PERANCANGAN TURBIN SCREW UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK PIKO HIDRO (Tugas Akhir) Oleh Rahmad Ramadhan 1905101009 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2022
PERANCANGAN TURBIN SCREW UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK PIKO HIDRO Oleh : RAHMAD RAMADHAN 1905101009 Tugas Akhir Sebagai salah satu syarat untuk Mencapai Gelar AHLI MADYA TEKNIK (A.Md.T) Pada Program Studi Diploma III Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2022
ABSTRAK PERANCANGAN TURBIN SCREW UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK PIKO HIDRO Oleh: Rahmad Ramadhan Sumber alam Indonesia yang sangat berpotensi sebagai pembangkit listrik adalah sumber energi air, mengingat Indonesia memiliki kekayaan hutan dan sungai yang sangat banyak. Khususnya di provinsi Lampung. Ketersediaan dan jumlah air yang banyak seringkali digunakan untuk mengairi persawahan warga tetapi pemanfaatan sumber air untuk kebutuhan energi tenaga listrik sangat kurang. Kabupaten Pesawaran memiliki potensi sumber daya air yang cukup banyak untuk dijadikan tempat percobaan pembuatan PLTpH, kondisi perairan dan sumber air yang melimpah hanya dibiarkan begitu saja tanpa pengelolaan khusunya pada sumber air yang bisa digunakan sebagai sumber energi listrik dengan cara menggerakkan turbin pada aliran air sungai. Pembangkit listrik tenaga Piko Hidro (PLTpH) adalah pembangkit listrik tenaga air berskala kecil kurang dari 5 kW per unit yang menggunakan tenaga air sebagai penggeraknya dengan memanfaatkan beda ketinggian hulu dan hilir air (head), jumlah debit air, maupun tekanan air lainnya. Khusus untuk piko hidro, pengembangannya biasanya Pemanfaatan potensi PLTpH dapat dilakukan di saluran irigasi, sungai, dan air terjun memanfaatkan potensi aliran air dengan head (ketinggian) dan debit tertentu yang dikonversi menjadi energi listrik melalui turbin screw dan generator. Kata Kunci : PLTpH, Aliran Air, Turbin Screw.
ABSTRACT SCREW TURBINE DESIGN FOR PIKO HYDRO POWER PLANT To: Rahmad Ramadhan Indonesia's natural resources that have the potential to generate electricity are water energy sources, considering that Indonesia has a wealth of forests and rivers. Especially in Lampung province. The availability and large amount of water is often used to irrigate the people's rice fields, but the use of water sources for electricity needs is very lacking. Pesawaran Regency has quite a lot of potential water resources to be used as a trial site for making PLTpH, the condition of the waters and abundant water sources is just left without management, especially for water sources that can be used as a source of electrical energy by driving turbines in river water flow. Pico Hydro Power Plant (PLTpH) is a small-scale hydroelectric power plant of less than 5 kW per unit that uses hydropower as its propulsion by utilizing the difference in upstream and downstream water levels (head), amount of water discharge, and other water pressures. Particularly for pico-hydro, the development is usually Utilization of the potential of PLTpH can be carried out in irrigation canals, rivers and waterfalls utilizing the potential of water flow with a certain head (height) and discharge which is converted into electrical energy through screw turbines and generators. Keywords : PLTpH, Water Flow, Screw Turbine.
iii RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan pada tanggal 03 Januari 2000, merupakan anak pertama dari dua bersaudara, dari pasangam bapak Eko Subiyanto dan ibu Yulida. Penulis menyelesaikan pendidikan SD Negeri Sukamenanti Baru pada tahun 2012 dan selanjutnya penulis menyelesaikan pendidikan di SMP Negeri 10 Bandar Lampung pada tahun 2015. Kemudian pada tahun 2018 penulis menyelesaikan pendidikannya di SMK NEGERI 5 Bandar Lampung. Sejak 2019 penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Penerimaan Mahasiswa Program Diploma (PMPD). Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) sebagai anggota Dana dan U saha (2020 – 2021). Pada tanggal 02 Agustus hingga 02 Oktober 2021 penulis melaksanakan Kerja Praktik (KP) di PT. Perkebunan Nusantara VII Unit Bakri dengan judul “ PERAWATAN MESIN THRESHER DI PTPN VII UNIT BAKRI”. Kemudian pada September tahun 2022 penulis mengerjakan Proyek Akhir dengan judul “PERANCANGAN TURBIN SCREW UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK PIKO HIDRO”. Dibawah bimbingan bapak Ahmad Yonanda, S.T., M.T.dan dengan dosen penguji bapak Dr. Harmen, S.T.,M.T.
