Implementasi Turbin Model Ulir Parsial Untuk
Pikohidro
Yulianto
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri MalangMalang
Yulianto_poltek@yahoo.com
Bambang Priyadi
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri MalangMalang
priyadi_bebeng@yahoo.co.id
Abstrak— Perkembangan turbin berskala kecil cukup
lambat. Turbin berskala kecil yang biasa digunakan adalah kincir air, turbin propeller open flume. Pada akhir-akhir ini dikembangkan turbin model vertikal, menyerupai turbin Francis dengan sudu menyerupai fan. Turbin jenis vertikal memiliki efisiensi terjun air dan keborosan debit air yang baik. Pada penelitian ini dikembangkan sudu-sudu yang berbentuk ulir parsial, ulir yang dipotong-potong dan setiap bagian dapat diatur sudutnya untuk menyesuaikan dengan kecepatan aliran. Sudu-sudu ditempatkan dalam pipa nozzle dan sisi depan dilengkapi pra-pengkondisi aliran. Tujuan penelitian ini adalah merancang, membuat dan ujicoba untuk pikohidro dengan harapan dapat bekerja pada berbagai elevasi terjun air, memiliki efisensi yang baik untuk aliran datar tapi dengan debit air besar. Sehingga diperoleh model baru berupa prototipe turbin model ulir parsial dengan karakteristik andalannya dapat digunakan pada elevasi terjun air yang rendah dilengkapi pengaturan sudut sudu untuk menyesuaikan dengan kecepatan aliran air. Metoda yang digunakan adalah eksperimental melalui perancangan teoritis dan pengujian praktis pada aliran datar dengan posisi turbin horisontal. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada sudut sudu 60o, menghasilkan torsi dan kecepatan putar yang lebih baik dibanding dengan sudut sudu 45o, dan 75o. Pembebanan turbin sebaiknya tidak sampai menyebabkan jatuh putaran lebih rendah dari 75 % agar tidak kehilangan torsi yang lebih besar.
Kata kunci—turbin, ulir parsial, nozzle, aliran datar, pikohidro
I. PENDAHULUAN
Pada kondisi “awas krismon” harga enersi listrik dengan cepat melonjak naik. Perlu untuk meningkatkan pemanfaatan sumber enersi yang ada secara maksimal. Sementara itu, dirasakan pemanfaatan enersi terjun air berskala kecil yang sangat melimpah masih kurang booming. Perkembangan teknologi yang diterapkan terasa kurang inovatif. Tidak sebanding dengan besarnya jumlah enersi yang tersedia. Turbin yang digunakan umumnya berupa kincir air, turbin propeller
open flum. Akhir-akhir ini juga dijumpai turbin vertikal
menyerupai turbin Francis tapi dengan sudu-sudu menyerupai sudu pada fan. Turbin vertikal mempunyai efisiensi penggunaan ketinggian terjun air dan debit air yang baik,
hampir tidak ada ketinggian terjun air dan debit air yang terbuang.
Kondisi secara umum, pemanfaatan pikohidro biasanya hanya sesaat setelah itu dibiarkan tanpa dilakukan perawatan atau mungkin tidak dioperasikan lagi. Sampai saat ini masih diperlukan pengembangan turbin berskala kecil yang tepat, handal, memiliki efisensi tinggi, dan dapat bekerja pada berbagai kondisi lapangan. Di sini yang menjadi tantangan adalah bahwa turbin harus dapat beroperasi pada bermacam karakteristik ketersediaan enersi terjun air, meliputi ketinggian dan debit yang variatif, kondisi air, serta debit air berlebihan sesaat (banjir). Kondisi ini memberikan motivasi untuk merancang turbin untuk pikohidro yang kompatibel untuk berbagai karakteristik terjun air.
