PENGUJIAN VARIASI JUMLAH DAN SUDUT BILAH KINCIR AIR TIPE BREASTSHOT

(1)

PENGUJIAN VARIASI JUMLAH DAN SUDUT BILAH

KINCIR AIR TIPE

BREASTSHOT

Fachruddin, Adi Syuriadi , Ainun Nidhar1_{, Febri Ramdhan dan Rian Aji Candra} Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Jakarta

Email: 1_{ainun_xb@yahoo.com}

ABSTRACT

Today, many Micro Hydro-Electric Power Plants (MHEPP) construction carried out independently by community. The common MHEPP that constructed by community is an axial flow-breastshot-type water wheel, but the problem is with big hydrolic power that available but produce small electric power in MHEPP. The objective from this final project is to construct an axial flow-breastshot-type water wheel model with number and angle of blades testing in order to get maximum efficiency of breastshot waterwheel. This axial flow-breastshot-type water wheel testing use 10, 8 and 6 blades as constant variable, and each number of blades has adjustable angles of blades at 0°, 30°, dan 45°. Performance that will be analyzed is rotation speed of waterwheel. The results show that the rotation speed of each waterwheel (with different number of blades) reach the maximum value if angles of blades at 45°, and maximum rotation speed is 166,147 rpm with electrical power is 0,381 watt and efficiency as big as 48,962% at 8 blades and 45 adjustable angle waterwheel.

Keyword : Micro Hydro-Elactric Power Plant, Breastshot Type Waterwheel, Number and Angle of Blades Testing, Efficiency

ABSTRAK

Pembangunan PLTMH saat ini banyak dilakukan secara swadaya oleh masyarakat. PLTMH yang biasa dibangun oleh masyarakat ialah model kincir air jenis aliran axial tipe breastshot, namun kendala yang ditemukan adalah daya hidrolik yang tersedia besar namun daya listrik yang dihasilkan oleh PLTMH kecil. Tujuan dari tugas akhir ini ialah membuat model kincir air aliran axial tipe breastshot dengan pengujian pada jumlah bilah dan sudut bilah sehingga di dapatkan efisiensi maksimal dari kincir air breastshot. Model pengujian kincir air aliran axial tipe breastshot menggunakan variabel tetap berupa jumlah bilah sebanyak 10 bilah, 8 bilah dan 6 bilah, serta variabel berubahnya yaitu masing-masing kincir sudut bilahnya dapat diatur yaitu sebesar 0°, 30°, dan 45°. Unjuk kerja yang dianalisa ialah putaran kincir. Hasil pengujian menunjukkan bahwa putaran masing-masing kincir akan (dengan jumlah bilah yang berbeda) mencapai nilai maksimal pada sudut bilah diatur sebesar 45°, serta nilai putaran paling maksimal yaitu sebesar 166,147 rpm dengan daya litrik yang dihasilkan sebesar 0,381 watt dan efisiensi PLTMH 48,962% berada pada jumlah bilah 8 dengan sudut atur sebesar 45°.

Kata Kunci : Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, Kincir Air Tipe Breastshot, Pengujian Jumlah dan Sudut Bilah, Efisiensi

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Energi adalah sesuatu yang bersifat abstrak dan sulit dibuktikan tetapi dapat dirasakan keberadaannya [1], salah satu jenis energi ialah energi listrik yang saat ini menjadi salah satu kebutukan pokok manusia. Saat ini berbagai teknologi dan penelitian sedang dikembangkan untuk bisa menghasilkan energi listrik yang efisien dan murah. Sumber energi listrik berasal dari sumber energi fosil (batubara, minyak gas) dan sumber energi

terbarukan (panas bumi, angin, gelombang laut, biogas, dan air).

Sumber energi listrik di Indonesia masih didominasi oleh energi fosil dengan ketergantungan penggunaan minyak bumi sebesar 41,8%, batubara 29%, dan gas sebesar 23%. Di sisi lain, kapasitas ketersediaan energi fosil [2]: minyak bumi ±23 tahun; batubara ±80 tahun; dan gas ±50 tahun, fakta inilah yang membuat pemerintah mengeluarkan Kebijakan Energi Nasional [3] dalam Perpres No.5/2006 yang menargetkan 17% peran

(2)

energi baru terbarukan dalam energi mix pada tahun 2025.

