Pengujian Sudu Rata Prototipe Turbin Air Terapung Pada Aliran Sungai

(1)

PENGUJIAN SUDU RATA PROTOTIPE TURBIN AIR

TERAPUNG PADA ALIRAN SUNGAI

SKRIPSI

Skripsi Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DANNY HARRI SIAHAAN

04 0401 013

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Sebagian besar negara di dunia termasuk Indonesia, suplay energi listrik

masih mengandalkan pembangkit berbahan bakar fosil yakni minyak bumi, gas alam

dan batu bara yang terbatas jumlahnya di alam dan suatu saat akan habis, sementara

permintaan akan energi listrik terus bertambah. Oleh karenanya pemanfaatan energi

pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada

di alam.

Berdasarkan pemikiran tersebut maka dilakukan pengujian prototipe turbin air

terapung pada aliran sungai. Pada pengujian prototipe ini dipergunakan alternator

sebagai penghasil listrik dan mengggunakan acci ( baterai basah) yang berfungsi

sebagai pemberi arus untuk memancing alternator dapat menghasilkan listrik

sekaligus sebagai penyimpan arus dan tegangan yang dihasilkan oleh altenator.

Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan

oleh turbin air terapung dengan memanfaatkan arus aliran sungai Namu Sira-Sira

yang terletak di Kecamatan Sei Bingai, Kabupaten Langkat.

Dari pengujian prototipe ini diperoleh arus listrik yang dihasilkan oleh

alternator adalah arus searah (DC) dengan daya sebesar 115 Watt, putaran alternator

sebesar 1030 rpm, dan beban puntir maksimum yang dialami poros alternator adalah

sebesar 108,77 kgmm. Arus yang dihasilkan tersebut dapat diubah menjadi arus

bolak-balik (AC) dengan menggunakan alat tertentu (misalnya inferter) sehingga

(3)

ABSTRACK

In mayority of states over the world including Indonesia, the electrical energy

supply still relies on a generator that moved by a turbine which the fuels are fosil like

kerosine, natural gas and coal of natural. These fuels are limited by quantity and will

be depleted over time, otherwise the demand of electrical energy increase

progressively. Thus the energy utilization nowadays has been on renewable energy

use in nature.

Based on logic, a test of floatng water turbine prototype in stream has been

made. This prototype testing used alternator as electrical generating and acci (battery)

functioning as current provider to induce the alternator to generate the electrical and

in the same time as current and voltage storaging generated by alternator.

The objective of this research would be to know the electrical power that

produced by the floating water turbine by using the blade that utilizes the stream of

Namu Sira-Sira river which located in Subdistrict of Sei-Bingai, District of Langkat.

The Prototype testing indicated that the electrical current generated by

alternator was Direct Current (DC) with the electical power was 115 Watt, the

alternator rotation was 1030 rpm, and the maximum torque experienced by the

alternator shaft was 108,77 kg-mm. The current that generated could be conversed to

alternating current (AC) by means of certain instument (e.g., inverter), and the it

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala

limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini

yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada berbagai pihak yang telah membantu dan mendukung penulis dalam

menyelesaikan skripsi ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Teristimewa kedua orang tua penulis yang tercinta, kakak, abang penulis yang

tersayang yang telah banyak berperan memberikan bantuan baik berupa moril

maupun materi selama perkuliahan sehingga tersusunya skripsi ini.

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku dosen pembimbing yang telah banyak

memberikan arahan dan bimbingan hingga selesainya skripsi ini.

3. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku koordinator lapangan selama pengujian

berlangsung serta selaku dosen pembanding pada skripsi ini.

4. Bapak Ir. Tulus Burhanuddin, ST, MT selaku dosen pembanding sekaligus

sekretaris Departemen Teknik Mesin yang telah menyediakan waktunya untuk

(5)

5. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin

yang telah memberikan izin untuk peminjaman alat ukur yang penulis

gunakan selama melakukan pengujian hingga penulisan skripsi ini selesai.

6. Kepada sahabat-sahabat penulis khususnya Jhony R.H Damanik, Zainal

Simatupang, dan Adileo Panjaitan serta seluruh stambuk 2004 yang telah

memberikan dukungan moril dan materi kepada penulis.

Penulis juga menyadari bahwa masih ada terdapat kekurangan pada

skripsi ini, oleh sebab itu penulis sangat berterima kasih kepada seluruh pihak yang

telah bersedia memberikan saran demi kesempurnaan skripsi ini.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga skripsi ini berguna bagi

kita semua.

Medan, 25 Februari 2009

Penulis

(6)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK/ ABSTRACT

KATA PENGANTAR

DAFTAR ISI

DAFTAR LAMBANG

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

BAB I. PENDAHULUAN

1. 1. Latar Belakang ... 1

1. 2. Tujuan Penulisan ... 3

1.3. Manfaat Pengujian ... 3

1.4. Metodologi Penulisan ... 3

1.5 Batasan Masalah ... 4

1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Potensi Energi Air ... 6

2.2. Mesin-Mesin Fluida... 8

2.3. Klasifikasi Kincir Air ... 9

2.4. Klasifikasi Turbin Air ... 13

2.5. Gaya Apung, Mengapung dan Kestabilan ... 21

BAB III. METODOLOGI PENGUJIAN 3.1. Waktu dan Tempat ... 24

3.2. Alat ... 24

3.3. Metode Pengumpulan Data ... 29

3.4. Metode Pengolahan Data ... 30

(7)

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1. Data Hasil Pengujian ... 33

4.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator di setiap

Pemberian Beban ... 35

4.3. Analisa Momen Puntir Pada Poros Alternator ... 41

4.4. Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi Keluar

Setelah Pengujian ... 44

4.5. Perhitungan Efesiensi Turbin dan Efesiensi Alternator ... 47

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ... 51

5.2. Saran ... 52

DAFTAR PUSTAKA

(8)

DAFTAR LAMBANG

Simbol Keterangan

ρ

Satuan

EP Energi potensial Joule

m Massa Kg

h Head ( ketinggian) m

g Percepatan gravitasi m/s2

t Waktu s (detik)

P Daya Watt

Q Kapasitas m3/s

Densitas (massa jenis) air Kg/m3

EK Energi kinetis Joule

v Kecepatan aliran m/s

A Luas penampang m2

I Arus listrik Ampere

V Tegangan listrik Volt

n Putaran rpm

MP Momen Puntir Kgmm

C Kecepatan absolut fluida m/s

U Kecepatan tangensial sudu m/s

W Kecepatan relative fluida terhadap sudu m/s

(9)

β Besar sudut antara W dan U ( 0)

(10)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Kincir air overshot 9

Gambar 2.2 Kincir air undershot 10

Gambar 2.3 Kincir air breastshot 11

Gambar 2.4 Kincir air tub 12

Gambar 2.5 Turbin Pelton 14

Gambar 2.5a Sudu turbin Pelton 15

Gambar 2.5b Nosel 15

Gambar 2.6 Sudu turbin Turgo dan nosel 16

Gambar 2.7 Turbin Crossflow 16

Gambar 2.8 Turbin Francis 18

Gambar 2.9 Sketsa Turbin Francis 18

Gambar 2.10 Turbin Kaplan 19

Gambar 2.11 Pembangkit listrik tenaga tidal terapung. 29

Gambar 3.1 Prototipe turbin air terapung beserta model penampang sudu rata 28

Gambar 3.2 Multitester 28

Gambar 3.3 Flowmeter 29

Gambar 3.4 Tachometer 29

(11)