iv MOTTO Prinsipku jauh lebih penting dibandingkan uang maupun gelar. -Muhammad AliSeribu orang tua bisa bermimpi, satu orang pemuda bisa mengubah dunia. -Bung KarnoTerkadang kita terlalu sibuk memikirkan kesulitan-kesulitan sehingga kita tidak punya waktu untuk mensyukuri rahmat tuhan. -Jendral sudirmanTerkadang kesulitan harus kamu rasakan terlebih dahulu sebelum kebahagiaan yang sempurna datang kepadamu. -R.A. Kartini Remember that your journey is your own. Do not allow yourself to be pressured if the source ot that pressure is somebody else other than yourself. Others are entitled to their lives and opinions, as you to yours. -Maudy Ayunda-
v PERSEMBAHAN Dengan kerendahan hati ini ku persembahkan tugas akhirku ini untuk : Diriku, Ayah, Ibu Serta Keluargaku Tercinta Dan - Almamater Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung. Dan Rekan – Rekan Teknik Mesin 2019 Terkhusus D3 Teknik Mesin 2019 Dan Sekar Ayu Hari Murti
vi SANWACANA Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Proyek Akhir sesuai dengan waktu yang ditetapkan. Laporan Proyek Akhir ini ditujukan untuk memenuhi salah satu syarat wajib untuk mencapai gelar Ahli Madya Teknik jenjang Diploma III Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung. Selain itu Proyek Akhir ini ditujukan untuk mengamati dan mengetahui secara langsung proses pembuatan pompa hidram yang bermanfaat bagi masyarakat dan khususnya bagi penulis. Selama penyusunan Proyek Akhir berlangsung penulis dibantu dan diberikan saran dari berbagai pihak sehingga terealisasinya Laporan Proyek Akhir ini. Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Dr. Amrul S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung. 2. Ahmad Yonanda, S.T., M.T., Pembimbing Proyek Akhir atas kesediaannya memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses penyelesaian Laporan Proyek Akhir ini. 3. Dr. Harmen, S.T., M.T., selaku ketua program studi Diploma III Teknik Mesin Universitas Lampung. Sekaligus dosen Penguji Proyek Akhir. Terima kasih untuk masukan dan saran pada seminar Laporan Proyek Akhir.
vii 4. Kedua Orang tua penulis, Kakak, serta keluarga besar yang penulis cintai dan selalu memberikan do’a, motivasi serta semangat materil maupun moril dalam penyusunan Proyek Akhir ini. 5. Semua temen-temen Teknik Mesin 2019 yang telah memberikan semangat sampai saat ini. 6. Keluarga besar Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) khususnya HIMATEM angkatan 2019 yang telah banyak memberikan dukungan dan juga semangat dalam penyusunan laporan ini. 7. Teman proyek PLTpH Fikri Rinu Pratama yang selalu bekerja sama dalam pembuatan tugas akhir. 8. Pasanganku Sekar Ayu Hari Murti yang selalu memberikan support serta dukungan nya. Akhir kata, semoga Laporan Proyek Akhir ini dapat berguna dan dapat bermanfaat bagi banyak pihak dan bagi pembaca serta bagi penulis. Bandar Lampung , 14 Desember 2022 Penulis, Rahmad Ramadhan NPM : 1905101009
i DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang....................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penulisan Proyek Akhir.............................................................. 3 1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 3 1.4 Sistematika Penulisan ............................................................................ 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTpH) ................................... 5 2.1.1 Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro ................... 6 2.2 Turbin Air.............................................................................................. 7 2.2.1 Prinsip Kerja Turbin ....................................................................... 8 2.2.2 Parameter performa turbin screw .................................................. 13 2.3 Generator............................................................................................. 15 2.3.1 Jenis Generator............................................................................ 17 2.3.2 Spesifikasi Generator................................................................... 18 BAB III METODOLOGI.................................................................................. 19 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian .............................................................. 19 3.1.1 Tempat Proyek Akhir.................................................................... 19 3.1.2 Waktu dan Pelaksanaan Proyek Akhir........................................... 19 3.2 Alat...................................................................................................... 19 3.2.1 Voltmeter......................................................................................... 20 3.2.2 Ampermeter...................................................................................... 20 3.2.3 Stopwatch..................................................................................... 21
ii 3.2.4 Ph Meter....................................................................................... 21 3.2.5 Tachometer................................................................................... 22 3.2.6 Flowmeter .................................................................................... 23 3.3 Diagram Alir........................................................................................ 23 3.4 Survei Potensi Aliran Air..................................................................... 24 3.5 Perhitungan Efisiensi PLTA Skala Piko Hidro ..................................... 27 3.6 Mengumpulkan alat dan bahan turbin screw......................................... 29 3.7 Merakit pemodelan turbin ulir pada PLTpH......................................... 29 3.8 Proses uji coba turbin ulir pada PLTpH................................................ ................................................................................. 31 4.1 Perancangan Komponen Turbin Screw Menggunakan Software Desain31 4.1.1 Screw (sudu)................................................................................. 31 4.1.2 Rumah Screw ............................................................................... 32 4.1.3 poros screw................................................................................... 32 4.1.4 Rangka Turbin.............................................................................. 33 4.1.5 Bentangan Sudu Turbin ................................................................ 33 4.2 Hasil Perancangan dan Pembuatan Turbin Screw untuk PLTPH ......... 35 4.3 Pengoprasian Turbin Screw Sebagai PLTPH........................................ 37 4.4 Parameter Desain Turbin Screw........................................................... 37 4.5 Pertimbangan Matrial........................................................................... 38 29 3.9 Proses penyusunan laporan akhir ......................................................... 30 BAB IV PEMBAHASAN
