RANCANG BANGUN PROTOTIPE
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKO
HYDRO DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN
ULIR
T. Mirzan Syahputra
#1, Mahdi Syukri
#2, Ira Devi Sara
#3 *Jurusan Teknik Elektro, Fakultas teknik Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syech Abdul Rauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh 23111 Indonesiateukumirzan92@gmail.com mahdisyukri@unsyiah.ac.id
ira.d.sara@unsyiah.ac.id
Abstrak— Tingkat konsumsi energi listrik dalam negeri
meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi Indonesia khususnya di Aceh. Namun kondisi ini belum diimbangi dengan ketersediaan infrastruktur pembangkit listrik sehingga sering kali terjadi defisit listrik di berbagai daerah di Indonesia yang dapat mengganggu kegiatan ekonomi maupun industri. Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hiydro (PLTPH) dimanfaaatkan untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Rancangan prototipe PLTPH ini dimulai dengan pengujian turbin ulir sebagai penggerak generator dengan variasi kemiringan sudut turbin dan debit air yang bervariasi juga dari 0,0246 m3/s sampai 0,0755 m3/s. Kemudian dari pengujian tersebut dilakukan simulasi dengan menggunakan motor DC yang putarannya di sesuaikan dengan turbin yaitu mencapai 245 rpm. Dengan perhitungan dan simulasi pembangkit listrik tenaga piko hydro ini mampu menghasilkan tegangan sebesar 45 V dan daya yang didapatkan adalah berdasarkan perhitungan yaitu 66,4 W dan efisiensi keseluruhan sebesar 21,4% .
Kata Kunci
—
Piko Hiydro, Archimedes screw turbin, motor, generator, PLTPH.I. PENDAHULUAN
Salah satu opsi dalam pengembangan sektor energi adalah pemanfaatan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) dan Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTPH) untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Pembangunan PLTM dan PLTPH tidak memerlukan relokasi tempat tinggal masyarakat setempat akibat pembuatan bendungan atau waduk. Lebih jauh, pemanfaatan PLTM dan PLTPH diharapkan dapat menyediakan tenaga listrik yang murah dan ramah lingkungan serta dapat berdampak pada kesadaran masyarakat untuk melestarikan hutan sebagai penjaga kelestarian sumber daya air.
Rancang bangun instalasi ini diharapkan menjadi salah satu alternatif yang ekonomis untuk pembangkit listrik
tenaga air piko hidro dengan menggunakan turbin ulir sebagai penggerak generator.
Adapun tujuan dari penulisan ini adalah untuk memanfaatkan potensi energi air yang terbatas sehingga mampu menghasilkan energi listrik melalui perancangan prototipe PLTPH menggunakan turbin ulir.
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah merancang prototipe pembangkit listrik tenaga piko hidro dengan menggunakan turbin ulir sebagai penggerak generator, dengan ini juga melakukan pemilihan generator yang tepat dengan karakter turbin ulir tersebut sehingga dapat dilihat efisiensi dan keluaran daya yang maksimal. Disini tidak membahas mengenai pengontrolan piko hydro
II. DASAR TEORI
Pembangkit pikohydro merupakan pembangkit listrik yang menghasilkan keluaran daya listrik tidak lebih dari 5 kW. Pembangkit ini memiliki beberapa keunggulan, seperti :
Biaya pembuatannya relatif murah.
Bahan-bahan pembuatannya mudah ditemukan di pasaran.
Ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan bakar fosil.
Pembangunannya dapat dipadukan dengan
pembangunan jaringan irigasi.
Perkembangan teknologinya relatif masih sedikit, sehingga cocok digunakan dalam jangka waktu yang lama.
Tidak membutuhkan perawatan yang rumit dan dapat digunakan cukup lama.
Ukurannya yang kecil, cocok digunakan untuk daerah pedesaan yang belum terjangkau jaringan aliran listrik PLN
A. Debit
Dalam menentukan bentuk turbin, debit sangat diperlukan untuk mengetahui luas penampang saluran air yang masuk ke dalam turbin tersebut, dimana luas penampang dari saluran air yang masuk ke dalam turbin tergantung dari aliran air. Hal tersebut sesuai dengan persamaan kontinuitas Q = A . V Aliran fluida yang dialirkan pasti akan memiliki kecepatan aliran tertentu, hubungan kecepatan aliran dengan debit dan luas penampang dapat dituliskan dalam persamaan dibawah:
(2.1) dimana :
Q = Debit air, m3/s V = Kecepatan air, m/s A = Luas penampang, m2
1) Prinsip Pembangkitan Tenaga Air : Pembangkitan tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan rumus berikut :
(2.2) dimana :
P = daya keluaran secara teoritis (watt) ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
Q = debit air (m3/s) h = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s2)
Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya yang keluar secara teoritis. Sebagaimana dapat dipahami dari rumus tersebut di atas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air, oleh karena itu berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis.
