutkan sesuai rencana seperti tabel berikut ini. Tabel 6.1 Jadwal Penelitian Tahap Berikutnya Kegiatan No Bulan ke Agust 1 Pemasangan instalasi turbin tingkat II 2 Pengambilan data 3 Pengolahan data 4 Analisa dan pembahasan 5 Publikasi ilmiah 6 Penyusunan laporan Sept Okt Nov Des BAB 7 KESIMPULAN DAN SARAN 7.1 Kesimpulan Hasil pengambilan data dari penelitian pendahuluan menunjukkan bahwa daya turbin terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 35 m3/jam, yaitu 0,24 watt. Sedangkan efisiensi terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 15 m3/jam, yaitu sebesar 10,15%. 7.2 Saran Pada penelitian utama selanjutnya perlu dievaluasi penggunaan beban listrik yang digunakan untuk mengetahui daya listrik maksimum yang dihasilkan. DAFTAR PUSTAKA Achmad Adiarso, Sudargana. 2014. Uji Karakteristik Turbin Darrieus Pada Hydrofoil Naca 0021 Dengan Memanfaatkan Arus Air Di Cokro Tulung. Jurnal Teknik Mesin Universitas Diponegoro. S-1, Vol. 2, No. 1. ISSN: 2303-1972. Adia Cahya P., Ridho H., dan Gunawan N. 2013. Rancang Bangun Turbin Air Sungai Poros Vertikal Tipe Savonius dengan Menggunakan Pemandu Arah Aliran. Jurnal Teknik POMITS Vol. 2, No. 2. ISSN: 2337-3539. Arismunandar Wiranto. 2004. Penggerak Mula Turbin. ITB Press, Bandung. Bono dan Indarto. 2008. Karakterisasi Daya Turbin Pelton Mikro Dengan Variasi Bentuk Sudu. Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi. IST AKPRIND, Yogyakarta. Dietzel Fritz. 1993. Turbin Pompa Dan Kompresor. Penerbit Erlangga, Jakarta. Diliph Singh. 2009. Micro Hydro Power Resource Assesment HandBook. APCTT. Hari Siswoyo, Teguh Utomo, Hari Santoso, dan Rini Nur Hasanah. 2011. Upaya Mewujudkan Desa Mandiri Energi Melalui Pengembangan PLTM Tipe Kincir Air. Fakultas Teknik Universitas Brawijaya, Malang. Sahid. 2010. Kajian Eksperimental Optimasi Tipe Lekuk Sudu Turbin Pelton Sudu Basis Konstruksi Elbow Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi. Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang. Sahid. 2012. Kaji Eksperimental Kinerja Turbin Crossflow Berbasis Konstruksi Silinder (Drum) Poros Vertikal Untuk Potensi Arus Sungai. Prosiding SNST ke3. Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang. ISBN 978-602-993341-3. Sahid, Gatot S. 2006. Peningkatan Kinerja Melalui Optimasi Jumlah Sudu Pada Turbin Crossflow Untuk PLTMh. Rekayasa mesin vol III nomor 3. hal 133-144. ISSN 1411-6863. Sutomo, Arief Budiman. 2014. Eksperimental Bentuk Sudu Turbin Pelton Setengah Silinder Pada Variasi Sudut Keluaran Air Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro. Jurnal Agri-tek Volume 15 Nomor 1. Suyanto. 2010. Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW. Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi BPPT, Jakarta. Vardar Ali and Bulent Eker. 2006. Principle of Rotor Design for Horizontal Axis Wind Turbines. Journal of applied sciences 6(7):1527-1533. Yesung Allo Padang, I Dewa Ketut Okariawan, dan Mundara Wati. 2014. Analisis Variasi Jumlah Sudu Berengsel Terhadap Unjuk Kerja Turbin Cross Flow Zero Head. Dinamika Teknik Mesin, Volume 4 No. 1. ISSN: 2088-088X. Lampiran 1. Draft Artikel Ilmiah Uji Performa Turbin Crossflow Dengan Variasi Jumlah Sudu dan Debit Air Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang Efisien Ali Akbar, A’rasy Fahruddin Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Sidoarjo. ABSTRAK Indonesia memiliki potensi besar untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) maupun Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), karena kondisi topografi Indonesia yang bergunung dan berbukit serta dialiri oleh banyak sungai. PLTMH adalah salah satu teknologi yang sudah terbukti