iii 4.7 PLTA Berdasarkan Kapasitasnya ......................................................... 39 BAB V PENUTUP ........................................................................................... 40 5.1 Kesimpulan.......................................................................................... 40 5.2. Saran ................................................................................................... 40
iv DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Alur PLTpH ....................................................................................... 6 Gambar 2. Turbin Implus..................................................................................... 8 Gambar 3. Turbin Pelton...................................................................................... 9 Gambar 4. Turbin Turgo ...................................................................................... 9 Gambar 5. Turbin Crossflow.............................................................................. 10 Gambar 6. Turbin Kaplan................................................................................... 11 Gambar 7. Turbin Francis .................................................................................. 12 Gambar 8.Turbin Screw..................................................................................... 13 Gambar 9. Model Turbin Screw Skala Laboratorium.......................................... 13 Gambar 10. Generator sinkron 3 phasa............................................................... 17 Gambar 11. Voltmeter........................................................................................ 20 Gambar 12. Ampermeter.................................................................................... 20 Gambar 13. Stopwatch....................................................................................... 21 Gambar 14. Ph Meter......................................................................................... 22 Gambar 15. Tachometer..................................................................................... 22 Gambar 16. Flowmeter ...................................................................................... 23 Gambar 17. Diagram Alir Turbin Screw............................................................. 24 Gambar 18. Skema Head ................................................................................... 25 Gambar 19. Screw.............................................................................................. 31 Gambar 20. Rumah Screw ................................................................................. 32 Gambar 21. Poros Screw.................................................................................... 32 Gambar 22. Rangka Turbin ................................................................................ 33 Gambar 23. Bentangan Turbin ........................................................................... 33 Gambar 24. Hasil rancangan turbin screw untuk PLTPH.................................... 35
v DAFTAR TABEL Tabel 1. Spesifikasi Generator ........................................................................... 18 Tabel 2. Hasil Perancangan dan Pembuatan Turbin Screw ................................. 36 Tabel 3. Pemilihan Bahan Matrial ...................................................................... 38 Tabel 4. Jenis PLTA berdasarkan kapasitasnya .................................................. 39
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sumber alam Indonesia yang sangat berpotensi sebagai pembangkit listrik adalah sumber energi air, mengingat Indonesia memiliki kekayaan hutan dan sungai yang sangat banyak. khususnya di provinsi Lampung. Ketersediaan dan jumlah air yang banyak seringkali digunakan untuk mengairi persawahan warga tetapi pemanfaatan sumber air untuk kebutuhan energi tenaga listrik sangat kurang. Terlepas dari masalah pengairan di berbagai wilayah di pedesaan khusunya di provinsi Lampung yang dalam kenyataannya masih banyak sumber aliran irigasi yang belum begitu dimanfaatkan untuk menjadi sumber energi listrik dan masih ada beberapa titik lokasi dan rumah warga yang kurang penerangan cahaya dibeberapa wilayah (Juliana et al., 2018). Kabupaten Pesawaran memiliki potensi sumber daya air yang cukup banyak untuk dijadikan tempat percobaan pembuatan PLTpH, kondisi perairan dan sumber air yang melimpah hanya dibiarkan begitu saja tanpa pengelolaan khusunya pada sumber air yang bisa digunakan sebagai sumber energi listrik dengan cara menggerakkan turbin pada aliran air sungai. Kebutuhan listrik di era saat ini akan terus meningkat seiring dengan membaiknya kondisi perekonomian, pertambahan jumlah penduduk, dan peningkatan pembangunan (Suyanto et al., 2021).
2 Keterbatasan jumlah pembangkit listrik ternyata tidak dapat mengimbangi kebutuhan masyarakat yang saat ini sangat bergantung pada sumber energi listrik. Pembangkit listrik tenaga Piko Hidro (PLTpH) adalah pembangkit listrik tenaga air berskala kecil kurang dari 5 kW per unit yang menggunakan tenaga air sebagai penggeraknya dengan memanfaatkan beda ketinggian hulu dan hilir air (head), jumlah debit air, maupun tekanan air lainnya. Khusus untuk piko hidro, pengembangannya biasanya Pemanfaatan potensi PLTpH dapat dilakukan di saluran irigasi, sungai, dan air terjun memanfaatkan potensi aliran air dengan head (ketinggian) dan debit tertentu yang dikonversi menjadi energi listrik melalui turbin dan generator (Syahputra et al., 2017). Turbin air adalah suatu alat yang mengubah energi air menjadi energi punter. Berdasarkan prinsip kerja turbin air dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. turbin air di bedakan menjadi dua yaitu turbin implus terdiri dari pleton, turgo, crossflow, sedangkan turbin reaksi terdiri dari francis, Kaplan, dan screw (Uyun, 2020). Turbin screw merupakan jenis turbin yang dapat beroprasi optimal pada head (ketinggian) dan debit yang tinggi. Turbin ini beroprasi dengan putaran yang tinggi dan masih tergolong baru dikembangkan di Indonesinnya terutama pada wilayah yang perairannya yang cukup besar. prinsip kerja turbin screw ini didasari atas sistem kerja pompa screw yang berfungsi mengangkat air dari sungai menuju permukaan. (Kusuma et al., 2020).