Salah satu dari sumber energi baru terbarukan yang mudah untuk dijadikan energi listrik ialah air, saat ini banyak masyarakat yang secara swadaya membangun PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro). Kendalanya adalah PLTMH yang dibangun oleh masyarakat tidak bisa bekerja secara maksimal karena daya hidrolis yang tersedia besar namun daya listrik yang dihasilkan oleh PLTMH kecil. Selain itu minimnya publikasi mengenai pengujian dan perkembangan prototipe kincir membuat sulitnya masyarakat maupun civitas akademik untuk medapatkan referensi.

Dengan realita yang ada, maka yang akan dilakukan ialah membuat prototipe PLTMH dengan pengujian variasi jumlah bilah dan sudut bilah pada kincir air aliran

axial tipe breastshot, dengan alasan jenis

kincir breastshot lebih sering digunakan masyarakat. Diharapkan data dan hasil dari pengujian ini dapat menjadi rujukan bagi masyarakat ataupun civitas akademik dalam membuat kincir air pada kincir air aliran axial tipe breastshot, ataupun bisa menjadi bahan referensi untuk diadakan pengujian serupa dengan jenis kincir air yang berbeda.

Tujuan

a. Mencari jumlah bilah dan sudut bilah kincir air yang paling efisien untuk tipe aliran axial tipe breastshot.

b. PLTMH model kincir air tipe aliran

axial tipe breastshot, dapat diaplikasikan pada masyarakat, sehingga PLTMH tipe ini nantinya bisa bekerja dengan efisien.

Manfaat

a. Sebagai bahan referensi untuk penelitian lebih lanjut terhadap pengembangan model kincir air aliran

axial untuk tipe overshot dan undershot.

b. Sebagai rujukan penelitian/ pengujian kincir air yang dapat disempurnakan kekurangan kekurangnnya.

Perumusan Masalah

a. Bagaimana pengaruh jumlah bilah dan sudut bilah terhadap kinerja kincir air? b. Berapa besar efisiensi yang dihasilkan

dari masing-masing kincir air?

c. Kincir air dengan jumlah bilah dan sudut bilah berapakah yang bekerja paling optimal?

Dasar Teori

Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro

Mikrohidro merupakan gabungan dari 2 kata yaitu mikro (kecil) dan hidro (air), sehingga secara istilah mikrohidro adalah pembangkit listrik tenaga air skala kecil yang tidak memerlukan instalasi penyimpanan air yang luas, sehingga tidak membutuhkan banyak lahan. Sebuah

hydopower dapat disebut sebagai PLTMH

(Pembangkit Listrik Mikro Hidro) apabila daya listrik yang dihasilkan sebesar 0,5 kW – 100 kW [9].

Kincir Air Tipe Breastshot

Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan

undershot dilihat dari energi yang

diterimanya. 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 undershot

(3)

Daya Kinetik Air

Diketahui bahwa laju massa suatu fluida ialah [13] :

𝒎𝒎̇ = ρ A V ...(1) dan daya hidrolis ialah [1] :

Ph = ρ g h Q ...(2) Diketahui bahwa debit air (Q) merupakan perkalian dari luas penampang air (A) dengan kecepatan aliran air (V) [1]

Q = A V ...(3)

Sehingga dari subtutitusi persamaan (3) terhadap persamaan (2), maka :

Ph = ρ g h A V ...(4)

Dari persamaan Bernoulli diketahui bahwa [13] :

P + ρgh + 𝟏𝟏

𝟐𝟐 ρV2 = C ...(5)

Persamaan (5) menunjukkan variabel ρgh merupakan unsur dari rumus daya hidrolis, dan variabel P ≈ ρgh ≈ 1

2 ρV2,

dimana, sehingga persamaan (4) menjadi :

Ph = Pk =𝟏𝟏

𝟐𝟐 ρ V2 A V ...(6)

Dengan menggunakan persamaan (1), makan persamaan (6) menjadi :

