PIKOHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN
TIPE ROTOR SEKRUP PARSIAL
Yulianto1) Bambang Priyadi2)
Tarmukan3)
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang 1)
yulianto_poltek@yahoo.com
2)
priyadi_bebeng@yahoo.co.id
3)
tarmukantar@yahoo.com
Abstrak
Untuk meningkatkan daya guna sumber energi terjun air pada aliran datar yang tersedia cukup banyak, perlu dikembangkan alat konversi energi berupa turbin dan generator. Sepasang perangkat ini berfungsi untuk mengubah energi potensial air menjadi energi listrik. Untuk itu, perlu adanya perancangan turbin yang efektif dan efisien jika diterapkan pada aliran datar. Perancangan yang telah dibuat berupa turbin sekrup yaitu turbin dengan rotor berbentuk sekrup unik dimasukkan dalam sebuah pipa pesat unik sehingga dapat mengkonversi sebagian besar energi terjun air menjadi energi mekanik secara efektif.
Pada penelitian ini dilakukan rancang bangun dan pengujian turbin sekrup yang digunakan untuk memutar generator arus searah sehingga menghasilkan listrik. Yang menjadi variabel penelitian adalah karakteristik turbin meliputi sudut sudu, kecepatan putar, dan torsi. Pengujian dilakukan dengan mengubah sudut sudu 45o, 60o, dan 75o untuk kondisi tanpa beban dan berbeban dengan debit aliran konstan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada sudut sudu rendah (45o) diperoleh putaran dan torsi lebih rendah, demikian juga pada sudut sudu yang terlalu besar (75o). Hasil yang paling baik diperoleh pada sudut sudu 60o. Kelemahan turbin ini yaitu jatuhnya kecepatan putar akibat pembebanan tidak diimbangi dengan naiknya torsi, tapi sebaliknya yaitu justru mengakibatkan jatuhnya torsi. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa pembebanan sebaiknya tidak menyebabkan jatuhnya kecepatan putar sampai dibawah 50 % putaran tanpa beban agar diperoleh daya output optimal.
2
Abstract
In order to increase the efficiency of energy sources plunging water on the available flat flow, there is a need to develop an energy conversion tool in the form of a turbine and generator. This pair of devices serves to convert the potential energy of water into electrical energy. For this reason, it is necessary to design turbines that are effective and efficient if applied to flat flow. The design that has been made in the form of a screw turbine is a turbine with a unique screw-shaped rotor inserted in a unique rapid pipe so that it can convert most of the waterfall energy into mechanical energy effectively.
In this research, the design and testing of screw turbines are used to rotate direct current generators to produce electricity. The research variables are turbine characteristics including blade angle, rotational speed, and torque. The test is carried out by changing the blade angle of 45o, 60o, and 75o for no-load and load conditions with a constant flow rate.
The test results show that at a low blade angle (45o) a lower rotation and torque is obtained, as well as the angle of the blade that is too large (75o). The best results are obtained at the angle of the 60o blade. The disadvantage of this turbine is that the fall in rotational speed due to loading is not matched by an increase in torque, but on the contrary, it results in a fall in torque. From the test results show that loading should not cause a fall in the rotating speed to below 50% of the load without load in order to obtain optimal output power.
Keywords: pycohydro, screw turbine, partial, streamline flow.
1. PENDAHULUAN
ketinggian terjun air rendah (kurang dari 5 meter), ASG memiliki potensial terbesar dibandingkan jenis lainnya [1]. Parameter ASG yang berpengaruh terhadap hasilnya adalah diameter luar dan dalam dari ulir, kemiringan, jarak ulir, dan kondisi masukan dan keluaran. Disamping ketinggian terjuan air itu sendiri. Turbin Archimedes screw merupakan jenis turbin yang bekerja pada laju aliran air yang rendah dan dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik level mikro. Keccepatan putar maksimum poros turbin di capai jika turbin pada elevasi sudut 30o [1]. Tekanan maksimum terjadi pada inlet turbin dengan satu sudu dan laju aliran pada sitem turbin Archimedes berbanding terbalik terhadap jumlah sudu. Semakin banyak jumlah sudu yang dimiliki turbin maka semakin berkurang laju aliran yang dihasilkan [2]. Kecepatan putar turbin screw tergantung pada jarak pitch, juga gesekanan yang terjadi antara air dan permukaan sudu [3].