3 Jenis screw digunakan untuk head yang tinggi (h = 40 s/d 1300 m) dan debit aliran besar (Q = 0,15 s/d 500 m3/s) namun memiliki putaran turbin yang lambat. Pemilihan jenis turbin sangat penting karena mengkombinasikan pertimbangan dari debit, head, kapasitas mengingat kondisi aliran sungai di desa Srengsem sangat kecil (berdasarkan survey: debit aliran Q = 0,002 m3/s). Jenis turbin yang tepat untuk kondisi mitra yakni jenis turbin screw karena turbin ini bisa di aplikasikan pada head yang rendah. Prinsip kerja turbin screw ini didasari atas sistem pompa screw yang berfungsi mendorong air dari sungai menuju permukaan. Turbin screw pada prinsip kerjanya merupakan kebalikan dari pompa ulir. Air yang mempunyai head tertentu walaupun dengan debit yang rendah mampu memutar turbin screw yang akan dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan listrik (Yonanda et al., 2022). 1.2 Tujuan Penulisan Proyek Akhir Adapun tujuan penulisan proyek akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Merancang turbin screw sebagai pembangkit listrik piko hidro. 2. Menganalisis turbin screw. 1.3 Batasan Masalah Dari keseluruhan pembahasan perencanaan pembangkit listrik, yang menjadi fokus pada pembahasan laporan tugas akhir ini ialah perancangan pembangkit listrik piko hidro dengan menggunakan turbin screw. Adapun
4 dilakukan pengerjaan pada turbin screw ini yaitu dilakukan dengan ketersediaan bantuan ketersediaan alat – alat yang ada di laboratorium termodinamika fakultas teknik Universitas Lampung. 1.4 Sistematika Penulisan Laporan ini dibahas dan disusun secara berurutan untuk memberikan gambaran umum tentang perancangan pembangkit listrik dengan menggunakan turbin screw, antara lain sebagai berikut: 1. BAB I PENDAHULUAN Berisi tentang latar belakang penulisan laporan, maksud dan tujuan penulisan, ruang lingkup pembahasan dan sistematika pembahasan. 2. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pada bab ini dijelaskan tentang studi kasus yang diangkat dalam laporan proyek akhir. 3. BAB III METODOLOGI Pada bab ini menjelaskan tentang alat dan bahan/material serta pembuatan turbin screw. 4. BAB IV PEMBAHASAN Bab ini menjelaskan tentang jalannya desain dan pembuatan turbin screw. 5. BAB V PENUTUP Bab ini menjelaskan tentang kesimpulan dan saran dari hasil proyek akhir.
5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTpH) Pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTpH) adalah pembangkit listrik yang menggunakan energi air berskala kecil, biasanya di aplikasikan di aliran sungai atau air terjun dengan memanfaatkan beda ketinggian hulu dan hilir air (head), jumlah debit air, maupun tekanan airnya. Rentang daya pada PLTpH yaitu dibawah 5 kW per unit (Syahputra et al., 2017). Pembangkit ini memiliki beberapa keunggulan, sebagai berikut: Biaya pembuatan relatif murah. Bahan pembuatan mudah ditemukan di pasaran. Ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan-bahan berbahaya. Pembangunannya dapat dipadukan dengan pembangunan jaringan irigasi. Perkembangan teknologi masih sangat sedikit, sehingga cocok digunakan dalam jangka waktu yang lama. Tidak membutuhkan perawatan yang rumit dan dapat digunakan cukup lama. Ukurannya yang kecil, cocok digunakan di daerah pedesaan yang belum terjangkau jaringan listrik PLN.
6 Pembangkit Listrik Piko Hidro (PLTPH) merupakan bagian dari pembangkit listrik tenaga air. Pembangkit listrik tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator (Syahputra et al., 2017). 2.1.1 Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro Gambar 1. Alur PLTpH Pembangkit listrik tenaga air skala piko pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator kemudian generator menghasilkan energi listrik. Pada saluran irigasi ini terdapat penyaringan sampah untuk menyaring kotoran yang mengambang diatas air, kolam pengendap untuk mengendapkan kotoran, saluran pembuangan untuk membuang kelebihan
7 air yang mengalir melalui saluran akibat banjir dengan melalui pintu saluran pembuangan. Akhir dari saluran ini adalah sebuah kolam penenang (forebay tank) yang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini berfungsi juga untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. Pipa pesat (penstock) ini akan mengalirkan air ke rumah pembangkit (power house) yang terdapat turbin dan generator di dalamnya. Besar volume air yang masuk ke pipa pesat diatur melalui pintu pengatur. Turbin pada proses pembangkitan listrik ini berputar karena adanya pengaruh energi potensial air yang mengalir dari pipa pesat dan mengenai sudu – sudu turbin. Berputarnya turbin kemudian akan mengakibatkan generator juga berputar sehingga generator dapat menghasilkan energi listrik sebagai keluarannya (Kusuma et al., 2020) 2.2 Turbin Air Turbin air merupakan mesin penggerak mula (primer mover engine) dimana air sebagai fluida kerjanya. Air mempunyai sifat alami mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju tempat yang lebih rendah, dalam hal ini memiliki energi potensial. Proses aliran energi potensial ini berangsur – angsur berubah menjadi energi kinetik, di dalam turbin energi kinetik tersebut diubah menjadi energi mekanik yaitu dengan terputarnya runner turbin. Selanjutnya energi dari runner turbin ditransfer ke poros generator dan mengubahnya menjadi energi listrik.