Ph = Pk = 𝟏𝟏

𝟐𝟐 𝒎𝒎̇V2 ...(7)

Keterangan :

P = tekanan fluida [Pa]

V = kecepatan aliran air [m/s]

h = head ketinggian [m]

ρ = ketetapan massa jenis air

[1.000 kg/m3_]

Q = debit aliran air [m3/s]

g = ketetapan gravitasi [9,81 m/s2] 𝑚𝑚̇ = laju massa air [kg/s]

Ph = Daya hidrolis [Watt]

Pk = Daya kinetik air [Watt]

Daya Listrik

Pada sistem PLTMH ini daya output generator dapat didapat bila tegangan dan kuat arus diketahui, maka didapatkan rumus yaitu [15] :

PL = V x I ...(8) Keterangan :

PL = Daya listrik dari generator

[Watt]

V = Tegangan [Volt]

I = Kuat arus [Ampere]

Efisiensi

Besar efisiensi model PLTMH ialah [15] :

η = 𝑷𝑷𝒐𝒐𝒐𝒐𝒐𝒐

𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊 x 100% ...(9)

dengan PL sebagai Pout dan Pk sebagai Pin, maka rumus efisiensi yang digunakan ialah : η = 𝑷𝑷𝑳𝑳 𝑷𝑷𝒌𝒌 x 100% ...(10) Keterangan : η = Efisiensi model PLTMH [%] PL = Dayalistrik [Watt]

(4)

METODE PENELITIAN

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari pengujian yang telah dilakukan, diperoleh hubungan antara putaran

terhadap variasi jumlah bilah dan sudut bilah, sebagai berikut

Gambar 2. Grafik Hubungan Putaran Rata-rata Kincir Air terhadap

Jumlah Bilah dan Sudut Atur Bilah Gambar di atas menunjukkan bahwa nilai putaran kincir air bilah 10, 8, dan 6 akan semakin tinggi saat sudut bilahnya diatur pada 0°, 30°, dan 45°. Putaran kincir tertinggi dicapai pada jumlah bilah 8 dengan sudut 45°.

Untuk memperkuat data dari grafik di atas, maka dilakukan analisa besar efisensi kincir air dari setiap pengujian variasi jumlah bilah dan sudut bilah, sehingga perlu dilakukan perhitungan daya kinetik air dan daya listrik.

Dari pengukuran yang dilakukan, didapatkan bahwa denit air [Q] yang keluar dari nozzle sebesar 0,436 x 10-3 [m3_{/s]. Dengan diameter}nozzle sebesar

22,105 [mm], maka kecepatan air yang keluar dari nozzle dapat dicari dengan menggunakan rumus pada persamaan (3) sehingga didapatkan kecepatan air keluar

nozzle ialah 1,126 [m/s].

Untuk mencari daya kinetik air, maka digunakan rumus pada persamaan (7), dengan laju massa air yang diperoleh dari persamaan (1), dan didapatkan daya kinetik air sebesar 0,281 [Watt].

Setelah daya kinetik air didapatkan maka berikutnya ialah dengan menghitung daya listrik, yang arusnya didapatkan dengan memasangkan resistor pada output generator. Besar nilai resistor yang digunakan bervasiasi yaitu 10 [Ω], 20 [Ω], Mulai

Perhitungan komponen-komponen yang digunakan

Pembuatan model pengujian kincir air tipe breastshot

Pengujian pengaruh variasi jumlah bilah dan sudut bilah, meliputi :

- Pengujian I (variabel data meliputi putaran kincir air/tanpa pembebanan)

- Pengukuran II (variabel data meliputi putaran

kincir, putaran generator, tegangan output generator dan arus pada pembebanan dengan resistor)

Mengulangi pengujian II

Analisa data hasil pengujian Mengambil kesimpulan dan saran Selesai 85 90 95 100 105 110 0 15 30 45 P ut a ra n K inc ir R a ta -r at a [R P M ]

Besar Sudut Atur Bilah [°]

Jumlah bilah 10 Jumlah bilah 8 Jumlah bilah 6

(5)

dan 30 [Ω] sehingga di dapatkan data sebagai berikut :