Turbin yang dikembangkan dalam penelitian ini adalah turbin yang menggunakan rotor berbentuk ulir parsial. Poros sudu menyerupai sekrup, sudu-sudunya berbentuk ulir lalu dipotong-potong menjadi bagian-bagian yang masing-masing sudutnya dapat diatur sesuai kebutuhan. Sudut masing-masing sudu bisa dibuat sama tapi tidak harus sama. Bisa saja sudut diatur membentuk garis lurus, atau juga membentuk eksponensial untuk memperoleh efisiensi dan putaran/torsi optimal. Rotor dengan sudu-sudunya dimasukkan pada pipa pesat dilengkapi corong pra-pengkondisi aliran untuk menghindari turbulensi. Turbin dapat dipasang pada elevasi antara 0o – 90o dan dapat ditenggelamkan. Pada turbin jenis
propeler, sudu-sudu ditempatkan pada outlet dari sebuah nozzle, tapi pada turbin yang dirancang ini sudu-sudu
ditempatkan di dalam nozzle. Model ini tahan terhadap level terjun air yang variatif dan dapat digunakan pada aliran kecepatan rendah, tidak adanya kehilangan ketinggian terjun air dan dapat diatur kecepatan putarnya untuk menyesuaikan ketersedian kecepatan aliran air. Kelemahan jenis turbin ini adalah banyaknya variabel untuk menentukan sudut sudu-sudunya, sehingga diperlukan pengujian-pengujian yang lama untuk mendapatkan kondisi kecepatan dan torsi yang optimal.
Berikut ini beberapa penelitian yang telah dilakukan pengujian turbin pada pembangkit listrik pikhidro. Pada [3,4] penelitian tentang implementasi dan analisis pembangkit listrik
pikohidro menggunakan turbin propeller open flume TC 60 untuk memutar generator sinkron satu fasa 100 VA. Di sini digunakan turbin dengan baling-baling berdiameter 6 cm, 5 sudu dengan sudut kemiringan 35o. Dalam kesimpulannya, besar daya output turbin adalah 116 watt. Di [1,6] dikembangkan gagasan revolusi terhadap sistem kincir air yang dapat diurai menjadi beberapa komponen sehingga memudahkan pada proses pengangkutan, perakitan dan pemasangan di lapangan. Disebut Kincir Knock Down yang mampu membangkitkan daya lebih besar dibanding kincir kayu. Pada [5] dirancang prototipe PLTPH menggunakan turbin open flume dan generator magnet permanent 24 kutub yang dapat dioperasikan pada tinggi jatuh air antara 3-6 meter untuk pikohidro yang digunakan pada aliran sungai dengan tinggi jatuh air dan debit yang rendah. Di [4] perancangan dan pembuatannya lebih didasarkan pada analisis teknis. Analisis terhadap modul pembangkit listrik
II. MODEL TURBIN UNTUK PLTPH
A. Turbin Untuk PLTPH
Berdasarkan model aliran air yang digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH), ada beberapa mcam aliran yang, yaitu 1) aliran datar, 2) aliran terjun air dengan kemiringan, dan 3) aliran vertikal. Pada aliran datar dikembangkan turbin sederhana menyerupai kincir air. Model kincir air juga dapat digunakan pada aliran vertikal atau dengan kemiringan tertentu. Selama ini pengembangan turbin dengan kincir air ditekankan pada model sudu yang diterapkan sesuai kondisi tempat pemasangan dan kondisi bentuk air terjun. Pada gambar 1, ditunjukkan contoh kincir air dengan berbagai model jenis aliran.