8 2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Turbin Implus (Impluse Turbine) Yaitu turbin yang digerakkan oleh sebuah atau beberapa pancaran air (water jet) berkecepatan tinggi. Gambar 2. Turbin Implus Jenis – jenis turbin implus : a) Turbin Pelton Turbin Pelton merupakan turbin impuls yang prinsip kerjanya mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik dalam bentuk pancaran air. Pancaran air yang keluar dari mulut nozzle diterima oleh mangkok – mangkok pada roda jalan sehingga roda jalan berputar.
9 Gambar 3. Turbin Pelton b) Turbin Turgo Turbin turgo merupakan turbin impuls yang dapat digunakan dalam head 15m hingga 300m. Semburan air dari nozzle diatur dengan sudut 20-30o dari sudu turbin (Nugraha et al., 2022). Gambar 4. Turbin Turgo c) Turbin Crossflow Turbin crossflow atau turbin aliran silang merupakan turbin implus aliran bebas dengan tinggi terjun ketinggian sedang atau rendah. Panjangnya
10 roda air ini tergantung pada banyak dan sedikitnya air yang akan ditangkap (Jabar et al., 2020). Gambar 5. Turbin Crossflow 2. Turbin Reaksi (Reaction turbine) Yaitu turbin yang digerakkan oleh gaya tekanan air. Rotor dari turbin reaksi terbenam secara keseluruhan dalam air dan ditutupi oleh selubung tekan (pressure casing). Sudu – sudu runner mempunyai bentuk profil sedemikian rupa sehingga perbedaan tekanan air yang melewatinya menimbulkan gaya – gaya hidronamis yang selanjutnya gaya – gaya tersebut memutar turbin dengan cepat. Jenis – Jenis turbin reaksi adalah turbin kaplan dan turbin francis (Malino, 2021).
11 Jenis – Jenis turbin reaksi adalah: a. Turbin Kaplan Turbin Kaplan merupakan turbin yang menggunakan air sebagai fluida kerjanya. Prinsip kerja turbin kaplan adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yaitu roda jalan yang digunakan untuk memutar generator (Seminar et al., 2021). Gambar 6. Turbin Kaplan b. Turbin Francis Turbin francis merupakan jenis turbin reaksi yang menggabungkan aliran radial dan aksial konsep. Turbin francis merupakan turbin air yang paling umum digunakan saat ini, dapat beroprasi dalam kisaran head 40 hingga 600 meter untuk digunakan dalam produksi listrik.
12 Gambar 7. Turbin Francis 3. Turbin Gravitasi (gravity turbine) Yaiu turbin yang secara sederhana digerakkan oleh gaya berat air memasukki bagian atas turbin dan mengalir atau jatuh ke bagian bawah keluaran (outlet) turbin. Jenis ini merupakan jenis turbin berkecepatan rendah. Jenis – jenis turbin gravitasi adalah turbin screw. Jenis turbin gravitasi adalah : a) Turbin Screw Turbin Screw merupakan salah satu turbin yang sangat efisien untuk dioperasikan pada aliran air yang mempunyai head rendah dan debit tinggi. Turbin screw bekerja pada kisaran ketinggian (head) 1 – 15m. Proses perubahan energi pada turbin screw yaitu energi tekanan dan kinetik dalam air yang menumbuk sudu ulir (blade) akan menimbulkan gaya – gaya hidronamis pada sudu ulir tersebut. Gaya – gaya tersebut mengakibatkan perubahan tekanan pada sudu ulir (blade) turbin. Perubahan ini akan memutar blade dan poros turbin. Energi puntir yang terdapat pada poros selanjutnya ditransmisikan untuk memutar generator. Jadi pada prinsipnya, turbin ulir merupakan pembalikan dari fungsi turbin ulir itu sendiri. Secara hitoris, turbin screw digunakan dalam irigasi untuk mengangkat air ke tingkat yang lebih tinggi. Ketika digunakan sebagai turbin air prinsipnya tetap sama. Turbin screw dapat bekerja pada head 1 meter, dan tidak umum digunakan pada head kurang dari 1,5 meter karena
13 alasan ekonomi dan teknis. Turbin screw biasanya ditetapkan pada kemiringan 220 dari horizontal, yang merupakan optimum untuk instalasi yang hemat biaya (Nugroho, 2017). Gambar 8.Turbin Screw 2.2.2 Parameter performa turbin screw Gambar 9. Model Turbin Screw Skala Laboratorium - Kemiringan turbin Posisi kemiringan yang tajam dengan maksud agar diperoleh kecepatan dan tekanan air yang tinggi untuk memutar turbin, semakin
14 besar tekanan atau kecepatan air maka daya putar turbin akan semakin cepat yang sangat berpengaruh terhadap daya output yang dihasilkan oleh generator (Slameto et al., 2020). - Debit Debit air yang digunakan akan sangat berpengaruh pada daya hidrolis yang nantinya dihasilkan. Berikut merupakan persamaan yang digunakan untuk menghitung debit air: debit () = volume (v) waktu (t) - Daya Hidrolis Pembangkit listrik tenaga air merupakan suatu pertukaran dari energi kinetik air dan ketinggian jatuh air yang dikonversi menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: pa = p.g.Q.h `Keterangan : Pa = daya hidrolis (watt) p = massa jenis fluida (kg/m3 ) Q = debit air (ltr/s) h = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s2 )
15 Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya keluaran. Berdasarkan rumus diatas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air. Pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTpH) pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi maupun sungai. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya dapat menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik (Syahputra et al., 2017). 2.3 Generator Generator adalah suatu komponen elektronik yang sumber tegangan listriknya diperoleh melalui perubahan energi mekanik menjadi energi listrik. Pada dasarnya generator bekerja pada prinsip induksi elektromagnetik, yaitu dengan memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi. Secara umum, generator yang digunakan untuk menghasilkan listrik berjenis generator sinkron. Berdasarkan fluks magnet yang dihasilkan, generator sinkron magnet permanen terbagi menjadi dua, yaitu: Generator magnet permanen dengan fluks radial / Generator MPFR (Radial Flux Permanent Magnet Generator). Generator magnet permanent denan fluks aksial / Generator MPFA (Axial Flux Permanent Magnet Generator).