Gambar 3.6 Rangkaian pengukuran tegangan listrik

( )

V ₁

tanpa beban lampu 31

Gambar 3.7 Rangkaian pengukuran arus listrik

( )

A dengan beban lampu 31 ₂ Gambar 3.8 Rangkaian pengukuran tegangan listrik

( )

V ₂

dengan beban lampu 31

Gambar 3.10 Diagram alir pengujian prototipe Turbin Air Terapung 32

Gambar 4.1 Pengambilan data kecepatan air masuk dengan flowmeter 33

Gambar 4.2 Analisa kecepatan pada sisi masuk 44

Gambar 4.3 Analisa kecepatan pada sisi keluar 45

(12)

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

Halaman

A. TABEL

Tabel 2.1. Pengelompokan turbin ………... 13

Tabel 4.1. Data hasil pengujian Turbin Air Terapung dengan

menggunakan sudu datar ... 37

Tabel 4.2 Data hasil pengujian prototipe turbin air terapung

dengan menggunakan sudu lengkung ... 40

Tabel 4.3 Hasil perhitungan Momen Puntir poros untuk

setiap pembebanan lampu ... 42

B. GRAFIK

Grafik 4.1 Perubahan daya pengisian (cas) ke baterai terhadap

penambahan beban lampu ... 38

Grafik 4.2 Perubahan putaran di poros alternator terhadap

penambahan beban lampu yang diuji ... 39

Grafik 4.3 Hubungan perubahan daya pengisian ke baterai

terhadap perubahan putaran alternator ... 39

Grafik 4.4. Perubahan momen puntir terhadap perubahan

(13)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, kebutuhan akan

energi semakin meningkat pula, sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat

penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Oleh karenanya

pemanfaatan energi secara tepat guna akan menjadi suatu cara yang ampuh dalam

perkembangan zaman tersebut.

Sebagian besar negara di dunia termasuk Indonesia, suplay energi listrik

masih mengandalkan pembangkit berbahan bakar fosil yakni minyak bumi, gas alam

dan batu bara yang terbatas jumlahnya di alam dan suatu saat akan habis, sementara

permintaan akan energi listrik terus bertambah. Oleh karenanya pemanfaatan energi

pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada

di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, panas bumi, dan nuklir.

Hal ini karena energi terbarukan ini cukup mudah didapat dan dapat didaur ulang bila

dibandingkan dengan energi fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Untuk

mendapatkan sumber energi fosil harus melalui berbagai proses dan susah

mendapatkannya, karena umumnya terdapat di permukaan bumi. Selain itu cadangan

sumber daya energi fosil mulai berkurang, karena sumber energi ini tidak dapat

diperbaharui.

Sumber-sumber energi yang dikenal dengan sumber energi terbarukan seperti

(14)

energi panas bumi, dan lain sebagainya. Semua energi tersebut telah memenuhi

kriteria sehingga dalam pemanfaatannya dapat menghemat penggunaan energi fosil

yang terbatas.

Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di negara kita

adalah pemanfaatan energi air dan apabila pemanfaatan energi tersebut dilakukan

secara meluas di seluruh wilayah Indonesia maka peluang untuk keluar dari krisis

listrik akan semakin besar mengingat bahwa terdapat banyak tempat-tempat yang

berpotensi untuk dimanfaatkan dan semuanya menyebar di seluruh pulau-pulau besar

yang ada di negara kita.

Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang

tinggi dan kondisi topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang

berpotensi untuk dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Potensi ini

sebagian besar tersebar di daerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak

penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk

mengembangkan pembangkit tenaga listrik.

Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang

dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun

energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir

air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.

Sejak awal abad 18 kincir air telah banyak dimanfaatkan sebagai penggerak

penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Sampai sekarang

(15)

1.2. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan dari pengujian ini adalah :

a. Untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh

dibangku kuliah terutama mata kuliah Sistem Pembangkit Tenaga dan

Mesin Fluida.

b. Untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin air

terapung dengan memanfaatkan arus aliran sungai Namu Sira-Sira yang

terletak di Kecamatan Sei Bingai, Kabupaten Langkat.

1.3 Manfaat Pengujian.

Adapun manfaat pengujian ini adalah Untuk memberikan informasi sebagai

referensi tambahan bagi kalangan dunia pendidikan yang ingin melakukan riset di

bidang konversi energi dalam modifikasi dan pengembangan turbin air.

1.4 Metodologi Penulisan

Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai

berikut :

1. Survey lapangan, berupa peninjauan ke lokasi dan diskusi dengan

pihak-pihak yang terkait.

2. Perencanaan serta pembuatan prototipe turbin air terapung dimana prototipe

ini yang nantinya akan di uji di lapangan untuk di analisa data hasil dari

(16)

3. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, studi internet, serta kajian-kajian

dari buku-buku dan tulisan yang berhubungan dengan pengujian ini.

4. Pengambilan data, berupa seluruh data dari hasil pengujian di lapangan yang

akan di analisa serta di lampirkan pada penulisan tugas akhir ini.

5. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, mengenai isi

perencanaan serta masalah-masalah yang timbul selama penyusunan tugas

sarjana.

1.5. Batasan Masalah

Dalam tulisan ini dibatasi perencanaan data yang diambil. Untuk pengambilan

data tersebut berasal dari data hasil pengujian dan pengamatan di lapangan.

Masalah-masalah yang dibahas dalam tulisan ini adalah :

Penentuan spesifikasi peralatan dan perlengkapan prototipe turbin air terapung yang

akan di uji di lapangan.

1. Penentuan bahan dan jenis yang digunakan pada prototipe turbin air terapung

yang akan di uji dilapangan.

2. Analisa kapasitas daya yang dihasilkan oleh prototipe turbin air terapung

setelah pengujian di aliran sungai Namu Sira-Sira terhadap kapasitas daya

yang di rencanakan semula.

3. Analisa daya pengujian prototipe dengan memberikan variasi beban lampu

4. Analisa grafik hasil pengujian prototipe turbin air terapung.

(17)

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini dibagi dalam beberapa bab, yaitu pada bab I

berisikan pendahuluan dimana bab ini menjelaskan latar belakang penulisan, tujuan

penulisan, metodologi penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah serta

sistematika penulisan. Selanjutnya pada bab 2 berisikan tinjauan pustaka yang

menjelaskan pembahasan materi mesin-mesin fluida serta klasifikasi turbin. Pada bab

3 berisikan data spesifikasi peralatan yang digunakan dimana pada bab ini dijelaskan

seluruh spesifikasi dari peralatan yang digunakan selama pengujian dilakukan. Pada

bab 4 berisikan perhitungan dan analisa hasil pengujian, dimana seluruh data

pengujian yang diperoleh akan dianalisa pada bab ini. Pada bab 5 berisikan tentang

kesimpulan dari seluruh perhitungan dan analisa data yang diperoleh dari pengujian

yang telah dilakukan.

Sementara semua literatur yang digunakan selama pengujian dan penulisan skripsi ini

akan didaftarkan pada daftar pustaka, serta seluruh gambar, tabel juga akan

dilampirkan pada daftar tabel dan gambar.

Sebagai lampiran dari skripsi ini, akan dilampirkan gambar penampang sudu rata

yang digunakan selama pengujian dan transaksi biaya pembuatan turbin air terapung.