B. Prinsip Pembangkitan Listrik Tenaga Air Piko hydro
Pembangkit listrik tenaga air skala piko pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik.
Pada saluran irigasi ini terdapat penyaringan sampah untuk menyaring kotoran yang mengambang diatas air, kolam pengendap untuk mengendapkan kotoran, saluran pembuangan untuk membuang kelebihan air yang mengalir melalui saluran akibat banjir melalui pintu saluran pembuangan. Akhir dari saluran ini adalah sebuah kolam penenang (forebay tank) yang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin.
Gambar 1. Proses System PLTA skala piko hydro
C. Turbin Air
Turbin air adalah suatu alat yang mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi air yang meliputi energi potensial termasuk komponen tekanan dan kecepatan aliran air yang terkandung didalamnya merubah menjadi energi kinetik untuk memutar turbin. Prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi
1) Turbin Archimedes screw: Archimedes screw adalah
jenis ulir yang telah di kenal sejak zaman kuno dan telah di gunakan sebagai pompa untuk pengairan untuk taman bergantung di BabIlonia. Seiring dari krisisnya energi yang terjadi di dunia serta terbatasnya potensi sumber energi air yang memiliki head tinggi, maka pada tahun 2007 yang lalu, seorang insyinyur mengemukakan idenya bahwa jika pompa ulir berputar terbalik dan membiarkan air mengendalikan pompa kemudaian di atas pompa tersebut di pasang sebuah generator maka listrik akan dapat di hasilkan sepanjang generator tersebut tidak terkena air atau basah. Jadi pada prinsipnya, turbin ulir merupakan pembalikan dari fungsi turbin ulir itu sendiri. Bagaimana pun Archimedes Screw sudah ada selama beberapa dekade sebagai pompa dimana telah dipasang puluhan ribu di seluruh dunia. Secara hitoris Archimedes Screw digunakan dalam irigasi untuk mengangkat air ke tingkat yang lebih tinggi. Ketika digunakan sebagai turbin air prinsipnya tetap sama, hanya saja prinsipnya terbalik. Air memasuki ulir di bagian atas dan berat air mendorong ulir turbin yang berbentuk heliks yang menghasilkan putaran. Archimedes Screw dapat bekerja pada head 1 meter, dan tidak umum digunakan pada head kurang dari 1,5 meter karena alasan ekonomi dan teknis. Archimedes Screw biasanya di tetapkan pada kemiringan 22o
dari horizontal, yang merupakan optimum untuk instalasi yang hemat biaya.[4]
Gambar 2 Geometri spiral yang digunakan Archimedes screw turbin Persamaan yang digunakan untuk daya mekanik turbin :
Pin turbin = (2.3)
Pout turbin = (2.4)
Prea= (2.5)
Keterangan :
Pin turbin : Daya masukan ke turbin (KW) Pout turbin : Daya keluaran dari turbin (KW) Preal : Daya sebenarnya yang dihasilkan
: Massa jenis fluida (kg / m3)
Q : Debit air ( m3/s)
h : ketinggian efektif
D. Generator
Generator merupakan salah satu mesin listrik yang mengubah energi gerak atau mekanik menjadi energi listrik. generator terdiri dari generator sinkron dan generator asinkron. Secara umum, generator yang digunakan untuk menghasilkan listrik berjenis generator sinkron. Berdasarkan fluks magnet yang dihasilkan, generator sinkron magnet permanen terbagi menjadi dua, yaitu :
Generator magnet permanen dengan fluks radial / Generator MPFR (Radial Flux Permanent Magnet
Generator)
Generator magnet permanen dengan fluks aksial / Generator MPFA (Axial Flux Permanent Magnet
Generator)
Untuk pembangkitan energi listrik skala kecil, generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu pilihan terbaik. Generator fluks aksial adalah salah satu jenis mesin
listrik yang dapat membangkitkan energi listrik dengan arah aliran fluks secara aksial. Generator ini biasa disebut dengan AFPM (Axial Flux Permanent Magnet) generator, karena generator ini membangkitkan medan magnet dari kutub magnet permanen yang terletak pada rotor sehingga tidak diperlukan pencatuan arus searah untuk membangkitkan garis – garis medan magnet. Generator ini dapat mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik yang menghasilkan arus bolak-balik yang terdiri dari stator dan rotor dengan memiliki arah aliran fluks yang memotong stator secara aksial.