16 Untuk pembangkit energy berskala kecil, generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu pilihan terbaik. Generator fluks aksial adalah salah satu jenis mesin listrik yang dapat membangkitkan energi listrik dengan arah aliran fluks secara aksial. Generator ini biasa disebut dengan AFPM (Axial Flux Permanent Geenerator), karena generator ini membangkitkan medan magnet dari kutub magnet permanen yang terletak pada rotor sehingga tidak diperlukan pencatuan arus searah untuk membangkitkan garis – garis medan magnet. Generator ini dapat mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik yang menghasilkan arus bolak – balik yang terdiri dari stator dan rotor dengan memiliki arah aliran fluks yang memotong stator secara aksial (Jabar et al., 2020). Untuk menghitung daya generator yang dihasilkan dapat menggunakan persamaan sebagai berikut : Pg = Pt x ƞ Dimana : Pg = Daya generator (watt) Pt = Daya turbin (watt) ƞ = Efisiensi turbin
17 2.3.1 Jenis Generator Gambar 10. Generator sinkron 3 phasa Generator sinkron 3 phasa dengan eksitasi sendiri maupun eksitasi terpisah adalah suatu peralatan listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis dapat diperoleh dari motor diesel, air, gas, uap, panas bumi dan lain-lain. Generator sinkron sering ditemukan pada pusat – pusat pembangkit tenaga listrik dengan kapasitas yang relative besar, misalnya pada PLTA, PLTU, PLTD. dan lain-lain (Wahyudi et al., 2022). Selain generator dengan kapasitas besar, ada jenis generator lain dengan kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan darurat yang disebut dengan generator set atau generator cadangan. Generator yang digunakan pada proyek ini yaitu generator set yang berfungsi sebagai pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTpH) dengan menggunakan turbin ulir (screw) sebagai penggeraknya (Nurdin & Himawanto, 2018).
18 2.3.2 Spesifikasi Generator Generator yang dipakai pada turbin screw kali ini yaitu generator yang voltasenya sebesar 120v dan bisa menghasilkan 1 sampai 3 lampu secara bersamaan, kemungkinan lampus yang ketiga dipastikan akan. Tabel 1. Spesifikasi Generator Heavy Duty Generator Type Engine Output Phase SH 11000 RAVS Honda 7,600 W 9.5 kVA 1 Phase SHT 11500 RAVS 8,400 W 10.5 kVA 3 Phase SH 13000 RAVS Robin 9,600 W 12.0 kVA 1 Phase SHT 15000 RAVS 10,800 W 13.5kVA 3 Phase
19 BAB III METODOLOGI 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Adapun tempat dan waktu pelaksanaan proyek akhir yang dilakukan oleh penulis adalah sebagai berikut: 3.1.1 Tempat Proyek Akhir Tempat pelaksanaan proyek akhir ini adalah di Laboratorium Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung, Tempat pengujian di desa Negri Sakti Kabupaten Pesawaran. 3.1.2 Waktu dan Pelaksanaan Proyek Akhir Pelaksanaan proyek akhir ini dimulai sejak bulan Agustus 2022 sampai dengan bulan Oktober 2022. 3.2 Alat Adapun alat yang digunakan dalam perancangan tubin screw skala piko hidro untuk menentukan potensi dari aliran air yang berada didesa Negeri Sakti, Pesawaran. berikut alat-alat yang akan digunakan :
20 3.2.1 Voltmeter voltmeter merupakan alat ukut yang berfungsi untuk mengukur besaran tegangan listrik yang ada disuatu rangkaian listrik dalam besaran dan satuan tertentu yaitu volt (v). Gambar 11. Voltmeter 3.2.2 Ampermeter Alat ini digunakan untuk mengukur arus tegangan listrik yang ada pada rangkaian tertutup dengan cara menempelkan alat ampermeter secara langsung kedalam rangkaian listrik. yang nantinya berguna untuk mendeteksi atau mengetahui arus pada rangkaian listrik yang terpasang pada generator turbin screw. Gambar 12. Ampermeter
21 3.2.3 Stopwatch Stopwatch adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur waktu, bentuk dari alat ini menyerupai dengan arloji. Tetapi tidak dapat digunakan sebagai jam. alat ini digunkan untuk mengukur berapa lama waktu yang dihasilkan dalam pengisian arus listrikdari generator menuju lampu. stopwat yang digunakan kali ini yaitu stopwatch digital. Gambar 13. Stopwatch 3.2.4 Ph Meter pH meter adalah alat yang digunakan untuk menentukan ke asaman atau kebasaan dari suatu larutan. pH adalah konsentrasi ion hidrogen pada suatu larutan. Suatu larutan yang mengandung banyak ion H + akan dalam suasana asam sedangkan suatu larutan mengandung lebih banyak ion OH– maka akan menjadi suasana asam. Pada pengujian kali ini kadar air pada waduk di ukur berapa tingkat kadar airrnya, maka digunkan lah alat ukut yaitu Ph meter.