Dalam artikel ini ditawarkan jenis turbin yang dapat digunakan pada aliran datar dengan efisiensi yang baik, karena seluruh aliran air diumpankan ke turbin. Jenis turbin ini dinamakan turbin rotor sekrup parsial, yaitu sebuah rotor bentuk sekrup dilengkapi dengan potongan sudu-sudu yang dapat diatur sudutnya dimasukkan dalam pipa pesat sebagai nozzle. Sisi depan pipa pesat berupa corong sebagai kolektor atau pengkondisi aliran, dan sisi belakang berupa nozzle untuk memperoleh torsi dan kecepatan putar yang optimal.
4
Untuk keperluan ini harus dirancang khusus bentuk turbin yang kemudian dinamakan turbin sekrup. Tujuan dari penelitian ini adalah rancang bangun turbin untuk pikohidro yang kompatibel dengan aliran datar. Turbin yang terdiri dari rotor berbentuk sekrup dimasukkan dalam pipa pesat atau nozzle. Bentuk unik turbin dan karakteristiknya yang akan menjadi temuan baru. Sudu yang panjang memiliki torsi total sepanjang sudu dan tidak ada energi yang terbuang percuma seperti halnya pada turbin lain. Turbin jenis ini sangat cocok diterapkan sebagai penggerak utama pada pembangkit listrik mikro/pikohidro (PLTM/PLTPH) dengan karakteristik aliran air datar (sungai-sungai/bukan air terjun) yang banyak dijumpai dan tersebar dari perkotaan sampai keseluruh pelosok. Di daerah tertentu yang telah terjangkau aliran listrik, PLTM/PLTPH dapat dikembangkan sebagai wisata mikrohidro atau juga sebagai saran pendidikan bagi khalayak.
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1 Ketersediaan Sumber Daya Air
Konsumsi energi di Indonesia selalu meningkat lebih dari 7 % per tahun[4,5]. Salah satu alternatif untuk mengatasinya adalah memanfaatkan energi terbarukan, salah satunya dengan memanfaatkan energi tenaga air yang jumlahnya sangat berlimpah. Indonesia memiliki lebih dari 6000 sungai besar. Sedangkan ketersediaan jumlah air permukaan rata-rata di Indonesia sebesar 88,3 ribu m3/s atau setara dengan 2,78 triliun m3/tahun [6]. Masalahnya adalah menentukan metoda agar sebagian pasokan air ini bisa dimanfaatkan untuk energi pembangkit listrik.
2.2 Turbin Pembangkit Listrik Skala Piko
Banyak model peralatan yang digunakan untuk konversi enersi kinetik atau potensial air menjadi enersi mekanik pada Pembangkit Listrik Tenaga Piko/Mikrohidro (PLTPH). Perangkat ini dinamakan turbin, dengan berbagai prinsip dan bentuk konstruksinya. Berikut ini beberapa macam turbin yang telah dipertimbangkan dalam perancangan turbin sekrup parsial.
Turbin propeller (gambar 1) dengan jumlah sudu sekitar 3-6 tersusun paralel, yang dipasang pada ujung pipa pesat. Untuk pengaturan kecepatan putar dan peningkatan efisiensi, turbin propeller telah dikembangkan dengan posisi sudu dapat diatur yang kemudian disebut turbin kaplan. Dari kedua tipe turbin
inilah telah diterapkan pada turbin Vortex, yang implementasinya
dipasang vertikal sehingga memiliki efisiensi yang baik.