Prinsip kerja generator dalam mengkonversi energi mekanik menjadi energy listrik adalah berdasarkan hukum Faraday. Hasil penelitian Faraday menunjukkan bahwa apabila seutas kawat ataupun kumparan konduktor berada dalam medan magnet yang berubah terhadap waktu, maka pada ujung-ujung kawat ataupun kumparan konduktor tersebut akan timbul tegangan atau gaya gerak listrik (ggl) induksi. Besarnya tegangan atau ggl induksi dapat dihitung pada persamaan berikut :
Erms = = x N x f x Φmax x (2.7)
Keterangan :
Erms : Tegangan induksi (V) N : Jumlah lilitan per kumparan
f : Frekuensi (Hz)
Φmax : Fluks magnet (Wb)
Ns : Jumlah kumparan
Np : Jumlah fasa
Untuk menghitung frekuensi, digunakan persamaan :
f = (2.8)
Keterangan :
f : Frekuensi (Hz)
n : kecepatan mekanik
p : jumlah kutub
Daya dapat dihitung menggunakan persamaan :
P = V I cosⱷ (2.6)
Keterangan :
P : Daya aktif (W)
V : Tegangan (V)
I : Arus (A)
E. Hubungan antara horse power, torsi, dan kecepatan pada motor
Persamaan yang digunakan adalah :
(2.11)
(2.13) dimana :
HP : Daya kuda motor (764W) T : Torsi motor (torque) N : kecepatan putar motor (rpm) 5250 : Kostanta
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Metode penelitian
Tahapan – tahapan penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut :
Gambar 3 Tahapan Penelitian
B. Studi Literatur
Tahapan studi literatur merupakan tahapan untuk mencari dan mempelajari referensi atau mendapatkan informasi tentang hal-hal yang berhubungan dengan kegiatan tugas akhir. Salah satu diantaranya adalah mempelajari pembangkit listrik tenaga Piko Hidro. Dengan mempelajari studi literatur diharapkan mampu untuk melakukan penelitian dengan baik.
C. Bahan Penelitian
Adapun bahan dalam penelitian ini yang mendapatkan perlakuan khusus adalah turbin dan generator, dimana dalam
penilitan ini kedua alat ini yang berperan penting untuk menentukan output yang dihasilkan. Dalam perancangan PLTP ini yang perlu diperhatikan yaitu karakter turbin dan generator yang seusai spesifikasi nya dari mulai putaran RPM, torsi sampai keluaran daya yang dihasilkan
D. Pengujian
Pengujian dilakukan dengan melakukan pengambilan data periode air dan kemiringan turbin ulir. sebagai acuan dalam pembuatan prototipe PLTP menggunakan turbin ulir dan melakukan simulasi dengan menggunakan motor DC sebagai turbin. Kemudian dilakukan pengujian generator dengan mengukur nilai tegangan , daya dan kecepatan. Kemudian melihat torsi yang diperoleh turbin terhadap generator.
E. Analisis Hasil
Setelah dilakukan pencarian dan pengumpulan data, kemudian perancangan prototipe untuk kemudian dilakukan pengujian dan perhitungan,, maka selanjutnya akan dilakukan analisis. Analisa ini dilakukan untuk melihat hubungan daya keluaran dari alternator dengan debit air pada turbin ulir.