22 Gambar 14. Ph Meter 3.2.5 Tachometer Tachometer adalah merupakaan sebuah alat atau instrumen yang dapat mengukur kecepatan putaranAlat tachometer ini biasanya menampilkan revolutions per menit (RPM) dalam sebuah pengukur skala analog, tetapi yang terbaru versi tampilan digital juga sudah tersedia. Pada putaran puli generator dan putaran puli turbin akan dikur dengan tachometer tentu putarannya tidak sama antara keduanya. Gambar 15. Tachometer
23 3.2.6 Flowmeter Flow meter adalah alat yang digunakan untuk mengukur volume atau massa suatu fluida baik berupa air. pengukuran volume air untuk pembangkit listrik tenaga pikohidro dengan menggunakan flowmeter. Gambar 16. Flowmeter 3.3 Diagram Alir Diagram alir dibawah menunjukkan tahapan yang dilakukan pada penelitian ini yaitu mulai darisurvei tempat dan lokasi di desa Negeri Sakti, Pesawaran, menghitung dimensi turbin screw, pengumpulan alat dan bahan, merakit pemodelan tunbin screw, penguijian sistem dan alat, penyusunan laporan tugas akhir. Alur proses pengerjaan laporan akhir tentang Perancangan Turbin Screw Untuk Pembangkit Listrik Piko Hidro disusun berdasarkan gambar diagram alir berikut:
24 V tidak bekerja Bekerja Gambar 17. Diagram Alir Turbin Screw 3.4 Survei Potensi Aliran Air untuk mendapatkan data-data pendukung dilakukan survei ke lokasi di saluran air Negeri Sakti., Pesawaran. Data-data yang di butuhkan diantaranya ketinggian air jatuh (head), debit air, massa jenis air semua itu sangat mempengaruhi kinerja dari turbin screw. Menghitung dimensi turbin screw Pengumpulan alat dan bahan Survey tempat lokasi menghitung debit air menghitung ketinggian (head) Efisiensi turbin Dimensi Turbin Daya Turbin Daya Hidrolis Mulai Penyusunan Laporan akhir Selesai Pengujian alat Perbaikan alat Merakit pemodelan turbin screw pada pembangkit listrik tenaga piko hidro
25 Gambar 18. Skema Head Hasil dari pengukuran aliran air daerah Negeri Sakti, Pesawaran adalah sebagai berikut ini : 1. Head : 0,5 m 2. Debit Air : 2 ltr/s 3. Masa Jenis Air : 997 kg/mᵌ Dari persamaan debit Q = V x A didapat debit sebesar 2 ltr/s . Dari data aliran air daerah Negeri Sakti didapatkan potensi daya turbin yang dihasilkan dengan persamaan sebagai berikut : P = p x g x Q x H Diketahui : P = daya hidrolis (watt)
26 p = massa jenis air (kg/mᵌ) Q = debit air (ltr/s) g = gaya gravitasi (9,81 m/s) h = tinggi jatuh air (m) Daya Hidrolis : P = ...ℎ 1000 P = 997 kg mᵌ x 2 ltr s x 9,81 m s 2 0,5 1000 P = 9,780 watt Adapun daya yang dihasilkan generator pada turbin screw yaitu pada persamaan berikut ini : Daya Generator atau P = l x V keterangan : P = daya generator (watt) v = voltase (volt) l = arus (A) Daya Generator : P = l x V P = 0,2 A x 17 v P = 3,4 watt
27 untuk hasil yang didapat dari pehitungan daya hidrolis dan daya generator dapat diketahui bahwa pada alat pembangkit tenaga air sekala pikohidro memiliki daya teoritis sebesar 9,780 kw dan sedangkan untuk daya generator yang telah dihasilkan sebesar 3,4 watt. 3.5 Perhitungan Efisiensi PLTA Skala Piko Hidro Efisiensi turbin merupakan unjuk kerja suatu alat untuk menghasilkan suatu daya dimana perbandingan yang dihasilkan dengan kinerja mesin turbin. Adapun perhitungan efisiensi pembanmgkit listrik tenaga air skala piko hidro adalah sebagai berikut : ƞ = P P x 100% Keterangan : ƞ = efisiensi PLTA skala pikohidro Pout = daya keluar Pin = daya masuk Esiensi PLTA skala pikohidro ƞ = P P x 100% ƞ = 3,4watt 9,780kw x 100% ƞ = 34,7%