Gambar 1. Turbin Propeller, Kaplan, dan Vortex
Turbin Turgo dan turbin Francis mengandalkan sudu-sudu yang dipasang paralel. Sudu-sudu dimasukkan dalam rumah sudu yang menyerupai pipa pesat. Daya tekan dan daya hisap enersi potensial/kinetik air dikonversi menjadi enersi mekanik dalam sudu-sudu tersebut. Kecepatan putar yang tinggi diperoleh dari jumlah sudu paralel yang banyak. Turbin Pelton, mempunyai
prinsip kerja pancaran dari nozzel membentur sudu.
Pada turbin Francis semua sudu terbenam air, air dialirkan kedalam rumah berbentuk ulir, pada sisi intake, enersi potensial
air digunakan untuk memberikan daya tekan dan pada sisi tail
6
untuk mengubah enersi potensial menjadi energi kinetik, juga untuk mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin digunakan
Nozzel. Debit bisa diatur dengan menggeser posisi jarum sudu. Bentuknya berupa pelek dengan sejumlah sudu berbentuk elipsoida di sekelilinnya.
Turbin yang paling sederhana adalah model kincir yaitu roda diputar oleh aliran air. Jenis ini memiliki efisiensi yang cukup tinggi disamping murah, sederhana, mudah dan juga tidak begitu berdampak pada lingkungan [2,7].
Jenis Archimedes screws pada gambar 3 adalah jenis turbin
dengan sudu-sudu berbentuk ulir yang panjang dimasukkan dalam
pipa. Turbin ini bukan teknologi yang paling efisien, tapi
sederhana, kuat, dan ramah ikan. Pada turbin ini, ikan dan puing-puing kecil bisa melewati tanpa menyebabkan kerusakan. Pada gambar 3, juga ditunjukkan turbin sekrup termodifikasi untuk menyesuaikan kondisi aliran sungai. Turbin ini terdiri dari rumah sebagi kolektor dan rumah sebagai nozzle. Pada sudu-sudu berupa ulir dilengkapi dengan pengkondisi pra aliran dan sudu pengatur kecepatan putar. Prioritas utama untuk mendapatkan enersi terletak pada debit aliran air disamping ketingggian terjun air.
Gambar 3. Turbin Ulir[8,9] dan Turbin Skerup[9]
3. METODE
Secara garis besar metode penelitian ini melalui rancang bangun turbin yang kompatibel dengan kondisi yang dibutuhkan, yaitu diperuntukkan pada sungai-sungai yang umumnya memiliki aliran datar (ketinggian terjun air yang rendah) tapi memiliki debit air yang cukup. Hasil rancang bangun turbin diuji-cobakan dilapangan untuk mengetahui unjuk kerjanya, meliputi kecepatan putar dan torsi yang dihasilkan pada debit konstan. Berikut ini langkah-langkah metodologi penelitian yang telah dilakukan.
3.1 Rancang Bangun Turbin
Turbin terdiri dari rotor berbentuk sekrup dengan diameter tertentu dilengkapi dengan sudu-sudu parsial yang dapat diatur sudut kemiringannya (45o,60o, dan 75o). Rotor dimasukkan dalam pipa pesat yang terdiri dari dua bagian, yaitu (1) sisi depan sebagi kolektor/ pengkondisi aliran dan (2) sisi belakang sebagai nozzle
untuk mendapatkan kecepatan aliran air yang memadai. Pada gambar 4 ditunjukkan sketsa hasil rancangan.
Gambar 4. Sketsa Turbin Hasil Rancangan
Realisasi turbin dibuat dengan spesifikasi mekanik seperti ditunjukkan pada tabel 1. Pada gambar 5 ditunjukkan bentuk fisik turbin yang telah dibuat.