(18)

BAB I I

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Potensi Energi Air

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena

pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air

mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud

energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan

dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air

terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan

sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada

besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah

beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir

air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan

energi potensial air yaitu :

mgh

E_P = ... (Lit.8 hal 10)

dengan :

EP adalah energi potensial air (Joule)

m adalah massa air

(19)

g adalah percepatan gravitasi













2

s

m

Daya merupakan energi tiap satuan waktu













t

E

, sehingga persamaan (1.1) dapat

dinyatakan sebagai :

gh

t

m

t

E

=

Dengan mensubsitusikan P terhadap













t

E

dan mensubsitusikan

ρ

Q

terhadap













t

m

maka :

Qgh

P

=

ρ

... (Lit.8 hal 12) dengan

P adalah daya (watt) yaitu

Q adalah kapasitas aliran









s

m

3

ρ

adalah densitas air













3

m

kg

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air rata. Dalam

hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

2 2 1

mv

EK = ... (Lit.8 hal 10)

(20)

E adalah energi kinetis air (Joule)

v adalah kecepatan aliran air













s

m

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

2

1

Qv

P

=

ρ

... (Lit.8 hal 13)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas

Q

=

Av

maka

3

2

1

Av

P

=

ρ

... (Lit.8 hal 14)

Dimana :

A adalah luas penampang aliran air

( )

m

2

2.2. Mesin – Mesin Fluida

Mesin–mesin fluida adalah mesin-mesin yang berfungsi untuk mengubah

energi mekanis menjadi energi fluida kerja (energi potensial dan energi kinetik) atau

sebaliknya. Secara umum mesin fluida dapat dibagi atas dua golongan utama, yaitu:

1 Mesin Kerja

Merupakan mesin fluida yang berfungsi mengubah energi mekanis menjadi

energi fluida, misalnya: Pompa, Kompresor, Blower, Fan, dan lain-lain.

2. Mesin Tenaga

Merupakan mesin fluida yang berfungsi mengubah energi fluida menjadi

energi mekanis pada poros, misalnya: Turbin Air, Turbin Uap, Turbin Gas, dan

(21)

2.3 Klasifikasi Kincir Air

Kincir air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi

mekanik berupa putaran pada poros kincir. Ada beberapa tipe kincir air yaitu :

1. Kincir Air Overshot

2. Kincir Air Undershot

3. Kincir Air Breastshot

4. Kincir Air Tub

2.3.1 Kincir Air Overshot

Kincir air overshot bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian

sudu-sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda kincir berputar.

Gambar 2.1 Kincir air overshot

Kincir air overshot adalah kincir air yang paling banyak digunakan

dibandingkan dengan jenis kincir air yang lain.

Keuntungan

1. Tingkat efisiensi yang tinggi dapat mencapai 85%.

(22)

3. Konstruksi yang sederhana.

4. Mudah dalam perawatan.

5. Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.

Kerugian

1. Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan

air, memerlukan investasi yang lebih banyak.

2. Tidak dapat diterapkan untuk mesin putaran tinggi.

3. Membutuhkan ruang yang lebih luas untuk penempatan.

4. Daya yang dihasilkan relatif kecil.

2.3.2 Kincir Air Undershot

Kincir air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding sudu

yang terletak pada bagian bawah dari kincir air. Kincir air tipe undershot tidak

mempunyai tambahan keuntungan dari head.

(23)

Tipe ini cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata.Tipe ini

disebut juga dengan ”Vitruvian”. Disini aliran air berlawanan dengan arah sudu yang

memutar kincir.

Keuntungan

1. Konstruksi lebih sederhana

2. Lebih ekonomis

3. Mudah untuk dipindahkan

Kerugian

1. Efisiensi kecil

2. Daya yang dihasilkan relatif kecil

2.3.3 Kincir Air Breastshot

Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot

dilihat dari energi yang diterimanya.

Gambar 2.3 Kincir air Breastshot Sumber.

Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang

menggerakkan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air. Kincir air jenis ini

menperbaiki kinerja dari kincir air tipe under shot.

(24)

Keuntungan

1. Tipe ini lebih efisien dari tipe under shot

2. Dibandingkan tipe overshot tinggi jatuhnya lebih pendek

3. Dapat diaplikasikan pada sumber air aliran rata

Kerugian

1. Sudu-sudu dari tipe ini tidak rata seperti tipe undershot (lebih rumit)

2. Diperlukan dam pada arus aliran rata

3. Efisiensi lebih kecil dari pada tipe overshot

2.3.4 Kincir Air Tub

Kincir air Tub merupakan kincir air yang kincirnya diletakkan secara

horisontal dan sudu-sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat dibuat

lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot.

Gambar 2.4 Kincir air Tub

(25)

Karena arah gaya dari pancuran air menyamping maka, energi yang diterima

oleh kincir yaitu energi potensial dan kinetik.

Keuntungan

1. Memiliki konstruksi yang lebih ringkas

2. Kecepatan putarnya lebih cepat

Kerugian

1. Tidak menghasilkan daya yang besar

2. Karena komponennya lebih kecil membutuhkan tingkat ketelitian yang lebih

teliti.

2.4 Klasifikasi Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk

pembangkit tenaga listrik.. Turbin air adalah mengubah energi potensial air menjadi

energi mekanis dengan menggunakan air sebagai fluida kerja. Energi mekanis diubah

dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin

dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan

(26)

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin

high head medium head low head

impulse turbines

reaction turbines

2.4.1 Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar

nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur

sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls).

Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama

karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan

atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu

(27)

2.4.1.1 Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set

sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat

yang disebut nosel.

Gambar 2.5 Turbin Pelton

Sumber.

Gambar 2.5a. Nosel

Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien.

Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

(28)

Gambar 2.5b Nosel

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk

sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran

air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air

dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan

daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan

demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Turbin

Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter

tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

2.4.1.2 Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton

(29)

Gambar 2.6. Sudu turbin Turgo dan nosel

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar

turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi

langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus

menurunkan biaya perawatan.

2.4.1.3 Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin

Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang

merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow.

Gambar 2.7. Turbin Crossflow

(30)

Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec

dan head antara 1 s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang

yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai

sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir

keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat

masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu

yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

2.4.2 Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan

terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini

memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat

berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin

reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah

turbin.

2.4.2.1 Turbin Francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara

sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian

keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan

air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu

(31)

penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat

[image:31.612.163.453.137.632.2]

diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.8 Turbin Francis Sumber.

Gambar 2.9. Sketsa Turbin Francis

Sumber :

(32)

2.4.2.2 Turbin Kaplan & Propeller

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini

tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai

[image:32.612.160.454.198.456.2]

tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.10. Turbin Kaplan Sumber.

Energi tidal atau energi pasang surut barangkali kurang begitu dikenal

dibandingkan dengan energi samudera yang lain seperti energi ombak (wave energy).

Jika dibandingkan dengan energi angin dan surya, energi tidal memiliki sejumlah

keunggulan antara lain: memiliki aliran energi yang lebih pasti/mudah diprediksi,

lebih hemat ruang dan tidak membutuhkan teknologi konversi yang rumit.

Kelemahan energi ini diantaranya adalah membutuhkan alat konversi yang handal

yang mampu bertahan dengan kondisi lingkungan laut yang keras yang disebabkan

antara lain oleh tingginya tingkat korosi dan kuatnya arus laut.