Gambar 1. Kincil Air
Selain model kincir juga dikembangkan turbin model ulir (screw). Turbin model ulir biasanya diterapkan untuk aliran elevasi, walaupun sebenarnya aliran aslinya adalah vertikal, karena turbin model ulir dipasang dengan elevasi tertentu maka aliran air dalam turbin juga akan membentuk elevasi sesuai elevasi turbin. Pada gambar 2 ditunjukkan implementasi turbin ulir. Pada turbin jenis ini, sudu-sudu yang terendam air haya sebagian. Pengembangan dari turbin model ulir adalah turbin model skerup, yang terdiri dari rotor berbentuk sekerup dimasukkan dalam pipa pesat
Gambar 2. Turbin Ulir[8] Gambar 3, Turbin Sekerup[7] Juga dikembangkan dengan sudu sudu meyerupai turbin Pelton, merupakan turbin model terbaru yang khusus untuk aliran vertikal telah dikembangkan turbin vortex, yang digunakan untuk debit air 1 – 8 m3/s dengan ketinggian antara 1,5 – 3 meter, yang dapat menghasilkan daya sampai dengan 15 kw. Pada gambar 2, ditunjukkan turbin vortex.
Gambar 4. Turbin Vortex
Sumber: https://www.youtube.com/watch?v=gY3p2e1-kN4
B. Teori Analisis Kecepatan Aliran, Tekanan, dan Daya.
Aliran fluida di dalam pipa dapat dijelaskan menggunakan prinsip Bernoulli, yaitu sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa peningkatan kecepatan aliran fluida dapat menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini merupakan penyederhanaan persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Terdapat beberapa asumsi dalam perlakuan hukum Bernoulli: (1) incompressible dan nonviscous, (2) tidak ada kehilangan energi akibat gesekan, (3) tidak ada energi panas yang ditransfer melintasi batas-batas pipa, (4) tidak ada pompa di bagian pipa, dan (5) aliran fluida laminar. Rumus Hukum Bernoulli dinyatakan pada persamaan 1.
(1) Atau (2) Keterangan: P = Tekananal (Pascal) v = kecepatan (m/s)aa p = massa jenis fluida (kg/m3)
h = ketinggian (m)
Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk menghitung kecepatan aliran zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah seperti pada gambar 4. Jika diameter lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dibandingkan dengan diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0).
Pada permukaan wadah dan permukaan lubang terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2).
Maka persamaan Bernoulli untuk kasus ini dinyatakan pada persamaan (3).
(3)
Gambar 5. Kecepatan Aliran Didasarkan Hukum Bernaoulli
Kecepatan aliran didasar wadah seperti ditunjukkan pada gambar 5, dapat dihitung dengan persamaan 3, jika disederhanakan menjadi seperti pada persamaan 4. Ternyata laju aliran air pada lubang yang berjarak h dari permukaan wadah sama dengan laju aliran air yang jatuh bebas sejauh h. Ini dikenal dengan Teorema Torricceli.
(4)
Persamaan Bernoulli juga dapat diterapkan pada aliran fluida dalam pipa yang mempunyai perbedaan ketinggian kecil seperti ditunjukkan pada gambar 5.
Gmbar 6. Aliran Pada Pipa dengan Ketinggian Hampir Sama
Bagian pipa yang mempunyai penampang besar maupun bagian yang penampangnya kecil, mempunyai ketinggian hampir sama ( h dianggap sama). Pada kejadian ini, persamaan Bernoulli ditunjukkan pada persamaan (5).
(5)
Kecepatan fluida pada pipa dengan penampang kecil lebih besar dibanding dengan laju fluida pada pipa yang mempunyai penampang lebih besar. Menurut prinsip Bernoulli, jika kelajuan fluida bertambah, maka tekanan fluida tersebut menjadi kecil. Jadi tekanan fluida di bagian pipa yangsempit lebih kecil tetapi laju aliran fluida lebih besar (P1 > P2 sebaliknya v2 > v1).Ini dikenal dengan sebutan efek Venturi. Persamaan ini dapat diturunkan untuk menentukan laju aliran zat cair pada pipa, dan hasilnya ditunjukkan pada persamaan (6).