8
Gambar 5. Bentuk Fisik dan Pembuatan Turbin
3.2 Sistem Diagram Blok Pengujian
Sistem perangkat uji-coba terdiri dari tiga bagian, yaitu: (1) turbin sebagai penggerak utama, (2) generator untuk konversi ke energi listrik, dan (3) beban untuk pengujian unjuk-kerja berbeban. Diagram blok sistem ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 6. Diagram Blok Pengujian
Penjelasan Diagram Blok Sistem
1) Beban Lampu, untuk mengetahui daya output dengan cara mengukur tegangan dan arus.
2) Beban Mekanik, untuk mengukur torsi statis yaitu torsi pada saat turbin ditahan sampai berhenti.
3) RPM Meter untuk mengukur kecepatan putar pada setiap perlakuan beban
BEBAN LAPU
TURBIN GENERATOR
BEBAN MEKANIK
Ket:
Beban lampu: untuk mengukur torsi dinamis.
Beban mekanik: untuk mengukur torsi statis
RPM METER
INSTAL TURBIN
3.3 Langkah-langkah Pengujian 3.3.1 Pengujian Torsi Dinamis
Pengujian dimulai dengan sudut sudu diatur pada 45o, debit air dipertahankan konstan, ditunggu beberapa saat dibiarkan turbin sampai berputar stabil, diukur besarnya kecepatan putar turbin, tegangan dan arus yang terjadi pada generator. Diulangi perlakuan ini tapi terlebih dahulu dipasang beban berupa lampu dengan nilai daya tertentu. Diulang lagi tapi terlebih dahulu menambah beban lampu dengan daya yang lebih besar. Demikian seterusnya sehingga sampai beban lebih atau tegangannya jatuh mendekati nol. Setiap perlakuan selalu diamati kondisi dan perubahan aliran air. Langkah berikutnya dilakukan dengan cara yang sama untuk memeperoleh data dengan sudut sudu 60o dan 75o.
3.3.2 Pengujian Torsi Statis
Turbin dibebani dengan pemberat berlengan yang dipasang pada pulley terkopel generator. Pemberat berlengan digeser menjauh dari poros turbin sampai turbin berhenti dalam kondisi setimbang. Perkalian antara pemberat dan panjang lengan merupakan torsi statis dari turbin. Langkah berikutnya dilakukan dengan cara yang sama untuk memeperoleh data dengan sudut sudu 60o dan 75o.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian dan Pengambilan Data
10
sudut sudu 75o, dalam kondisi generator tanpa beban dan berbeban.
Gambar 7. Pengujian Turbin
Pada tabel 2, ditunjukkan data yang diperoleh dalam pengujian mesin dalam tiga kondisi sudut sudu. Dalam pengambilan data ini banyak temuan-temuan yang semula belum dipahami dan bermunculan disini. Antara lain, pada pengujian sudut sudu 45o ternyata debit air yang tersedia hanya sampai pada level setengah (50 %) dari ketinggian turbin, berarti kecepatan aliran air cukup tinggi, tapi sebaliknya ternyata putaran turbin yang diperoleh sangat rendah demikian juga torsinya. Pada tahap berikutnya dilanjutkan pengujian pada sudut sudu 60o diperoleh hasil: putaran meningkat dan level air juga meningkat menjadi ¾ ketinggian turbin (sebut 75 %), ini berarti kecepatan aliran air menurun, tapi kecepatan turbin dan torsi justru meningkat. Dugaan awal untuk sudut sudu 75o pasti kecepatan putar turbin dan torsi akan meningkat lagi. Kenyatannya tidak benar, yang dihasilkan adalah level air penuh (100 %) atau kecepatan aliran menurun, diikuti dengan kecepatan putar dan torsi turbin juga menurun.
pada air kotor (tercampur butiran sampah atau kerakol), dalam kenyataanya tidak dapat kecuali air keruh (butiran halus, misalnya pasir halus).
Tabel 2 Data Hasil Pengujian
Sudut
4.2 Analisis dan Pembahasan
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 94,8 rpm, data ini menyerupai dengan hasil pengujian pada penelitian sebelumnya[9] 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 94,8 rpm dengan catatan lokasi yang sama (kemiringan dan debit yang sama).
