KINERJA YANG DIHASILKAN OLEH KINCIR AIR ARUS BAWAH
DENGAN SUDU BERBENTUK MANGKOK
*Luther Sule
*Kompleks Perumahan Dosen Unhas EB.17 Tamalanrea, Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Jl. Perintis Kemerdekaan KM. 10 Makassar-90245, Indonesia
Luther.sule@yahoo.co.id
ABSTRAK
Tenaga air adalah tenaga yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam bentuk energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan menggunakan kincir air (roda air) atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran sungai. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan kincir air dengan sudu berbentuk mangkok dengan bahan besi dan
acrilik, diameter kincir (Dk) 30 cm, dan diameter sudu (Ds) 9 cm. Dengan variasi jumlah
sudu yaitu 4, 6, dan 8 sudu. Memberikan debit dan pembebanan tertentu sehingga diperoleh daya. Dari hasil penelitian diketahui bahwa efisiensi tertinggi (η) dari kincir berbagai sudu terdapat pada kincir air dengan jumlah sudu 6, yaitu 57,8491% pada debit 0,01089 m3/s. Jadi dapat disimpulkan bahwa kincir air sudu dengan bentuk mangkok layak dijadikan sebagai alternatif bentuk sudu yang digunakan dalam pembuatan pembangkit listrik skala kecil. Kata kunci : arus bawah , efisiensi, energi, kincir air, sudu.
Latar Belakang
Dengan perkembangangan zaman sekarang ini, kebutuhan akan energi semakin meningkat, terutama bagi negara atau daerah yang sedang berkembang. Oleh karenanya, pemanfaatan energi secara tepat guna dapat menutupi kebutuhan energi yang terus meningkat. Di Indonesia, suplai energi masih mengandalkan pembangkit berbahan bakar fosil seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam yang tersedia dalam jumlah terbatas dan suatu saat akan habis, sementara permintaan akan energi listrik terus bertambah. Oleh karenanya pemanfaatan energi sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari dan sebagainya. Hal ini dikarenakan energi terbarukan jenis di atas mudah didapat dan dapat didaur ulang bila dibandingkan dengan energi fosil seperti minyak bumi
dan batu bara. Untuk mendapatkan sumber energi fosil harus dilakukan proses yang rumit dan membutuhkan waktu yang lama. Selain itu sumber energi fosil sekarang ini jumlahnya sudah berkurang dan tidak dapat diperbaharui.
Sumber-sumber energi terbarukan seperti energi matahari, panas bumi, energi air, energi angin dan sebagainya memenuhi kriteria sehingga dalam pemanfaatannya terbukti dapat mengurangi penggunaan energi fosil yang kian terbatas jumlahnya.
Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi dalam penggunaannya adalah energi air. Mengingat negara kita merupakan negara-negara beriklim tropis dan mempunyai curah hujan yang tinggi ditambah dengan faktor pendukung seperti keadaan topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang deras sehingga sangat berpotensi untuk dijadikan sebagai pembangkit tenaga listrik.
Tenaga air adalah tenaga yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam bentuk energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air (roda air) atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran sungai. Bentuk profil mangkok merupakan salah satu bentuk profil yang memiliki nilai koefisien drag yang tinggi setelah plat datar, yaitu dengan nilai 1,42. Semakin besar nilai koefisien drag yang dimiliki oleh sebuah profil, maka semakin besar kemampuannya untuk memanfaatkan tenaga air yang menghantamnya.
METODOLOGI DAN PERALATAN Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini telah dilakukan pada bulan Maret - April 2012,bertempat di aboratorium Mesin-mesin Fluida, Universitas Hasanuddin Makassar.
Instalasi Alat Pengujian
Gambar 1. Tampakan instalasi alat uji.