Saat ini baru beberapa negara yang yang sudah melakukan penelitian secara serius

(33)

dalam bidang energi tidal, diantaranya Inggris dan Norwegia. Di Norwegia,

pengembangan energi ini dimotori oleh Statkraft, perusahaan pembangkit listrik

terbesar di negara tersebut. Statkraft bahkan memperkirakan energi tidal akan

menjadi sumber energi terbarukan yang siap masuk tahap komersial berikutnya di

Norwegia setelah energi hidro dan angin. Keterlibatan perusahaan listrik besar seperti

Statkraft mengindikasikan bahwa energi tidal memang layak diperhitungkan baik

secara teknologi maupun ekonomis sebagai salah satu solusi pemenuhan kebutuhan

[image:33.612.154.488.305.562.2]

energi dalam waktu dekat.

Gambar 2.11 Pembangkit listrik tenaga tidal terapung.

Sumber.

Perlu diketahui bahwa potensi energi tidal di Indonesia termasuk yang terbesar di

dunia, khususnya di perairan timur Indonesia. Sekarang inilah saatnya bagi Indonesia

untuk mulai menggarap energi ini. Jika bangsa kita mampu memanfaatkan dan

(34)

diperoleh yaitu, pertama, keuntungan pemanfaatan energi tidal sebagai solusi

pemenuhan kebutuhan energi nasional dan, kedua, kita akan menjadi negara yang

mampu menjual teknologi tidal yang memberikan kontribusi terhadap devisa negara.

Belajar dari India yang mampu menjadi salah satu pemain teknologi turbin angin

dunia (dengan produk turbin angin Suzlon), maka tujuan yang kedua bukanlah hal

yang terlalu muluk untuk kita wujudkan.

2.5 Gaya Apung,Mengapung dan Kestabilan

2.5.1 Prinsip Archimedes (287-212 SM)

Jika sebuah benda diam terendam seluruhnya di dalam sebuah fluida,atau

mengapung sedemikian sehingga hanya sebagian saja yang terendam,gaya fluida

resultan yang bekerja pada benda itu disebut “gaya apung (buoyant force)”. Sebuah

gaya netto ke arah atas terjadi karena tekanan meningkat dengan kedalaman dan

gaya-gaya tekan yang bekerja dari bawah lebih besar daripada gaya-gaya yang

bekerja dari atas. Gaya ini dapat ditentukan dengan pendekatan yang sama seperti

yang digunakan pada bagian sebelumnya mengenai gaya-gaya pada permukaan

lengkung. Oleh karena itu, gaya apung mempunyai besar yang sama dengan berat

fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut dan mengarah vertikal ke atas. Hal ini

disebut sebagai “prinsip Archimedes”. Untuk menghormati Archimedes (287-212

SM),seorang ahli mekanik dan matematika Yunani yang pertama kali mengemukakan

gagasan-gagasan dasar yang berkaitan dengan hidrostatika. Letak garis dari gaya

(35)

sumbu yang memudahkan. Misalnya dengan menjumlahkan momen terhadap sebuah

sumbu tegak lurus terhadap permukaan kertas. Jadi dapat disimpulkan bahwa gaya

apung melewati pusat massa dari volume yang dipindahkan. Titik yang dilalui gaya

apung yang bekerja disebut pusat apung ( center of buoyancy ).

Hasil yang sama juga berlaku pada benda-benda yang terapung di mana hanya

sebagian saja yang terendam. Jika berat jenis fluida di atas permukaan cairan sangat

kecil dibandingkan dengan berat cairan di mana benda tersebut akan mengapung,

karena fluida di atas permukaan biasanya udara. Namun demikian, gaya apung

tersebut tidak melewati pusat massa tetapi akan melewati pusat gravitasi dari volume

yang dipindahkan tersebut.

2.5.2 Kestabilan

Sebuah benda dikatakan berada dalam suatu posisi kesetimbangan yang stabil

jika benda tersebut kembali ke posisi kesetimbangannya ketika diusik. Sebaliknya,

benda berada dalam keadaan kesetimbangan yang tidak stabil jika ketika diusik

(meskipun sedikit),benda tersebut bergerak menuju posisi kesetimbangan baru.

Pertimbangan kestabilan sangat perlu khususnya bagi benda-benda yang terendam

atau terapung karena pusat apung dan pusat gravitasi tidak selalu bertepatan. Sebuah

rotasi kecil dapat menghasilkan kopel yang mungkin mengembalikan posisi atau yang

menggulingkannya. Misalnya, untuk benda yang terendam penuh yang mempunyai

pusat gravitasi di bawah pusat apung, suatu rotasi dari posisi kesetimbangannya akan

menghasilkan sebuah kopel pemulih yang dibentuk oleh berat dan gaya apung yang

(36)

ini benda tersebut stabil. Perlu dicatat bahwa selama pusat gravitasi berada di bawah

pusat apung, kondisi ini selalu berlaku; artinya benda berada dalam posisi

kesetimbangan stabil terhadap rotasi-rotasi kecill. Sebaliknya jika pusat gravitasi si

atas pusat apung, kopel yang terbentuk dari berat dan gaya apung akan menyebabkan

benda terguling dan menuju sebuah kesetimbangan baru. Jadi, sebuah benda yang

terendam penuh dengan pusat gravitasi di atas pusat apungnya berada dalam posisi

kesetimbangan tidak stabil.

Untuk benda yang terapung, masalah kestabilan lebih rumit, karena jika benda

berotasi, lokasi dari pusat apungnya (yang melewati pusat massa dari volume yang

dipindahkannya) bisa berubah. Hal ini dapat terjadi karena jika benda berputar, gaya

apung bergeser melewati pusat massa dari volume yang terdesak yang baru terbentuk.

Gaya apung ini berkombinasi dengan berat, membentuk sebuah kopel yang akan

(37)

BAB III

METODOLOGI PENGUJIAN

3.1 Waktu dan tempat

Pengujian dilakukan di sungai Namo Sira-Sira yang terletak di desa Namo

Tating Kecamatan Sei Bingai Kabupaten Langkat selama 1 bulan.

3.2 Alat

Alat yang dipakai dalam pengujian ini terdiri dari :

1. Prototipe turbin air terapung yang memiliki spesifikasi peralatan dan

perlengkapan sebagai berikut :

a) Sudu Turbin

Bahan : ST-37

Tebal : 2 mm

Model sudu : Rata (sebagai perbandingan terhadap sudu

lengkung)

Luas penampang : 16 x 49 cm

Untuk menentukan jumlah sudu turbin didapatkan dari persamaan :

t D

N =π t

………..(Lit.10 Hal 4)

Dimana :

N = jumlah sudu

t

D = diameter turbin = 0,75 m

t = jarak antar sudu (m)

(38)

t = _θ sin i s

……….(Lit.10 Hal 4)

i

s = k D ……….(Lit.10 Hal 4) t

Dimana :

k = konstanta tetapan = 0,13

ϑ= sudut yang dibentuk oleh letak sudu rata terhadap sumbu

vertikal poros = 300

maka : s = k _i D t

i

s = 0,13 x 0,75

i

s = 0,0975 m

t = _θ

sin i s

t = 0

30 sin 0975 , 0

t = 0,195 m

sehingga :

t D

N =π t

195 , 0

75 , 0

x

(39)

buah N

N

12 07 , 12 = =

Jadi jumlah sudu rata yang digunakan adalah 12 buah dengan posisi letaknya

300 terhadap sumbu poros turbin.

b) Poros

Bahan : SC-45

Diameter poros : 1 inch ( 25,4 mm )

:

4 1

1 inch ( 32 mm )

c) Bantalan (Bearing)

Bahan : Baja Karbon

Type : Ball bearing

Nomor bantalan : P 205 ( untuk diameter poros 1 inch )