(6)
Air mempunyai berat. Gaya berat membentuk tekanan hidrosatatis di dasar air. Tekanan hidrostatis yang disebabkan oleh air dengan ketinggian h adalah: Ph = ρ.g.h, untukpendekatan secara kasar, nilai dari ρ = 1000 dan g = 9,8. Sedangkan daya potensial yang dihasilkan oleh debit dan tinggi level pada aliran air dinyatakan dengan persamaan (7):
Pa = ρ.Q.g.h [7] 7
Keterangan:
Pa : Daya air (Watt)
ρ : Massa jenis air (kg/m3) Q : Debit aliran air (m3/s)
Gambar 7. Tekanan Yang Dihasilkan Dari Aliran Air
Daya pada persamaan (7), akan ditransfer menjadi daya putaran pada poros turbin, yang kemudian dikonversi menjadi daya listrik oleh generator yang dikopel pada poros turbin. Bersarnya torsi yang terjadi pada poros turbin adalah:
PM = N . T / 9545 (kW) (8)
Daya listrik yang terjadi adalah:
PL = ηt ηg Pa (9)
PL : Daya listrik (kW)
PM : Daya mekanik (kW), Pa: Daya air (kW),
T : Torsi (Nm)
N : Putaran permenit (rpm)
ηt : Efisiensi turbin ηg : Efisiensi generator
Sedangkan perbedaan tekanan yang disebabkan aliran fluida pada pipa yang merupakan fungsi dari luas penampang pipa pada kedua ujung sisi-sisinya dinyatakan dengan hukum Bernoulli sebagai persamaan (2). Di sepanjang pipa terjadi kerugian tekanan yang disebut sebagai hilang tinggi tekanan, yaitu: 1) hilang tinggi tekanan besar (hgs), disebabkan
pengaruh gesekan sepanjang pipa, dan 2) kecil (hf), disebabkan perlengkapan pipa (kontraksi, ekspansi, belokan, alatukur, sambungan). Pada kejadian ini berlaku hukum kekekalan energi, yaitu: energi pada dua titik yang dianalisis adalah sama. Untuk aliran air pada kondisi mantap didasarkan gambar 4 berlaku persamaan 3. Didasarkan pada hukum kekekalan enersi, maka daya Input merupakan penjumlahan rugi-rugi dan daya output. Analisis rugi-rugi daya dalam turbin menjadi sangat sulit disebabkan karena bentuk turbin, model aliran yang yang terjadi turbulensi. Jika rugi-rugi di dalam saluran diabaikan, maka seluruh rugi-rugi terjadi di dalam turbin. Dengan menggunakan alat ukur dan perhitungan dapat ditentukan besarnya daya masuk dan daya keluar. Analisis matematisnya ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Persamaan Kekekalan Energi
(10)
C. Analisa dan Sintesa Kecepatan Putar Turbin Spiral
Pada tabel 1 ditunjukkan ukuran fisik turbin yang telah dirancang dengan pertimbangan (1) mempertahankan efisiensi mesin, (2) torsi dan kecepatan disesuaikan dengan kebutuhan, dan (3) kompatibel dengan kondisi lingkungan. Penstok turbin dibuat dari bahan transparan, dan rotor diberi warna putih, dimaksudkan agar aliran air tampak jelas di dalam pipa penstok. Dalam pengamatan, pada sisi intake dilepaskan butiran ringan berwarna untuk mengetahui arah gerak seluruh aliran.
TABEL 1. SPESIFIKASI TURBIN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Diameter intake penstock Diameter outake penstock Diameter rotor
Panjang rotor Panjang corong depan Jumlah sudu Sudut sudu Susunan sudu : : : : : : : : 40 cm 30 cm 15 cm 47 cm 35 cm 6 biji 450, 600, 750 Paralel, 2 putaran Dengan mengacu pada gambar 6, data turbin yang digunakan mempunyai diameter intake 0,4 m atau A1= 0,5 m2,
diameter outtake 0,3 m, dan diameter rotor 0,15 m atau A2 = 0,21 m2. Untuk h = 0,05 m maka kecepatan aliran di dalam rotor adalah:
= 0,92 m/s
Berdasarkan pada gambar 9, panjang satu gelombang (ulir) adalah
Debit air diperoleh dari perkalian antara luas penampang efektif dikalikan dengan kecepatan aliran disisi outtake. Berdasarkan persamaan (8) Pa = ρ.Q.g.h, ketersediaan daya
ditunjukkan pada tabel 2.