F. Mekanisme Pengujian
Dilakukan perancangan prototipe PLTPH, dengan menggunakan turbin ulir Berdasarkan persamaan pembangkitan tenaga air:
(2.14)
Gambar 4 Skema rangkaian Turbin Ulir [9]. Keterangan gambar:
1. Bearing 2. Rangka alat
3. Pengatur kemiringan (menggunakan clamp C) 4. Blade (sudu ulir)
5. Poros dalam (Di) 6. Casing turbin (bentuk U) Mulai
Penentuan daya mekanik turbin ulir yang digunakan dalam penelitian
Siumulasi putaran turbin ulir yang menggunakan motor DC
Pemilihan generator DC
Pengujian
Hitung hasil keluaran daya
kesimpulan
7. Corong air untuk mengurangi turbulensi air ketika menumbuk poros dalam
8. Karet penahan kebocoran fluida pada sambungan flume dengan casing
9. Puli untuk pengujian torsi 10. Poros utama
11. Sekat penenang laju aliran fluida untuk mengurangi turbulensi air
12. Open channel flume
13. Dudukan open channel flueme
1) Perancangan Prototipe PLTPH menggunakan turbin ulir berdasarkan Persamaan : Perancangan prototipe
PLTPH menggunakan turbin ulir berdasarkan persamaan dasar pada persamaan. Berdasarkan hubungan daya dan debit air, maka diperoleh persamaan Pin turbin, Pout turbin dan juga menentukan Preal. Perancangan prototipe PLTPH menggunakan turbin ulir ini bekerja berdasarkan kapasitas aliran air (m3/s) yang memutar turbin ulir , disini juga memiliki nilai massa jenis fluida (kg/m3) yang telah didapatkan dari perancangan turbin, maka pada turbin ini akan dilihat kapastitas daya yang dihasilkan.
2) Pengujian putaran turbin ulir dengan variasi sudut kemiringan : Pengujian putaran turbin adalah untuk melihat
hubungan putaran dan kapasitas aliran air pada turbin, sehingga dari nilai kapasitas aliran tersebut dapat diketahui daya yang dihasilkan dari kapasitas aliran pada turbin. Dalam pengujian ini yaitu dengan memberikan debit air pada turbin dengan variasi kemiringan turbin yaitu 260, 280, dan 300. Dari setiap sudut kemiringan tersebut diberikan 4 variasi debit ait ( m3/s) yaitu Q1, Q2, Q3, dan Q4. Sehingga dapat diketahui variasi putaran rpm turbin ulir tersebut.
3) Simulasi pengujian terhadap generator dengan menggunakan motor DC sebagai turbin : Pada penelitian ini
juga dilakukan simulasi pengujian terhadap generator dengan menggunakan motor DC sebagai turbin atau sebagai penggerak generator uji. Pengujian ini dilakukan di Lab Energi Listrik, Elektro, UNSYIAH. motor DC ini memiliki putaran yang disesuaikan dengan kebutuhan turbin dan disupply oleh listrik DC. Maka pada motor DC ini disesuakan putaran RPM sesuai dengan yang sebenarnya untuk melihat keluaran generator.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini hasil yang didapatkan adalah berupa data hasil pengamatan lapangan dan simulasi. Data hasil pengamatan lapangan yaitu pengukuran ketinggian Head dan debit air yang mengalir. Kemudian diperoleh hasil dari simulasi menggunakan perangkat pada lab energi listrik. Diakhir penelitian data pengujian yang di ambil potensi energi air, potensi energi listrik, dan pengujian tegangan yang dihasilkan oleh prototipe.
A. Data Awal
1) Data perancangan
Head Turbin : 1 m
Kecepatan aliran : 2,054 m/s
Perencanaan Kapasitas aliran : Q = m3/s
Turbin yang digunakan adalah:
Gambar 5 Turbin Arcimedes Screw (turbin ulir) Spesifikasi turbin yaitu :
Jenis Turbin : Turbin Screw Head Turbin : 1 m Kecepatan aliran: 2,054 m/s Kapasitas aliran Q1 : 0,0246m3/s Kapasitas aliran Q2 : 0,0433 m3/s Kapasitas aliran Q3 : m3/s Kapasitas aliran Q4 : 0.0755 m3/s Panjang turbin : 1 m Jarak Pitch : 0,132 m B. Daya Air
Turbin yang diputar oleh air berubah dari energi kinetik menjadi energi mekanis. Untuk mengetahui berapa besarnya daya air yang akan memutar turbin, maka dapat dihitung menggunakan persamaan (2.3).