P 207 ( untuk diameter poros

4 1

1 inch )

d) Puli ( pulley)

Bahan : S-45C

Jumlah puli : 4 buah

Diameter puli I : 362 mm

Diameter puli II : 145 mm

Diameter puli III : 362 mm

Diameter puli IV : 72 mm

e) Sabuk ( V-Belt)

Bahan : Karet

Jumlah sabuk : 2 buah

Type sabuk I : A-62

(40)

Merk sabuk : Mitshubishi

f) Sproket

Bahan : Baja Karbon

Jumlah sproket : 2 buah

Diameter Sproket I : 84.50 mm

Diameter Sproket II : 236,54 mm

Jumlah gigi Sproket I : 13

Jumlah gigi Sproket II : 39

g) Rantai (chain)

Bahan : S-45C

Type : rantai rol

Nomor : 50

Jumlah mata rantai : 106 mata rantai

h) Alternator

Pabrikan / merk : Toyota

Diameter pulley : 72 mm

Putaran maksimum : 1500 rpm

Putaran minimum : 1000 rpm

Voltase : 12 Volt

Arus Maksimum : 30 Ampere

Aplikasi / Fungsi : Penghasil arus listrik

i) Baterai mobil

Pabrikan / Merk : NS-40

Voltase : 12 Volt

Arus : 32 Ampere

Dalam pembuatan prototipe turbin air terapung ini terdiri atas dua bagian pembuatan

(41)

sproket dan rantai serta beberapa puli dengan ukuran diameter yang berbeda dimana

pulli ini digunakan untuk menaikkan putaran pada alternator hingga melewati batas

putaran minimumnya yaitu 1000 rpm agar dapat menghasilkan arus dan tegangan

listrik. Mekanisme turbin terapung yang memiliki ukuran sekitar 1 x 2 meter tersebut

dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat menjadi mekanisme rasio perbandingan

putaran. Setelah menyelesaikan mekanisme turbinnya maka pengerjaan selanjutnya

adalah pembuatan penampang sudu rata. Sudu dibuat dari plat besi ST-37 yang

dipotong menjadi 12 bagian yang masing –masing bagian berukuran 16 cm x 49 cm,

kemudian sudu-sudu tersebut disambungkan pada impeller yang berdiameter 75 cm

dengan metode las titik. Selanjutnya pada impeler diberi lubang sebagai tempat poros

sudu tersebut.

Prototipe turbin air terapung ini sendiri merupakan alat yang akan di uji di

lapangan untuk mengetahui besar daya yang mampu dihasilkannya dengan

menggunakan model sudu rata agar dapat dibandingkan terhadap daya yang

dihasilkan alternator bila menggunakan sudu lengkung. Berikut ini adalah gambar

prototipe turbin air terapung beserta model penampang sudu rata yang akan di uji

[image:41.612.104.527.404.611.2]

tersebut.

(42)

2. Multitester

Alat ini digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan di

[image:42.612.116.470.154.569.2]

alternator.

Gambar 3.2 Multitester

3. Flowmeter

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan arus aliran sungai di lokasi

pengujian

(43)

4. Tachometer

[image:43.612.116.503.129.418.2]

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran pada sudu turbin dan alternator

Gambar 3.4 Tachometer

5. Kabel listrik dan lampu.

6. Alat bantu perbengkelan, seperti : kunci pas, kunci Inggris, kunci ring, kunci L,

obeng, tang, palu, dan lain sebagainya.

3.3 Metode Pengumpulan Data

Data yang dipergunakan dalam pengujian ini merupakan data yang diperoleh

langsung dari pengukuran dan pembacaan pada alat ukur pengujian.

3.4 Metode Pengolahan Data

Data yang diperoleh diolah ke dalam rumus empiris, kemudian data dari

perhitungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik.

3.5 Pengamatan dan tahap pengujian

Pada pengujian ini yang akan diamati adalah :

1. Parameter arus (A) dan parameter tegangan (V)

2. Parameter putaran turbin (rpm)

3. Parameter kecepatan arus sungai ( v )

(44)

Prosedur pengujian dapat dilakukan dengan beberapa tahap antara lain :

1. Pengukuran kecepatan air dengan menggunakan flowmeter kemudian mencatat

hasilnya.

2. Pengukuran putaran turbin dengan menggunakan tachometer kemudian mencatat

hasilnya.

3. Pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan turbin dengan multitester dapat

dilakukan dengan cara atau rangkaian sebagai berikut :

a. Rangkaian pengukuran arus listrik

( )

A tanpa beban lampu atau pengisian ₁

(charger) alternator terhadap baterai digambarkan sebagai berkut

(+) (-)

(+}

(+) (-)

[image:44.612.119.505.58.686.2]

(-)

( )

A1 tanpa beban lampu

b. Rangkaian pengukuran tegangan listrik

( )

V tanpa beban lampu atau besar ₁

tegangan yang dicharger alternator terhadap baterai digambarkan sebagai

berikut :

(+) (-)

(+}

(+) (-)

[image:44.612.147.493.507.667.2]

(-)

( )

V₁ tanpa beban lampu

A

Alt

Bat

V

Alt

(45)

c. Rangkaian pengukuran arus listrik

( )

A dengan beban lampu digambarkan ₂

sebagai berikut :

(+) (-)

(+} L

(+) (-)

[image:45.612.143.487.135.254.2]

(-) L

( )

A₂ dengan beban lampu

d. Rangkaian pengukuran tegangan listrik

( )

V dengan beban lampu dapat ₂ digambarkan sebaga berikut :

(+) (-)

(+} L

(+) (-)

[image:45.612.132.493.203.462.2]

(-) L

( )

V₂ dengan beban lampu

Untuk pengukuran arus listrik dan tegangan listrik dengan beban lampu dilakukan dengan mencatat besar arus dan tegangan dengan 1 beban lampu, 2 beban lampu,dan seterusnya sampai mencapai limit kemampuan turbin menghasilkan arus listrik.

4. Mengulang pengujian beberapa kali dengan metode yang sama. A

Alt

Bat

V

Alt

(46)

[image:46.612.160.456.125.580.2]

Prosedur tahap pengujian diatas dapat digambarkan dengan diagram alir sebagai berikut :

Gambar 3.9 Diagram alir Pengujian Prototipe Turbin Air Terapung

 Mengukur kecepatan arus aliran sungai.

 Mengukur putaran turbin.