Gambar 2. Kincir air sudu 4
Gambar 3. Kincir air sudu 8
Gambar 4. Foto Instalasi Pengujian
Hasil dan Pembahasan
Dengan selesainya melakukan pengujian dan pengolahan data pada kincir air dengan model sudu berbentuk mangkok, maka diperoleh data-data antara lain,
debit air, daya ideal air, torsi, daya kincir, dan efisiensi atau kinerja dari kincir. Daya ideal air yang diperoleh berbeda-beda, hal ini disebabkan berbedabedanya debit air. Dimulai dari debit air 0,01089 m3/s (Q1), 0,01156 m3/s (Q2), hingga 0,01228 m3/s (Q3). Semakin besar debit air, maka daya ideal air juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan rumus :
Pair = ½ * ρ * Q * V
= ½ * ρ * A * V3………(1) Dimana :
Pair = daya yang dimiliki oleh air (watt) Ρ = massa jenis air (kg/m3)
A2 = luas penampang sudu yang dihantam oleh air (m2)
Ketika kincir berputar, dan apabila digantungkan beban, maka akan terjadi pengereman berupa gesekan antara roda pembebanan dengan tali pembebanan
sehingga terjadi momen puntir pada poros yang biasa dikenal dengan Torsi,
sehingga torsi dapat disimpulan sebagai : T = F * rk
= m * g * rk ,………..(2) Dimana :
T = besarnya torsi yang terjadi (N.m) m = massa pembebanan (kg)
g = gravitasi = 9,81 m/s2 rk = jari-jari roda pembebanan Efisiensi/Kinerja roda air.
• Daya Poros: P = T x ω… (3) • ω = 2πn/60 ………..(4) • Efisiensi instalasi Roda air • ηins= P / Pair * 100%...(5)
Hubungan antara torsi dan pembebanan cenderung berbanding lurus, artinya semakin besar pembebanan, maka torsi yang terjadi juga semakin besar dan
begitu pula sebaliknya. Hal ini diperlihatkan contoh tabel dari hasil perhitungan kinicr air sudu 8 dan pada debit Q3 dibawah ini :
Tabel.1 Putaran dan torsi yang terjadi pada kincir air sudu 8 dengan debit Q3
Setiap pembebanan yang diberikan kepada kincir air akan mengurangi putaran poros kincir. Hal ini terjadi disebabkan adanya pengereman pada poros yang mengakibatkan putaran poros berkurang sedikit demi sedikit hingga tidak terjadi putaran lagi. Kincir air akan menghasilkan daya karena kincir tersebut dapat megimbangi torsi yang diberikan. Bila
torsi yang di berikan sama dengan nol, maka kincir air tidak akan menghasilkan daya karena kincir akan berputar sangat cepat sebagai akibat tidak adanya pembebanan yang diberikan (tidak terjadi pengeraman). Sebaliknya, jika diberikan torsi maksimal maka kincir akan berhenti berputar sehingga tidak akan menghasilkan daya. Diantara kedua nilai tersebut terdapat nilai maksimum dimana terjadi daya maksimum dari sebuah kincir air. Sehingga apabila dibuat dalam bentuk sebuah grafik maka akan membentuk sebuah garis setengah parabola (kecenderungan). Berikut adalah grafik 1, grafik 2 dan grafik 3 yang memperlihatkan perbandingan antara daya kincir (P kincir) terhadap putaran (n) dari kincir air berbagai jumlah sudu dan berbagai debit.
Tabel.2 Daya maksimum pada berbagai jumlah sudu dan berbagai debit.
Dari tabel 2 di atas dapat diketahui, untuk sudu 4 daya maksimum untuk tiap pertambahan debit jika digambarkan dalam sebuah grafik maka akan menunjukkan sebuah garis setengah parabola dimana terdapat titik maksimum dan titik minimum. Untuk sudu 6, daya maksimum berbanding terbalik terhadap pertambahan debit. Dan untuk sudu 8, daya maksimum berbanding terbalik terhadap pertambahan debit. Dari tabel 7 di atas juga dapat diketahui, untuk jumlah sudu 4, daya maksimum terjadi pada Q2, untuk jumlah sudu 6, daya maksimum terjadi pada Q1, dan untuk jumlah sudu 8, daya maksimum terjadi pada Q1. Berikut adalah grafik 4 yang memperlihatkan perbandingan antara daya kincir
maksimum (Pkincir) terhadap putaran (n) pada berbagai jumlah sudu kincir air
Tabel.3 Efisiensi maksimum pada berbagai jumlah sudu.