TABEL 2. KECEPATAN ALIRAN AIR,KECEPATAN PUTAR ROTOR MAKSIMUM, DAN DAYA MAKSIMUM TEORITIS
h (m) V1 (m/s) (maks) V2 (m/s) (maks) n ( rpm)kaksimum Q (l/s) Pa (watt) 450 600 750 0,05 0,46 0,92 2 3,41 7,08 193,2 0,1 0,65 1,39 3,01 5,15 10,69 291,9 0.15 0,79 2,08 4,62 7,70 16,00 436,8 0,20 0,92 2,77 6,16 10,26 21,30 581,7 0,25 1,02 3,46 7,69 12,81 26,62 726,6 0,30 1,12 4,16 9,24 15,41 32,00 873,6 0.35 1,21 4,85 10,78 17,96 37,31 1018,5 0.40 1,30 5,54 12,31 20,52 42,62 1163,4 0.45 1,37 6,24 13,87 23,11 48,00 1310,4 0.50 1,45 6,93 15,4 25,67 53,31 1455,3
Jika perbandingan gear box yang digunakan adalah 8/3 = 2,67, maka kecepatan putar generator harus dikalikan dengan bilangan ini.
III. PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA
A. Pengujian
Mesin hasil rancangan diterapkan secara langsung pada aliran sungai dengan debit aliran dan ketinggian terjun air yang
konstan. Pemasangan diatur sedemikian sehingga aliran yang bocor dapat diabaikan. Turbin yang telah dikopel dengan generator akan menghasilkan putaran dan tegangan terinduksi pada generator. Seperti ditunjukkan ada gambar 10. Lalu dilakukan pengujian beberapa tahap meliputi:
1) sudut sudu 45o, generator tanpa beban dan berbeban 2) sudut sudu 60o, generator tanpa beban dan berbeban 3) sudut sudu 75o, generator tanpa beban dan berbeban
Gambar 10. Pengujian Turbin
Karena banyaknya pengambilan data, maka pengujian-pengujian yang tidak signifikan langsung diabikan dan dilanjutkan dengan tahapan berikutnya. Pada tabel 3, ditunjukkan data yang diperoleh dalam pengujian mesin dalam tiga kondisi sudut sudu. Data yang belum dibuat adalah data untuk sudut sudu kombinasi, yaitu pada kolom pertama 45o, pada kolom ke dua 65o, dan pada kolom ke tiga menggunakan sudut sudu 75o. Kombinasi ini akan dibuat pada tahapan berikutnya.
TABEL 3. DATA HASIL PENGUJIAN Sudut Sudu Perlakuan N Turbin (rpm) N Generator (rpm) Tegangan Output (v) Arus Output (A) 45o Tanpa Beban 94,8 94,7 252,8 252,5 - - 60o Tanpa Beban 225,0 604,4 599,2 10 0 60o Berbeban 293,5 289,2 291,8 290,3 301,2 303,6 60o Repeatable Berbeban 345,5 281,0 281,5 209 208 4,0 4,0 3,0 2,0 1 1,5 1,4 1,5 1,8 1,9 75o Tanpa Beban 274,8 371,0 295,0 7,0 5,0 3,0 - - - 75o Berbeban 261,6 191,2 194,0 166,6 166,2 - 5,0 3,0 3,0 2,0 1,5 4,0 1,1 0,9 1,0 1,2 1,6 0,1 N : kecepatan putar
B. Pembahasan Hasil Pengujian
Pengujian pada sudut 45o merupakan penelitian awal sebagai dasar dalam pengujian tahap berikutnya. Pengujian-pengujian pendahuluan ini dapat digunakan untuk mengetahui kendala di lapangan. Sebagai misal yaitu pengujian pada sudut 45o, memberikan petunjuk bahwa kecepatan putar turbin masih dibawah standar yaitu 139 rpm, data ini menyerupai dengan hasil pengujian pada penelitian sebelumnya yang tanpa membandingkan kecepatan putar pada berbagai sudut sudu. Tapi hasil ini memberikan informasi bahwa ukuran turbin hampir tidak mempengaruhi kecepatan putar jika dibuat pada sudut sudu yang sama, dan dengan debit air yang sama. Data ini juga memberikan keyakinan bahwa pada sudut sudu 45o menghasilkan kecepatan putaran 139 rpm dengan catatan lokasi yang sama (kemiringan dan debit yang sama).