Tabel 1. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah 10

Sudut Bilah [°] Tegangan [Volt], pada tahanan resistor Arus [Ampere], pada tahanan resistor 10 [Ω] [Ω] 20 [Ω] 30 [Ω] 10 [Ω] 20 [Ω] 30 0 1,1 1,4 1,5 0,09 0,06 0,0 5 30 1 1,25 1,3 5 0,08 5 0,05 5 0,0 4 45 1,15 1,6 1,7 0,1 0,07 0,0 55

Tabel 2. Data pengujian kincir air tipe breastshot dengan jumlah bilah 8 Sudut Bilah [°] Tegangan [Volt], pada tahanan resistor Arus [Ampere], pada tahanan resistor 10 [Ω] [Ω] 20 [Ω] 30 [Ω] 10 [Ω] 20 [Ω] 30 0 0,7 1,05 1,4 0,0 65 0,04 0,0 3 30 1,1 5 1,4 1,65 0,0 7 0,05 0,0 3 45 1,2 5 1,65 1,8 0,1 1 0,07 5 0,0 6

Sudut Bilah [°] Tegangan [Volt], pada tahanan resistor Arus [Ampere], pada tahanan resistor 10 [Ω ] 20 [Ω] [Ω] 30 [Ω] 10 [Ω] 20 [Ω] 30 0 0, 9 1,1 5 1,2 5 0,07 5 0,05 0,03 30 0, 95 1,2 1,3 0,08 0,06 0,03 5 45 1 1,2 2 1,3 0,09 2 0,05 5 0,04

(Lanjutan)

Data dari ketiga tabel diatas menunjukkan bahwa semakin besar nilai tahanan resistor, maka tegangan akan naik dan arus akan menurun, dan hal ini sesuai dengan teori dalam “Hukum Ohm” yang mana tegangan dan arus berbanding terbalik.

V = I x R R = 𝑽𝑽

𝑰𝑰

Sementara itu besar daya listrik yang diperoleh dari persamaan (8), tergambar oleh grafik berikut :

Gambar 3. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah,

pada pembebanan R = 10 [Ω]

Gambar 4. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah,

pada pembebanan R = 20 [Ω] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0 15 30 45 D a y a L is ti k [W a tt]

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0 15 30 45 D a y a L is tr ik [W a tt]

(6)

Gambar 5. Grafik Hubungan Daya Listrik terhadap Sudut Atur Bilah, pada

pembebanan R = 30 [Ω] Keterangan legenda gambar :

Dari grafik dan trendline yang terbentuk pada gambar 3, 4, dan 5 terlihat bahwa pada setiap kincir dengan jumlah bilah yang berbeda, memiliki daya listrik maksimal yang dihasilkan pada sudut atur bilah sebesar 45° dengan beban resistor sebesar 10 [Ω].

Dengan diperolehnya daya kinetik air dan daya listrik, maka efisiensi model PLTMH :

Gambar 6. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = 10 [Ω]

Gambar 7. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = 20 [Ω]

Gambar 8. Grafik Hubungan Efisiensi model PLTMH terhadap Sudut Atur Bilah, pada pembebanan R = 30 [Ω] Pembacaan dari grafik 6, 7, dan 8 ialah nilai efisiensi akan semakin tinggi jika nilai output (daya listrik) mendekati atau sama dengan nilai input (daya kinetik air),

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 15 30 45 D a y a L is tr ik [W a tt]

0 10 20 30 40 50 60 0 15 30 45 Ef isi en si [ % ]

Jumlah Bilah 10 Jumlah Bilah 8 0 10 20 30 40 50 0 15 30 45 Ef isi en si [ % ]

Jumlah Bilah 10

Jumlah Bilah 8

(7)

sesuai dengan rumus pada persamaan (10) yaitu : η = 𝑷𝑷𝑳𝑳 𝑷𝑷𝒌𝒌 x 100% ...(10) Keterangan : η = Efisiensi model PLTMH [%] PL = Dayalistrik [Watt]

Pk = Daya kinetik air [Watt]

Selain itu grafik 6,7 dan 8 menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi pada masing-masing kincir air terjadi pada sudut atur bilah 45°.