tidak merusak lingkungan, menunjang pemanfaatan energi terbarukan, dan mengurangi ketergantungan pada Bahan Bakar Minyak (BBM). Turbin crossflow sebagai penggerak dipilih karena kontruksi yang sederhana dan mudah diaplikasikan. Penelitian ini menggunakan turbin crossflow poros vertikal, sudu berbentuk mangkok, dan turbin disusun dua tingkat agar dapat menangkap aliran lebih banyak guna memperbesar daya putar yang dihasilkan. Metode yang digunakan adalah true experiment research dengan membuat prototipe turbin crossflow dengan variasi jumlah sudu 3, 5, 7 untuk turbin tingkat pertama dan tingkat kedua. Turbin dibuat dari PVC 4” dengan diameter luar turbin 30 cm. Sumber aliran air berasal dari mesin pompa air diameter 4 inchi dengan kecepatan aliran yang divariasikan sebesar 15, 25, dan 35 m3/jam. Hasil pengambilan data dari penelitian pendahuluan menunjukkan bahwa daya turbin terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 35 m3/jam, yaitu 0,24 watt. Sedangkan efisiensi terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 15 m3/jam, yaitu sebesar 10,15%. Keywords : turbin crossflow, jumlah sudu, PLTMH. memerlukan PENDAHULUAN PLTMH menggunakan turbin air sebagai alat untuk mengubah energi pembangunan dengan banyak bahan material berbiaya mahal (Adia, 2013). aliran air menjadi energi putaran poros. Akan tetapi turbin crossflow Ada berbagai jenis turbin air, yang memiliki efisiensi yang tergolong rendah paling secara (Sahid, 2012). Salah satu cara untuk langsung adalah jenis crossflow poros meningkatkan efisiensi turbin adalah vertikal. Karena jenis turbin ini bisa dengan memilih jumlah sudu pada turbin langsung berputar jika dicelupkan ke sesuai diameter turbin. Berdasarkan dalam aliran air tanpa harus membuat uraian diatas penulis tertarik untuk bendungan (Achmad, 2014). Hal ini menyusun penelitian dengan judul “Uji akan mendukung penggunaan untuk Performa Turbin Crossflow Dengan daerah Variasi Jumlah Sudu dan Debit Air mudah diaplikasikan terpencil, karena tidak Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) yang Efisien”. Pa = Daya air (Watt) Prinsip kerja dari turbin aliran silang ρ = Massa jenis air (kg/m3) Untuk poros vertikal yaitu air sungai dialirkan melalui sudu pengarah yang berfungsi untuk mengarahkan aliran air agar tepat menumbuk sudu jalan turbin. Tumbukan air ini akan membuat turbin berputar menghasilkan energi (Sahid, terletak 2012). menyilang mekanik pada Karena sudu terhadap aliran, sehingga akan menerima energi kinetik aliran untuk diubah menjadi kecepatan putar tanpa membutuhkan tekanan yang besar. turbin menghitung besar daya yang dihasilkan akibat adanya energi kinetik dipergunakan persamaan: Pt = T.ω …... (Arismunandar, 2004) T = F. l ……… (Arismunandar, 2004) ω Dengan : Pt = Daya turbin (Watt) T = Torsi (Nm) l = Lengan (m) n = Putaran poros atau roda turbin (rpm) F = Gaya (N) Keuntungan pemanfaatan turbin crossflow adalah : pemilihan lokasi tidak terlalu banyak syarat, tanpa bendungan, instalasi yang murah, waktu pemasangan yang cepat, bentuknya sederhana dan mudah (Vardar, 2006) Dimana : MATERI poros ..… dibuat, potensi air yang dibutuhkan tidak membutuhkan tinggi Efesiensi suatu turbin crossflow adalah ditentukan oleh perbandingan antara daya turbin yang dihasilkan dan daya air yang masuk, sebagaimana ditunjukkan pada persamaan: …(Arismunandar, 2004) jatuh tapi hanya adanya aliran air, serta METODE PENELITIAN pemeliharaan yang mudah. Daya suatu turbin crossflow ditentukan oleh besar kecepatan aliran dan luasan dari suatu wadah atau tempat dimana air mengalir. Untuk daya air yang mengalir pada suatu penampang tertentu maka dalam perhitunganya dipergunakan persamaan berikut: Variabel bebas yang ditetapkan dalam penelitian ini adalah: 1. Variasi jumlah sudu turbin tingkat pertama: 3, 5, dan 7. 