Kecepatan putaran 139 rpm masih terlalu rendah untuk memutar generator, yang ditargetkan dengan kecepatan putar sebesar 1500 rpm. Pengambilan data kecepatan putar diukur melaui sebuah pulley yang berfungsi untuk meningkatkan kecepatan putaran. Perbandingan diameter pulley adalah 11/16. Jadi jika kecepatan putar yang diperoleh sebesar 137 rpm, maka kecepatan putar turbin aslinya adalah (11/16) x 138 = 94,88 rpm. Pada sudut sudu 45o ternyata tinggi jatuh air hanya separuh dari tinggi turbin. Ini menunjukkan bahwa pada debit yang sama, air mengalir dengan cepat tanpa diimbangi dengan kenaikan torsi sehingga dapat dikatakan banyak enersi yang tidak dikonversi menjadi enersi mekanik pada poros turbin. Dari pengujian ini, kecepatan putar turbin tidak memadai, karena hanya menghasilkan tegangan yang sangat rendah dan tidak sesuai dengan kebutuhan putaran generator.
Sedangkan cara pengujian torsi statis digunakan pemberat berlengan. Posisi pemberat dimulai dari posisi lengan terpendek (terdekat dengan pulley), kemudian digeser menjauh sampai mencapai kondisi setimbang atau labil. Besar torsi statis adalah hasil perkalian pemberat dengan panjang lengan pada kondisi stimbang.Dari pengambilan data ini diperoleh kesimpulan bahwa pada sudut 450, banyak enersi yang tidak di konversi menjadi enersi mekanik pada poros turbin. Alasan-alasan diperoleh dari pengamatan, yaitu: (1) evel air intake pada psosisi terrendah. Ini dapat dibuktikan dari kombinasi hasil beberpa pengamatan pengamatan, yaitu: (1)putaran poros turbin rendah, (2) torsi rendah, dan (3) tegangan yang dihasilkan generator juga sangat rendah. Nilai-nilai ini tidak dianalisis lebih lanjut karena terbukti sistem memiliki unjuk kerja yang kurang efisien.
Sehingga dari penelitian pendahuluan ini dilakukan modifikasi menjadi: (1) ukuran perbandingan pulley menjadi 8/3, dan (2) mengubah sudut sudu menjadi 60o. Hasil uji coba
menunjukkan hasil putaran yang diperoleh telah dilipatkan menjadi 600 rpm atau putan turbin sekitar 225 rpm. Perubahan sudut dari 45o menjadi 60o dapat meningkatkan putaran dari 139 rpm menjadi 225 rpm. Pada tabel 2 ditunjukkan hasil pengujian pada berbagai sudut sudu.
Pada sudut sudu 600 dengan tanpa dilakukan perubahan debit, diperoleh hasil seperti ditunjukksn pada tabel 4.