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari berbagai data yang didapat, serta dari perhitungan ialah:

a. Pada setiap kincir air putaran tertinggi berada pada sudut bilah 45°.

b. Pada daya kinetik air yang sama menunjukkan putaran kincir tertinggi tercapai pada jumlah bilah 8 dengan sudut bilah 45°

c. Pada sudut bilah 45°, semua kincir air menunjukan daya tertinggi, dalam pengujian ini kincir air dengan jumlah bilah 8, 10 dan 6

d. Setiap kenaikan pengaturan variabel resistor, nilai tegangan mengalami kenaikan dan nilai arus mengalami penurunan. Hal tersebut sesuai dengan rumus R = 𝑽𝑽

𝐈𝐈 , yang mana nilai

tegangan dan arus berbanding terbalik. e. Pada setiap kincir air, efisiensi model

PLTMH terbesar pada setiap kincir air berada pada sudut 45°, dalam pengujian kincir air dengan jumlah bilah 8,10 dan 6.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kami ucapkan kepada seluruh staf Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, Politeknik Negeri Jakarta yang telah mengamanahkan kami untuk menerima dana bantuan tugas akhir mahasiswa.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Pudjanarsa Astu, 2008, Nursuhud Djati, Mesin Konversi Energi, Yogyakarta : Andi Offset

[2] http://nationalgeographic.co.id/berita/ 2014 /09/hanya-23-tahun-lagi-sisa- cadangan-minyak-indonesia (dikutip

pada tanggal 25 Januari 2015, pukul 08.46)

[3] Inventarisasi Kegiatan Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru dan Terbarukan, dan Konservasi Energi 2003-2011, Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, (halaman 87)

[4] Sihombing Edis Sudianto. 2009, “Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung pada Aliran Sungai”. Skripsi. Medan : Fakultas Teknik, Universitas Sumetera Utara

[5] Riansyah Farry, 2009, “Optimasi Sudut Jatuh Air pada Model Turbin Mikrohidro dengan Plat Pengarah”. Skripsi. Depok : Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

[6] Jatmiko, Hasyim Asy’ari, Hendarto P Aryo, 2012, “Pemanfaatan Pemandaian Umum untuk Pembangkit Tenaga Listrik

Mikrohidro (PLTMH) Menggunakan Kincir Air Tipe

Overshot”, vol.12, no. 1 Maret

[7] Wahyudi Slamet, Cahyadi Dhimas Nur, Purnami, 2012, “Pengaruh Variasi Tebal Sudu terhadap Kinerja Kincir Air Tipe Sudu Datar”, Jurnal Rekayasa Mesin,vol. 3, no. 2 : 337-342

[8] Larasakti Andi Ade, Himran Syukri, Arifin A. Syamsyul, 2012, “Pembutan dan Pengujian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Turbin Banki Daya 200

(8)

Watt”, Jurnal Mekaninal, vol. 3, no. 1 : 245-253

[9] McKinney J.D, Warnick C.C, Bradley B., Dodds J, McLaughlin T.B, Miller C.L, Sommers G.L, Rinerhart B.N, Microhydropower

Handbook. Idaho: Technical

Information Center U.S. Department of Energy, 1983

[10] http://osv.org/education/water/power

(dikutip pada tanggal 15 Januari

2015, pukul 00.57)

[11]

http://tep.fateta.ipb.ac.id/learing/me dia/energi

[12] http://ishak.unpad.ac.id/?p=2090

(dikutip pada tanggal 15 Januari

2015, pukul 01.35)

[13] Munson Bruce R, Young Donald F, Okiishi Theodore H, Mekanika

Fluida Jilid 1, Jakarta : Erlangga,

2004

[14] Dietzel, F. 1998. Turbin.

Pompa dan Kompresor. Jakarta :

Erlangga

[15] Siswoyo H “Pengembangan Potensi Sumber Daya Air untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Wilayah Pedesaan”. Jurnal. Jember: Politeknik Negeri Jember, 2011