 Mengukur arus (A) dan tegangan (V) yang dihasilkan turbin dengan mengunakan beban lampu

Selesai

Berhenti

Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur dengan rumus empiris untuk mendapatkan kesimpulan dari pengujian

Mengulang pengujian hingga 5 kali dengan metode yang sama, dan melakukan penambahan beban 2-5 buah lampu

(47)

BAB IV

HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1 Data Hasil Pengujian

Adapun data yang diperoleh dari pengujian prototipe turbin air terapung dengan

menggunakan sudu rata meliputi :

1.Kecepatan rata-rata air masuk

(

v_rata₋_rata

)

Setelah melakukan 10 kali pengukuran kecepatan air dengan menggunakan

alat ukur flowmeter, diperoleh data seperti berikut ini :

[image:47.612.157.483.319.431.2]

Gambar 4.1 pengambilan data kecepatan air masuk dengan alat ukur flowmeter

v = 1,75 m/s ₁ v = 1,75 m/s ₆

v = 1,73 m/s ₂ v = 1,77 m/s ₇

v = 1,74 m/s ₃ v = 1,77 m/s 8

v = 1,74 m/s ₄ v = 1,75 m/s 9

v = 1,75 m/s ₅ v = 1,76 m/s ₁₀

10 76 , 1 75 , 1 77 , 1 77 , 1 75 , 1 75 , 1 74 , 1 74 , 1 73 , 1 75 ,

1 + + + + + + + + +

=

−rata rata

(48)

= 1,75 m/s

Maka kecepatan rata-rata air masuknya adalah sebesar 1,75 m/s

2.Arus, tegangan dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan menggunakan alat ukur multitester dan

tachometer pada pengujian diperoleh data sebagai berikut :

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang diisi dari alternator ke baterai (I1) : 8,50 Ampere

2) Tegangan yang diisi dari alternator ke baterai (V1) : 13,52 Volt

3) Putaran alternator (n1) : 1030 rpm

4) Putaran poros sudu (n2) : 27,4 rpm

rpm 27 ≈

b. Untuk pembebanan dengan menggunakan 1 lampu (25 Watt) :

3) Putaran (n1) : 1025 rpm

rpm 27 ≈

c. Untuk pembebanan dengan menggunakan 2 lampu (50 Watt) :

3) Putaran alternator (n1) : 1015 rpm

(49)

d. Untuk pembebanan dengan menggunakan 3 lampu (75 Watt) :

4) Putaran poros sudu (n2) : 26.8 rpm

rpm 27 ≈

e. Untuk pembebanan dengan menggunakan 4 lampu (100 Watt) :

rpm 27 ≈

f. Untuk pembebanan dengan menggunakan 5 lampu (125 Watt) :

1) Arus yang diisi dari alternator ke baterai (I1) : 0 Ampere

2) Tegangan yang diisi dari alternator ke baterai (V1) : 0 Volt

rpm 27 ≈

4.2. Analisa daya dan putaran alternator di setiap pemberian beban

Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian di lapangan, dapat

(50)

tergantung pada besar jumlah beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat

dihitung besar daya pengisian (cas) ke baterai dengan menggunakan rumus :

P=V×I (Watt) ... (Lit 9. Hal 228)

maka daya pengisian (cas) ke baterai adalah sebagai berikut :

1. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

Pc = V1 x I1

= 13,52 x 8,50

= 115,03 Watt

2. Untuk pembebanan dengan menggunakan 1 lampu (25 Watt) :

Pc = V1 x I1

= 13,10 x 6,87

= 90,04 Watt

Pc = V1 x I1

= 12,72 x 5,11

= 65,05 Watt

Pc = V1 x I1

= 12,31 x 2,44

= 40,06 Watt

Pc = V1 x I1

(51)

= 11,92 Watt

Dari perhitungan data diatas, dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni

[image:51.612.114.511.188.603.2]

sebagai berikut :

Tabel 4.1. Data hasil pengujian Turbin Air Terapung dengan menggunakan sudu rata

Jumlah

Beban

lampu

I₁

(Ampere)

V₁

(Volt)

Pc

(Watt)

1

n (rpm)

2

n

(rpm)

0 8.50 13.52 115.03 1030 27

1 6.87 13.10 90.04 1025 27

2 5.11 12.72 65.05 1015 27

3 3,33 12.31 41,06 1008 27

4 0.99 12,05 11.92 1005 27

5 0 0 0 985 26

Dimana : I1 = Pengisian arus dari alternator ke baterai (Ampere)

V1 = Pengisian Tegangan dari alternator ke baterai ( Volt )

Pc = Daya pengisian alternator ke baterai

= A1 x V1 (Watt)

_n₁ = Putaran alternator (rpm)

n₂ = Putaran poros sudu (rpm)

Dari tabel diketahui daya listrik yang dihasilkan oleh alternator adalah sebesar

115,03 Watt, sehingga hanya dapat diberi pembebanan sebanyak 4 buah lampu (100

(52)

listrik sama sekali, karena putaran di poros alternator telah berada di bawah 1000

rpm, sementara alternator membutuhkan putaran ≥ 1000 rpm agar dapat

menghasilkan listrik (sesuai dengan spesifikasi alternator 30A, 12V yang memiliki

putaran minimum 1000 rpm, dan putaran maksimum 1500 rpm).

Data tabel diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui

lebih jelas fenomena yang terjadi pada perubahan daya pengisian (cas) ke baterai dan

putaran di poros alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

R2 = 0.9925 0 20 40 60 80 100 120 140

0 1 2 3 4 5 6

Jumlah beban lampu

Pc

(W

a

tt)

Perubahan daya pengisian ke baterai oleh alternator terhadap

penambahan beban lampu

[image:52.612.146.497.281.474.2]

Linear (Perubahan daya pengisian ke baterai oleh alternator terhadap penambahan beban lampu)

Grafik 4.1 Perubahan daya pengisian (cas) ke baterai terhadap penambahan beban lampu

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa masih bahwa semakin besar

penambahan beban lampu yang digunakan maka semakin sedikit daya yang akan diisi

alternator ke baterai. Dari grafik juga dapat diketahui bahwa masih terdapat kesalahan

dalam pengambilan data pengukuran, hal ini dapat dilihat dari nilai R2 regresi

linearnya sebesar 0,9925 (tidak mencapai angka 1).

Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap

(53)

R2 = 0.9621 980 985 990 995 1000 1005 1010 1015 1020 1025 1030 1035

0 2 4 6

Jumlah Beban Lampu

P ut ar an A lte rn at or (r pm

) Perubahan putaran diporos alternator terhadap penambahan pembebanan lampu yang diuji

[image:53.612.136.502.87.241.2]

Poly. (Perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan pembebanan lampu yang diuji)

Grafik 4.2 Perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban lampu yang diuji

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa bahwa putaran di poros

alternator polynomial terhadap jumlah beban lampu yang digunakan. Dengan melihat

dari nilai R2 regresi linearnya yaitu sebesar 0,9621 (tidak mencapai angka 1) dapat

diketahui bahwa terdapat kesalahan-kesalahan di beberapa titik pengambilan data

pengukuran putaran alternator terhadap jumlah beban lampu yang diuji.

R2 = 0.9625

0 20 40 60 80 100 120 140

980 990 1000 1010 1020 1030 1040 Putaran Alternator (rpm)

P c (W a tt) Perubahan daya pengisian ke baterai terhadap putaran alternator

Poly. (Perubahan daya pengisian ke baterai terhadap putaran alternator)

[image:53.612.123.516.402.631.2]

(54)

Dari grafik diatas, diketahui besar daya pengisian ke baterai polynomial

terhadap perubahan putaran di poros alternator, dimana semakin besar putaran di

poros alternator maka semakin besar pula daya listrik yang akan diisi alternator ke

baterai. Dengan melihat nilai R2 regresi linearnya yang tidak mencapai angka 1, dapat

disimpulkan bahwa masih terdapat kesalahan dalam pengambilan data pengukuran.

Besar daya listrik yang dihasilkan alternator yang digerakkan oleh prototipe

turbin air terapung bersudu rata ini, dapat dibandingkan dengan melihat tabel data

hasil pengujian prototipe turbin air terapung dengan menggunakan sudu lengkung

seperti dibawah ini agar dapat diketahui kinerja alternator dari kedua jenis prototipe

[image:54.612.112.521.309.704.2]

tersebut.