Dari hasil pengamatan diketahui bahwa fisiensi maksimum (η) berbanding lurus terhadap daya kincir air maksimum Pkincir). Dari tabel 8 diatas, dapat disimpulkan bahwa efisiensi tertinggi dimiliki oleh kincir air dengan jumlah sudu 6, yaitu 57,8491 %. Berikut adalah grafik 8 yang memperlihatkan hubungan antara efisiensi maksimum kincir air (η) terhadap putaran (n) pada berbagai jumlah sudu.
Hubungan antara daya maskimum dan fisiensi maksimum adalah daya maksimu terjadi dibawah efisiensi maksimum.
efisiensi maksimum kincir air (η) dan daya maksimum kincir air (Pkincir) terhadap putaran (n) untuk kincir air dengan jumlah sudu 6 (kincir air yang memiliki efisiensi tertinggi dibandingkan kicir air dengan jumlah sudu lainnya).
Dari hasil seluruh pengamatan dapat diketahui bahwa kincir air dengan jumlah sudu lebih bagus dari pada kincir air dengan jumlah sudu 4 ataupun 8. Hal ini disebabkan oleh beberapa alas an, antara lain untuk jumlah sudu 8 tidak menghasilkan efisiensi yang baik dikarenakan daya potensial air tidak dapat dimanfaatkan sepenuhnya oleh tiap sudu, dimana ketika sudu mulai memasuki air atau mendapat gaya dorong dari air, sebelum sudu dapat memaksimalkan daya potensial dari air, sudu berikutnya telah memasuki air yang kemudian menghalagi jalannya air menumbuk sudu pertama. Untuk jumlah sudu 4, daya potensial air dapat dimaksimalkan, tetapi sudu juga mendapatkan gaya tekanan balik yang maksimal sebagai akibat dari bentuk profil mangkok sehingga tidak dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi. Sedangakan untuk jumlah sudu 6 dapat menghasilkan efisiensi yang lebih baik baik dari pada jumlah sudu yang lain, karena daya ptensial air yang dimanfaatkan dapat dimaksimalkan sehingga tidak menghasilkan tekanan balik yang begitu besar sebagai aikibat dari jumlah sudu itu sendiri. Dimana ketika sudu pertama memasuki air, daya potensial air yang diterima belum maksimal karena
potensial air yang tidak dapat imanfaatkan dari sudu pertama dapat digantikan oleh sudu kedua, dan begitu seterusnya.
KESIMPULAN
1. Dari hasil pengamatan diketahui bahwa efisiensi tertinggi (η) dari kincir berbagai sudu terdapat pada kincir air dengan jumlah sudu 6, yaitu 57,8491% pada debit 0,01089 m3/s.
2. Dari hasil penelitian diketahui bahwa efisiensi maksimum (η) berbanding lurus dengan daya kincir maksimum (Pkincir) atau daya maksimum (Pkincir) terjadi dibawah efisiensi maksimum (η). Dan adapun Penyimpangan nilai-nilai hasil pengujian terhadap garis ideal pada grafik adalah dikarenakan adanya tekanan balik dari arus yang mengalir dan menghantam sudu mangkok (terjadi aliran turbulensi).
Referensi
1. Anonim. http://24volt.eu/poncelet.php. Diakses pada tanggal 15 Mei 2012 2. Anonim.
http://www.top-alternative- energy-sources.com/water-wheel-design.html. Diakses pada tanggal 15 Mei 2012
3. Anonim. http://wikipedia.com/fisika. Diakses pada tanggal 15 Mei 2012 4. Himran, Syukri. 2006. Dasar-dasar
merencana Turbin Air. CV Bintang
Lamumpatue, Makassar
5. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga, Jakarta
6. Prayatmo, Wibowo. 2007. Turbin Air. Graha Ilmu, Yogyakarta
7. Suharsono. 2004. Kincir Air
Pembangkit Listrik. PT Penebar
Swadaya, Jakarta
8. White, Frank M, Hariandja, Manahan. 1986. Mekanika Fluida (Terjemahan).
Edisi I, Erlangga, Jakarta
9. Yusri, Aidil Z, Asmed. 2004. Analisa
Daya dan Putaran Kincir Air
Tradisional Sebagai Alternatif Sumber Daya Penggerak. Jurnal Teknik Mesin,
Politeknik Negeri Padang, Vol 1, No 2. Padang