Analisa daya sementara berdasakan kapasitas aliran Pw =
Pw = Pw =
C. Daya Listrik Dari Turbin Berdasarkan Varisasi Kapasitas Aliran
TABLE I
HUBUNGAN DAYA DAN LAJU ALIRAN
No Laju aliran Kapasitas air m3/s Daya Mekanik Turbin (watt) 1 0,0246 120,5 2 0,0433 212 3 0,0633 310 4 0,0755 369
Gambar 6 Grafik kapasitas aliran (m3/s) terhadap daya (watt)
D. Hasil Simulasi pengujian Putaran generator Menggunakan motor DC sebagai turbin
Pada Simulasi ini dilakukan berdasarkan data tabel kapasitas aliran terhadap putaran turbin (rpm). Maka disni di ambil nilai tertinggi. Yaitu dari tabel 4.3 pada sudu peletakan turbin 300 kapasitas aliran Q4, yaitu putaran 91 rpm. Disini diatur putaran motor DC dengan mengatur tegangan input motor DC.
Gambar 7 Simulasi pengujian generator
TABLE II
HUBUNGAN PENGUJIAN SIMULASI GENERATOR
E. Daya Output Keluaran Generator
Daya keluaran generator adalah:
sehingga efisiensi dari perancangan PLTPH ini adalah : Efisiensi =
Efisiensi Efisiensi
V. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Pada penelitian ini dilakukan pengujian turbin ulir dengan 4 variasi debit air dan 3 variasi kemiringan, maka dari hasil pengujian tersebut didapatkan nilai paling maksimal terhadap kerja turbin yaitu pada debit 0,0433 m3/s dan kemiringan turbin pada 300. Sehingga didapatkan putaran murni turbin yaitu 91 rpm.
2. Putaran turbin ditingkatkan menggunakan pulley dengan rasio 5:1. Sehingga didapatkan peningkatan putaran generator sebesar 154 rpm, yaitu dari 91 rpm menjadi 245 rpm. Maka dari hasil putaran tersebut terhadap generator DC didapatkan nilai tegangan dari generator yaitu sebesar 45V, dan hasil perhitungan daya adalah 66,4W, maka efisiensi dari turbin ini yaitu 21,4 %.
UCAPAN TERIMA KASIH
Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Mahdi Syukri, S.T., M.T. selaku pembimbing I, dan Ibu Dr.Ira Devi Sara S.T.,M.Eng.Sc selaku pembimbing II yang telah membimbing penulis dalam penulisan karya ilmiah ini.
REFERENSI
[1] Sularso & Kiyokatsu Suga., 1987, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Edisi Keenam, Pradnya Paramita, Jakarta. [2] Rorres, C., 1998, The Turn of the Screw: Optimal Design of An
Archimedes Screw, Journal of Hydraulic Engineering, Philadelphia.
No Putaran motor DC Putaran generator Output tegangan generator 1 91 rpm 240 rpm 34 V 2 94 rpm 246 rpm 37 V
[3] A.steriopoulu, V.stergiopoulos and E. Kalkani, 2013, An eagle’s CFD
view of Studying Innovative Archimedean Screw Renewable Hydraulic Enegy Systems
[4] P. Putra S, “Perancangan instalasi pembangkit listrik tenaga piko hidro menggunakan popma sentrifunggal sebagai turbin”, Skripsi Teknik Mesin, USU, Medan, 2011
[5] Sukma Harry. 2012. “Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga
Pikohidro Sistem Terapung”, Banda Aceh, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Unsyiah.
[6] Meisen, Peter. 2009. Ocean Energy Technologies for Renewable Energy Generation. Research Associate
[7] Pembangkit Listrik Tenaga Air Provinsi Nangroe Aceh Darussalam. http://www.academia.edu/9701739/Daftar_pembangkit_listrik_di_Ind onesia
[8] Ritz-Atro Pumpweksbau Gmb, Archimedean Hydronamic.
[9] Peta Energi naisonal Provinsi Nanggroe Aceh Darussalam. http://www.djlpe.esdm.go.id/modules/_website/images/content/18782 333631.pdf
[10] Zuhri, Sarika. (2011). Rancang Bangun Turbin Propeller Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikohidro di Kuta Malaka Kabupaten Aceh Besar. Banda Aceh, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Unsyah
[11] Mahyuzal. (2013). Rancang Bangun Prototipe Pembangkit Listrik
Tenaga Pikohidro Untuk Beban DC. Banda Aceh, Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Unsyiah.
[12] Boyhaqi. (2014). Desain Prototipe PLTPH Menggunakan Generator Magnet Permanent Fluks Aksial Stator Ganda dan Turbin Crossflow. Banda Aceh, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Unsyiah. [13] Mahyuzal. (2013). Rancang Bangun Prototipe Pembangkit Listrik
Tenaga Pikohidro Untuk Beban DC. Banda Aceh, Jurusan Teknik