TABEL 4. DATA HASIL PENGUJIAN PADASUDUT60O
No Vaariabel Hasil
1. Putaran turbin 225 rpm
2. Putaran generator 600 rpm
3. Ketinggian air di dalam pipa pesat 75 % 4. Kecepatan aliran = 0,86 m/ 0,86 m/s 5. Penampang outtage = 0,071 m2 0,071 m2
6. Debit 46 l/s
Kecepatan aliran air menjadi lebih rendah yang dapat dibuktikan dari kenaikan level air menjadi 75% dari ketinggian turbin, tetapi putaran turbin menjadi lebih tinggi. Ini membuktikan adanya kenaikan efisiensi dalam konversi enersi terjun air menjadi enersi putaran pada poros turbin. Walaupun putaran yang dihasilkan lebih tinggi dibanding dengan posisi sudu 45o, tapi kecepatan putar 600 rpm masih kurang memiliki kecepatan untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi. Yang dibutuhkan adalah 1500 rpm. Karena itu disamping diperlukan perubahan sudut sudu untuk mempercepat putaran turbin juga diperlukan perubahan perbandingan pulley. Untuk mengubah perbadingan pulley harus diperhatikan torsi yang dihasilkan harus mencukupi. Perubahan perbandingan pulley diubah menjadi 8/3, hasilnya daari 225 rpm menjadi 600 rpm. Perbandingan ini dipertimbangkan berdasarkan pemikiran (1) tetap menjaga tidak terjadinya slip pada pulley, (2) ketersediaan komponen yang ada dipasaran dan mudah diperoleh, dan (3) meningkatkan kecepatan putar generator. Untuk mendapatkan putaran yang di kehendaki maka seharusnya perbandingan
pulley dengan rasio 6,67.
Pengujian juga menunjukkan bahwa dengan pembebanan, kecepatan putar turbin jatuh cukup besar. Anehnya di sini yaitu dengan penambahan beban menyebabkan turunnya kecepatan putar disertai dengan turunnya torsi (daya) walaupun debit air dipertahankan konstan. Pada gambar 11 ditunjukkan kurva pembebanan menggunakan generator dc.
Gambar 11. Kurva Torsi vs Kecepatan Putar
Ketika tanpa beban, kecepatan putar mencapai 600 rpm, tapi ketika dibebani, putaran menjadi berkurang sangat drastis. Pengurangan kecepatan putar turbin ini tidak disertai dengan naiknya torsi, tapi justru sebaliknya. Kecepatan putaran turun disertai dengan turunnya torsi, artinya debit air juga tturun. Seperti halnya pada sebuah enginee, jika putaran turun mesin tidak bisa menghisap bahan bakar lebih banya, sehingga daya juga akan turun. Pada turbin ini, jika putaran turun, tidak bisa menambah debit air sehingga daya turun. Salah satu cara untuk menambah debit air adalah dengan menambahkan ketinggian terjun air akan memiliki tekanan hidrostatis yang lebih besar. Dari kurva pada gambar 11, dapat diamati bahwa jatuhnya kecepatan putar dibatasi pada kisaran di dekat 75 % dari kecepatan putar tanpa beban.
Pengaturan sudut sudu 75o mempunyai kasus simetri dengan sudut sudu 45o. Jika pada sudut sudu 45o, aliran air dilewatkan begitu saja dengan konversi enersi yang rendah, sebaliknya untuk sudut sudu 75o, aliran air ditahan sehingga menghasilkan putaran yang rendah dengan torsi yang rendah, sehingga total dayanya lebih rendah dibanding dengan kondisi sudut sudu 60o. Pada putaran generator 261 rpm menghasilkan daya sebesar 5,5 watt, dan pada kecepatan putar generator 166 rpm menghasilkan daya sekitar 2,3 watt. Ini berbeda jika dibandingkan dengan sudut sudu, yaitu menghasilkan putaran 346 rpm dengan daya sebesar 6 watt pada debit air yang sama. Dari sini dapat disimpulkan bahwa sudut sudu yang paling tepat dengan efisiensi tertinggi adalah pada sudut sudu 60o. Perlu dicatat bahwa pengujian yang telah dilakukan di atas adalah pada debit air rata-rata yang sama dengan ketinggian terjun air yang berubah yang disebabkan oleh perubahan sudut sudu. Kecepatan Putar (rpm) T o rs i
IV. SIMPULAN
1) Pada sudut sudu 60o memiliki torsi/daya output yang paling besar dibandingkan dengan sudut sudu 45o dan 75o pada ketinggian terjun air dan debit air yang konstan.