12
sebesar 1500 rpm. Peningkatan kecepatan putar digunakan pulley
dengan diameter 11/16. Jadi jika kecepatan putar yang diperoleh sebesar 94,8 rpm, maka kecepatan putar turbin (16/11) x 94,8 = 139 rpm. Pada sudut sudu 45o ternyata tinggi jatuh air hanya separuh tinggi turbin. Ini menunjukkan bahwa pada debit yang sama, air mengalir dengan cepat tanpa diimbangi dengan kenaikan torsi sehingga dapat dikatakan banyak energi yang tidak dikonversi menjadi energi mekanik pada poros turbin. Dari pengujian ini, kecepatan putar turbin tidak memadai, 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 energi yang tidak di konversi menjadi energi mekanik pada poros turbin. Alasan-alasan diperoleh dari pengamatan, yaitu: (1) level air intake pada posisi terendah. Ini dapat dibuktikan dari kombinasi hasil pengamatan, yaitu: (1) putaran turbin rendah, (2) torsi rendah, dan (3) tegangan yang dihasilkan generator juga rendah. Nilai-nilai ini tidak dianalisis lebih lanjut karena terbukti sistem memiliki unjuk kerja yang kurang efisien.
Tabel 3. Data Hasil Pengujian pada Sudut Sudu 60o
No Variabel 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 dan torsi turbin menjadi lebih tinggi. Ini membuktikan adanya kenaikan efisiensi dalam konversi energi terjun air menjadi energi 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. Harapannya pada sudut sudu 75o akan mencapai target kecepatan putar, tapi kenyataannya justru sebaliknya. Kecepatan putar 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 dari 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, seharusnya perbandingan pulley dengan rasio 6,67.
14
putar disertai dengan turunnya torsi (daya) walaupun debit air dipertahankan konstan. Pada gambar 8 ditunjukkan kurva pembebanan menggunakan generator dc.
Gambar 8. 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 turun. Seperti halnya pada sebuah enginee, jika putaran turun mesin tidak bisa menghisap bahan bakar lebih banyak, 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 50 % 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 energi yang rendah, sebaliknya untuk sudut sudu 75o, aliran air ditahan sehingga menghasilkan putaran dan torsi yang rendah, sehingga total dayanya lebih rendah dibanding dengan kondisi sudut sudu 60o. Pada putaran generator
T
or
si
261 rpm menghasilkan daya 5,5 watt, dan pada kecepatan putar generator 166 rpm menghasilkan daya sekitar 2,3 watt. Ini berbeda jika dibandingkan dengan sudut sudu 60o, yaitu menghasilkan putaran 346 rpm dengan daya sebesar 6 watt pada debit air yang sama. Besar daya ini bukan kapasitas turbin, tapi daya pengujian untuk mendapatkan karakteristik turbin secara mudah. 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. Disamping itu pengujian dilakukan pada level air yang rendah.
5. PENUTUP
16
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 menyediakan lokasi sehingga terlaksananya penelitian ini.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1] A. Shappy, P. Knapp, J. Mullowney, C. Delaney, 2013, Optimization of an Archimedean Screw, Saint Michael’s College
[2] 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, STTI, Padang, Indonesia, 5(2): 88-96.
[3] C. Rorres, 2000, The Turn of The Screw Optimal Design of an Archimedes Screw, Journal of Hydraulic Engineering, p. 72-80.
[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] Radhika, Rendy Firmansyah, Waluyo Hatmoko, “ Perhitungan Ketersediaan Air Permukaan Di Indonesia Berdasarkan Data Satelit’, Jurnal Sumber Daya Air, 2017.
[6] Sukamta S., Kusmantoro A., 2013; “Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Jantur Tabalas Kalimantan Timur”, Jurnal Teknik Elektro, Semarang, Indonesia 5(2): 58-03.
[7] 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. [8] Zulkiffli Saleh, M. Fauzan Syafitra, 2016, “Analisis
Turbin Ulir Archimides”, Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) .