2. Variasi jumlah sudu turbin tingkat kedua: 3, 5, dan 7. 3. Debit air divariasikan 15, 25, dan 35 m3/jam. Variabel terikat yang diamati dalam Sedangkan panjang diameter luar turbin penelitian ini adalah: adalah 30 cm. 1. Daya turbin HASIL DAN PEMBAHASAN 2. Efisiensi turbin Turbin air yang diteliti adalah jenis crossflow poros vertikal dengan sudu bentuk mangkok sesuai desain dan Penelitian ini diawali dengan pembuatan turbin dan instalasi saluran air. Kemudian dilakukan tes jalan untuk mengetahui ukuran seperti gambar berikut. apakah instalasi dapat berfungsi dengan baik. Setelah itu dilakukan pengambilan data awal dengan turbin satu tingkat. Data yang diambil berupa tegangan dan arus listrik yang dihasilkan dengan beberapa variasi sudu dan debit air. Dari hasil pengukuran dihitung daya listrik yang dihasilkan Gambar 1. Runner Turbin Crossflow Runner Turbin serta efisiensi turbin. Crossflow Dari tabel 1 dapat diketahui daya meliputi 3 bagian utama, yaitu poros terbesar diperoleh pada variasi jumlah berdiameter 3 cm, pemegang sudu sudu 5 dengan debit air 35 m³/ jam, yaitu dengan bahan pipa besi, serta sudu 0,24 Watt. Sedangkan efisisensi tertinggi dengan lebar 10 cm dan kedalaman diperoleh pada variasi jumlah sudu 5 cekung 3 cm dari bahan PVC tebal 2 mm dengan debit air 15 m³/ jam, yaitu yang dipasang pada keliling cakram. sebesar 10,15%. Perhitungan efisiensi Tabel 1. Hasil Pengujian Tes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 sudu 3 3 3 5 5 5 7 7 7 Variasi Debit (m³/ jam) 15 25 35 15 25 35 15 25 35 dilakukan dengan membandingkan daya Rata-rata Tegangan (V) 1.10 1.30 1.32 1.12 1.30 1.35 1.25 1.48 1.46 Rata-rata Kuat arus (A) 0.11 0.11 0.14 0.16 0.17 0.18 0.10 0.13 0.16 Daya (W) 0.12 0.15 0.18 0.18 0.22 0.24 0.13 0.19 0.23 Efisiensi (%) 6.92 3.50 0.60 10.15 5.47 0.79 8.62 4.85 0.77 listrik output dengan daya air yang DAFTAR PUSTAKA diberikan. Dengan contoh perhitungan Achmad Adiarso, Sudargana. 2014. Uji sebagai berikut: Karakteristik Turbin Darrieus Pada Hydrofoil ! Naca 0021 Dengan Memanfaatkan Arus Air Di Cokro Tulung. Jurnal Teknik Mesin Universitas Diponegoro. S-1, Vol. 2, # $ " """"""%&"&' No. 1. ISSN: 2303-1972. Adia Cahya P., Ridho H., dan Gunawan N. 2013. Rancang Bangun Turbin Air = 6,92% Sungai Poros Vertikal Tipe Savonius Dimana : dengan Menggunakan Pemandu Arah Pt = daya turbin Aliran. Jurnal Teknik POMITS Vol. Pa = daya air 2, No. 2. ISSN: 2337-3539. ρ = massa jenis air Arismunandar A = luas penampang saluran air Wiranto. 2004. Penggerak Mula Turbin. ITB Press, v = kecepatan air Bandung. Sahid. 2012. Kaji Eksperimental Kinerja KESIMPULAN Hasil penelitian pengambilan pendahuluan data dari menunjukkan bahwa daya turbin terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 35 m3/jam, yaitu 0,24 watt. Sedangkan efisiensi terbesar pada turbin 5 sudu dengan debit air 15 m3/jam, yaitu sebesar 10,15%. Pada penelitian selanjutnya perlu dievaluasi penggunaan beban listrik yang digunakan untuk mengetahui daya listrik maksimum yang dihasilkan. Turbin Crossflow Berbasis Konstruksi Silinder (Drum) Poros Vertikal Untuk Potensi Arus Sungai. Prosiding SNST ke-3. Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang.ISBN 78-602-99334-1-3. Vardar Ali and Bulent Eker. 2006. Principle Horizontal of Rotor Axis Design Wind for Turbines. Journal of applied sciences 6(7):15271533. Lampiran 2. Produk Penelitian a. Turbin air b. Turbin dengan variasi jumlah sudu c. Pemasangan instalasi pompa air dan turbin d. Tes jalan e. Pengambilan data awal View publication stats