Tabel 4.2 Data hasil pengujian prototipe turbin air terapung dengan menggunakan

sudu lengkung

Jumlah

Lampu

I1

(Ampere)

V1

(Volt)

P

(Watt)

n1

(rpm)

n2

(rpm)

0 9.03 13.95 125.97 29 1088

1 7.68 13.27 101.91 29 1083

2 5.84 13.0 75.92 29 1075

3 3.96 12.85 50.90 28 1064

4 2.19 12.26 26.85 28 1046

5 0.008 0.1 0.1 27 1012

(55)

Dari tabel 4.1 dapat diketahui bahwa daya listrik maksimum yang dihasilkan

alternator dengan menggunakan sudu rata adalah sebesar 115,03 Watt dan putaran

maksimum poros alternator sebesar 1030 rpm, sementara daya listrik maksimum

yang dihasilkan alternator bila menggunakan sudu lengkung adalah sebesar 125,97

Watt dan putaran maksimum poros alternator sebesar 1088 rpm (lihat tabel 4.2). Hal

ini dapat disimpulkan bahwa daya listrik yang dihasilkan dengan menggunakan sudu

rata lebih kecil bila dibandingkan terhadap daya listrik yang dihasilkan dengan

menggunakan sudu lengkung, atau dengan kata lain kerja alternator lebih maksimal

bila digerakkan oleh prototipe turbin air terapung yang menggunakan sudu lengkung

daripada yang menggunakan sudu rata.

4.3. Analisa momen puntir pada poros alternator

Poros yang digunakan untuk alternator pada prototipe turbin air terapung ini

akan mengalami beban puntir akibat putaran dari poros tersebut. Beban puntir yang

dialami poros bertambah seiring dengan pertambahan beban lampu yang digunakan.

Dari data hasil pengujian yang diperoleh ( tabel 4.1), momen puntir yang dialami

poros alternator dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut :

n P M D P 5 10 74 , 9 ×

= ……….. (Lit 3 Hal 10)

maka ;

1. Untuk tanpa pembebanan lampu

77 , 108 1030 11503 , 0 10 74 , 9 5

0 = × =

P

(56)

2. Untuk pembebanan 1 lampu 30 , 109 1025 11503 , 0 10 74 , 9 5

1 = × =

P

M kgmm

3. Untuk pembebanan 2 lampu

38 , 110 1015 11503 , 0 10 74 , 9 5

2 = × =

P

M kgmm

15 , 111 1008 11503 , 0 10 74 , 9 5

3 = × =

P

M kgmm

5 , 111 1005 11503 , 0 10 74 ,

9 × 5 =

=

P

M kgmm

Kelanjutan hasil dari seluruh perhitungan momen puntir poros untuk

[image:56.612.132.459.259.397.2]

alternator diatas dapat dilihat dari tabel berikut ini :

Tabel 4.3 Hasil perhitungan Momen Puntir poros untuk setiap pembebanan lampu

Jumlah Beban lampu 1 n (rpm) Palt (Watt) Momen Puntir (kgmm)

0 1030 115,03 108,77

1 1025 115,03 109,30

2 1015 115,03 110,38

(57)

4 1005 115,03 111,5

Dari tabel hasil perhitungan diatas diketahui bahwa alternator mengalami

beban puntir maksimum sebesar 111, 5 kgmm yakni pada saat putaran 1005 rpm dan

beban puntir minimumnya sebesar 108,77 pada putaran 1030 rpm.

R2 = 0.9999

108.50 109.00 109.50 110.00 110.50 111.00 111.50 112.00

1000 1010 1020 1030 1040

Putaran alternator (rpm)

M o m e n P u n ti r a lt e rn a to r ( k g m m

) Perubahan momen

[image:57.612.141.500.242.458.2]

puntir terhadap putaran alternator Linear (Perubahan momen puntir terhadap putaran alternator)

Grafik 4.4. Perubahan momen puntir terhadap perubahan putaran poros alternator

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa perubahan momen puntir linear

terhadap perubahan putaran di poros alternator. Nilai R2 regresi linearnya hampir

mencapai angka 1 yaitu sebesar 0,9999, hal ini dapat dilihat pada grafik dimana

semua titik tersebut hampir tepat berada garis linearnya.

Besar beban puntir alternator dipengaruhi oleh perubahan putaran di poros

alternator yang diakibatkan oleh adanya variasi beban yang digunakan pada

alternator, atau dengan kata lain semakin kecil putaran alternator maka semakin besar

(58)

U

1

C

1

W

1

dianggap konstan yaitu sebesar 115,03 Watt. Dalam hal ini dapat disimpulkan bahwa

analisa tersebut sesuai dengan rumus teori untuk menghitung besar beban puntir pada

poros alternator, dimana besar harga beban puntir di alternator bergantung pada

perbandingan daya yang dihasilkan terhadap putaran porosnya sendiri.

4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Dan Sisi Keluar Setelah Pengujian

4.4.1 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

Analisa kecepatan sisi masuk pada prototipe turbin air terapung ini adalah

sebagai berikut :

[image:58.612.117.450.296.537.2]

Gambar 4.2 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

Dari gambar diatas diketahui bahwa :

1

C : Kecepatan Absolut Fluida Masuk

1

U : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu yang arahnya

searah dengan arah putaran sudu.

1

W : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu ( impeller )

(59)

1

C = 1,75m /s ( sesuai hasil yang dipeoleh dengan menggunakan flowmeter )

U = ₁ 60

n D × ×

π

...(Lit. 7 hal 56)

Dimana :

D : diameter sudu yang direncanakan ( 0,75 m )

n : putaran maksimum dialami sudu ( 27 rpm )

Sehingga :

U = ₁ m s

menit ik rpm m / 059 , 1 / det 60 27 75 , 0 = × × π

Maka harga W dapat dicari dengan menggunakan persamaan : ₁

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁ ... ( Lit.7 hal 58 )

dengan α =00 ( karena C dan ₁ U segaris), sehingga persamaan diatas menjadi : ₁

α Cos U C U C

W 1 1

2 1 2 1 2

1 = + −2

0 2

2 2

1 1,75 1,059 2 1,75 1,059Cos0

W = + − × ×

7065 , 3 12 , 1 0625 , 3 2

1 = + −

W 4775 , 0 2 1 = W s m

W₁ =0,691 /

Jadi besar Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu ( impeller ) pada sisi masuk

(60)

C

2

W

2

U

2

β

2

U1

C1

W1

4.4.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

Analisa kecepatan sisi keluar pada prototipe turbin air terapung ini adalah

[image:60.612.174.450.154.271.2]

sebagai berikut :

Gambar 4.3 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar

Dari gambar diatas, dapat diperoleh gambar segitiga kecepatan pada sisi keluar

sebagai berikut :

Gambar 4.4. Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

Dari gambar diatas diketahui bahwa :

2

C : Kecepatan Absolut Fluida Keluar

2

U : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu yang arahnya

[image:60.612.117.456.321.539.2]

(61)

2

W : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu ( impeller )

Maka harga W dapat dicari dengan menggunakan persamaan : 2

α Cos U C U C

W 2 2

2 2 2 2 2

2 = + −2

dimana :

2

C = 0,691 m/s

2

U = 1,059 m/s

α =900 ( karena C₂ ⊥U ) ₂

Sehingga persamaan diatas menjadi :

α Cos U C U C

W 2 2

2 2 2 2 2

2 = + −2

0 2

2 2

2 0,691 1,059 2 0,691 1,059Cos90

W = + − × ×

0 1215 , 1 4775 , 0 2

2 = + −

W 599 , 1 2 2 = W s m

W2 =1,264 /

Jadi besar Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu ( impeller ) pada sisi keluar

adalah 0,018 m/s.