2) Untuk menjaga efisiensi yang tetap tinggi dan kecepatan putaran yang memadai seharusnya penambahan sudut sudut diikuti dengan penambahan ketinggian terjun air. Untuk menjaga agar mempunyai efisiensi yang tetap tinggi sebaiknya jatuh kecepatan putar berbeban tidak lebih dari 75 % kecepatan putar tanpa beban.
3) Penurunan kecepatan putar turbin diakibatkan oleh peembebanan justru menyebabkan penurunan torsi, bukan sebaliknya.
4) Masih diperlukan pengontrol kecepatan putar jika diinginkan memiliki stabilitas putaran yang baik. Cara dengan menyisakan debit air sebagai umpan balik dalam pengendalian kecepatan putar pada kondisi perubahan beban harus memiliki kecepatan perubahan level terjun air yang tepat.
Implikasi
Volume pada sisi intake yang besar menyebabkan ketinggin terjun air menjadi konstan, Volume yang lebih rendah akan meyebabkan level air mudah berubah, sehingga meenjadi umpan balik ketika beban berubah. Karena itu perlu diuji kestabilan putaran turbin sebagai akibatpengaruh umpan-balik tinggi terjun air yang diakibatkan pembebanan pada generator.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima-kasih kepada Ristek DIKTI sebagai penyedia dana, kepada Direktur dan UPT P2M Politeknik Negeri Malang yang telah memberi kesempatan kepada kami, dan pimpinan wisata Sumberawan yang telah menyediakan lokasi sehingga terlaksananya penelitian ini.
REFERENSI
[1] Bachtiar A.N., Jauhar, Gamindra, 2015, “Rancang Bangun Kincir Air Sistem Knock Down Untuk Pemenuhan Energi Listrik Bagi Mayarakat Terisolir Di Sumatera Barat”, Jurnal Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Industri (STTIND), Padang, Indonesia, 5(2): 88-96. [2] Firdausy W.N., Utomo T., Hasanah R.N., 2016, “Analisis Modul
Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro Portabel Berkapasitas 1 kW Dengan Menggunakan Turbin Air”, Jurnal Mahasiswa TEUB, Malang, Indonesia, 4(1):
[3] Nugraha, I.N.E., Waluyo, Syahrial, 2013, “Penerapan dan Analisis Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro dengan Turbin Propeller Open Flume TC 60 dan Generator Sinkron Satu Fasa 100 VA di UPI Bandung”, Jurnal Online Institut Teknologi Nasional, Institut Teknologi Nasional (ITENAS), Bandung, Indonesia, 1(4):328-338.
[4] Siregar A., Syukri M., Sara I.D., Syahrizal, dan Gapy M, 2015, “Rancang Bangun Prototipe PLTPH Menggunakan Turbin Open Flume, Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2015”, 23 - 24 November 2015, Banda Aceh, Indonesia. Hal. 66 -71.
[5] Sukamta S., Kusmantoro A., 2013; “Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Jantur Tabalas Kalimantan Timur”, Jurnal Teknik Elektro, Semarang, Indonesia 5(2): 58-03.
[6] Syukri M., Halid R., Sukma H., 2012, “Rancangbangun Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro Sistem Terapung, Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2012”, 12-14 November 2012, Banda Aceh, Indonesia, Hal. A63 – A70.
[7] Yulianto, Tarmukan, Bambang Priyadi, 2017, “Implementasi Turbin Rotor Sekrup Untuk Aliran Datar”, Prosiding Seminar Teknologi Elektro Terapan 1 (Jurusan Teknik Elektro … vol. , 2017
[8] Zulkiffli Saleh, M. Fauzan Syafitra, 2016, “Analisis Perbandingan Daya Pada Saluran Pembawa Untuk Suplai Turbin Ulir Archimides”, Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) .