Besar sudut antara W dengan 2 U ( 2 β2 ) dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan : 2 2 2 2 2 2 W U ArcCos W U

Cosβ = ⇒β =

s m s m ArcCos / 264 , 1 / 059 , 1 2 = β 837 , 0

2 = ArcCos

(62)

0 0 2 =33,12 ≈33

β

Jadi besar sudut antara W dengan ₂ U ( 2 β2 ) adalah 0

33

4.5 Efisiensi Turbin dan Efisiensi Alternator

4.5.1. Efesiensi turbin (η_T)

Efesiensi turbin dapat dihitung dari persamaan-persamaan berikut ini :

t E

P= K _{………. (lihat pada bab 2)}

dimana 2

2 1

mv

E_K =

t mv P 2 2 1

= , dimana v=ωr

t r m P 2 ) ( 2 1 ω

= , dimana r = ½ D

(63)

Dari persamaan diatas maka dapat dihitung daya poros turbin dan daya poros

alternator yaitu :

a. Daya Poros Turbin (P_pt)

t D m P pt pt pt pt 2 2 ) ( 8 1 ω =

Dimana : m_pt =massa turbin = 75 kg

D_pt =diameter poros turbin = 32 mm = 0,032 m

npt = Putaran poros turbin = 27 rpm (27 putaran dalam 1 menit), sehingga

t = 1 menit = 60 detik

dari persamaan : t

pt

θ

ω=

θpt =2πnpt

dimana

ω = kecepatan sudut poros turbin (rad/s)

pt

θ = besar perpindahan sudut (rad)

Maka

2,8678

60 ) 27 ( 2 = = π

ω rad/s

(64)

60 ) 8678 , 2 ( ) 032 , 0 )( 75 ( 8

1 2 2

= pt P 00132 , 0 = pt

P Watt

Jadi daya yang dihasilkan pada poros turbin adalah sebesar 0,00132 Watt.

b. Daya Poros Alternator (P_pAlt)

t D m P pAlt pAlt pAlt pAlt 2 2 ) ( 8 1 ω =

Dimana : mpAlt =massa poros alternator = 0,3 kg

DpAlt =diameter poros alternator = 10 mm = 0,01 m

n_pAlt = Putaran poros alternator = 1030 rpm (1030 putaran dalam 1 menit),

jadi t = 1 menit = 60 detik

dari persamaan :

t pAlt

θ

ω=

θ_pAlt =2πn_pAlt

dimana

ω = kecepatan sudut poros alternator (rad/s)

pAlt

θ = besar perpindahan sudut (rad)

Maka

107,80

60 ) 1030 ( 2 = = π

ω rad/s

(65)

t D m P pAlt pAlt pAlt pAlt 2 2 ) ( 8 1 ω = 60 ) 80 , 107 ( ) 01 , 0 )( 3 , 0 ( 8

1 2 2

= pAlt P 000726 , 0 = pAlt

P Watt

Jadi daya yang dihasilkan pada poros alternator adalah sebesar 0,000726 Watt.

Maka Efesiensi daya Turbin adalah

T

η = x100%

P P

pt pAlt

T

η = 100%

00132 , 0 000726 , 0 x T

η = 55 %

Sehingga diperoleh efisiensi turbin dengan menggunakan sudu rata adalah sebesar

55 %

4.5.2. Efesiensi daya Alternator (η_A)

Efesiensi daya alternator dapat juga dihitung dari persamaan :

A

η = x100% P

P

Max A

Dimana P = daya alternator hasil pengujian = 115,03 Watt _A

PMax= daya maksimum alternator = 360 Watt (berdasarkan spesifikasi

alternator)

maka : η_A= 100% 360

03 , 115

(66)

η_A= 31,95 %

A

η = 32 %

Sehingga diperoleh efesiensi dari daya listrik yang dihasilkan alternator bila

digerakan oleh turbin air terapung dengan menggunakan sudu rata adalah sebesar 32

% dari daya maksimum yang dapat dihasilkannya.

Sebagai bahan perbandingan efisiensi terhadap prototipe turbin air terapung

dengan menggunakan sudu lengkung, dimana dari hasil pengujian diperoleh efisiensi

turbin terapung yang menggunakan sudu lengkung tersebut adalah sebesar 57% dan

efisiensi daya yang dihasilkan alternatornya adalah sebesar 35%. Hal ini berarti

bahwa efisiensi dari prototipe turbin air terapung dengan menggunakan sudu

lengkung lebih besar dibandingkan efisiensi yang terjadi bila menggunakan sudu rata,

sehingga dapat disimpulkan bahwa prototipe turbin air terapung ini lebih efektif bila

(67)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

1. Daya yang dihasilkan alternator yang digerakkan oleh prototipe turbin air

terapung dengan menggunakan sudu rata adalah sebesar 115,03 Watt.

2. Efesiensi turbin yang diperoleh dengan menggunakan sudu rata adalah

sebesar 55 %, dan efesiensi alternatornya adalah sebesar 32 %

3. Putaran rata-rata yang dialami prototipe turbin air terapung dengan

menggunakan sudu rata selama pengujian adalah sebesar 27 rpm.

4. Putaran maksimum yang terjadi di poros alternator prototipe turbin air

terapung dengan menggunakan sudu rata adalah sebesar 1030 rpm

5. Beban puntir maksimum yang dialami oleh poros alternator adalah sebesar

111,5 kgmm.

6. Perubahan beban puntir yang dialami oleh alternator dipengaruhi oleh

perubahan daya dan putaran yang terjadi di alternator akibat dari adanya

variasi beban yang dialaminya, dimana semakin besar putaran di poros

alternator maka semakin besar pula beban puntir yang dialaminya.

7. Dari data tabel dan grafik pada bab IV, dapat disimpulkan bahwa :

a. Semakin besar pembebanan yang diberikan pada prototipe turbin

(68)

b. Semakin besar pembebanan yang diberikan pada prototipe turbin

air terapung, maka pengisian daya dari alternator ke baterai akan

semakin berkurang.

c. Hambatan kabel berpengaruh pada besar daya yang dihasilkan

turbin.

8. Arus listrik maksimum yang dihasilkan oleh turbin air terapung adalah

arus searah (DC) yakni sebesar 8,50 Ampere, sehingga untuk

mengubahnya menjadi arus AC (arus bolak-balik) harus mengunakan alat

tertentu (misalnya inferter) agar dapat digunakan untuk mencukupi

kebutuhan listrik pada sebuah rumah tangga

9. Kecepatan aliran sungai yang dibutuhkan untuk menggerakan prototipe

turbin air terapung adalah sebesar 1,75 m/s.

10.Prototipe turbin air terapung dengan menggunakan sudu rata kurang

efisien bila dibandingkan dengan prototipe yang sama tetapi menggunakan

sudu lengkung, dimana efisiensi turbin yang terjadi dengan menggunakan

sudu lengkung tersebut adalah sebesar 57%.

5.2 SARAN

Untuk mendapatkan efisiensi daya dan putaran yang lebih maksimal dari

prototipe turbin air terapung disarankan :

1. Penentuan kecepatan aliran sungai yang direncanakan lebih besar dari

1,75 m/s.

(69)

3. Pemilihan jenis kabel yang memiliki hambatan kecil.

4. Pemilihan model sudu yang lebih tepat.

Selain itu, untuk memperoleh data hasil pengujian yang lebih valid disarankan agar

(70)

DAFTAR PUSTAKA

1. Lalu