28 Dari hasil perhitungan efisiensi turbin dapat diketahui bahwa efisiensi PLTA skala piko hidro sebesar 34,7%. Pada pengambilan data pembangkit litrik tenaga air sekala pikohidro didapat data massa jenis air sebesar 997 kg/mᵌ, gaya gravitasi sebesar 9,81 m/s², debit air sebesar 2 ltr/s dan head atau tinggi jatuh air sebesar 0,5 m. dari hasil pengambilan data tersebut untuk mengetahui daya hidrolis pembangkit listrik yang dihasilkan sebesar 9,780 kw. pada pengambilan data pembangkit listrik tenaga air skala pikohidro menggunakan alat multimeter yang bertujuan untuk mengetahui viltase, ampermeter, didapatkan data voltase sebesar 17 volt dan arus sebesar 0,2 amper. dari hasil pengujian menggunakan alat multimeter dilakukan perhitungan untuk mengetahui daya generator yang dihasilkan, dari hasil perhitungan maka daya generator yang dihasilkan sebesar 3,4 watt. Efisiensi pembangklit listrik tenaga air skala pikohidro merupakan unjuk kerja suatu mesin turbin menghasilkan suatu daya dimana perbandingan yang dihasilkan kinerja suatu mesin, penentuan efisiensi dilakukan sebuah perhitungan dengan memakai parameter daya hidrolis sebesar 9,780kw, dan daya generator sebesar 3,4 watt. dari parameter tersebut akan dilakukan perhitungan efisiensi pembangkit listrik tenaga air skala pikohidro dari hasil perhitungan efisiensi alat dapat diketahui bahwa pada pembangkit listrik tenaga air skala pikohidro yang dihasilkan senilai 34,7.
29 3.6 Mengumpulkan alat dan bahan turbin screw Pada proses pengumpulan alat dan bahan, alat – alat yang dipakai dalam perancangan tugas akhir seperti voltmeter, amperemeter, stopwatch, Ph meter, tachometer, flowmeter. 3.7 Merakit pemodelan turbin ulir pada PLTpH Proses perakitan prototype turbin screw pada pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTpH) dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Merakit turbin ulir dengan generator dan menyatukannya ke posisi yang sudah dibuat pada kerangka. 2. Merakit bak penampungan air dengan pompa air untuk pengaliran air disertai merakit instalasi pipa. 3. Merakit alat ukur yang akan digunakan untuk mencatat data yang akan dihasilkan dalam pemodelan pembangkit listrik tenaga piko hidro dengan menggunakan turbin ulir. 3.8 Proses uji coba turbin ulir pada PLTpH Proses uji coba pemodelan turbin ulir pada pembangkit listrik tenaga piko hidro dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Menguji debit air yang dikeluarkan oleh bak penampung. 2. Menguji arus dan tegangan yang dikeluarkan generator yang diputar
30 oleh tiap – tiap turbin. 3. Menguji daya generator yang dihasilkan oleh putaran tiap – tiap turbin. 4. Menguji kecepatan putaran turbin screw. Jika sistem alat tidak bekerja maka dilakukan perbaikan alat, setelah perbaikan selesai maka akan dilakukan uji coba kembali, jika alat sudah sesuai dengan sistem yang dirancang maka dilakukan ke proses selanjutnya yaitu pembuatan laporan akhir. 3.9 Proses penyusunan laporan akhir Proses penyusunan laporan akhir pemodelan turbin ulir pada pembangkit listrik tenaga piko hidro adalah dengan menyusun data – data yang sudah dicatat dan mencari beberapa sumber pustaka di jurnal – jurnal dan kemudian disusun menjadi laporan proyek akhir.
40 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari perancangan dan pembuatan turbin screw untuk pembangkit listrik piko hidro dapat disimpulkan bahwa: 1. Turbin screw ini dirancang untuk lebih mudah digunakan karena lebih hemat waktu dan alat alat yang ada lebih terjangkau serta memberikan peluang kepada masyarakat untuk lebih menghemat listrik di suatu desa. 2. Pembuatan turbin screw dibuat sesuai dari bentuk dan ukuran yang telah disesuaikan dalam perancangannya sehingga pada saat dilakukan nya perancangan bentuk turbin screw telah sesuai. 5.2. Saran Adapun saran dari perancangan dan pembuatan turbin screw untuk pembangkit listrik tenaga pikohidro adalah: 1. Penulis menyarankan agar pembuatan turbin screw ini bisa lebih dikembangkan lagi sesuai dengan perkembangan teknologi yang semakin hari semakin maju. 2. Sebelum melakukan pengujian turbin screw sebaiknya melakukan prapengujian sistem terlebih dahulu agar pada saat pengujian di lapangan tidak terjadi kendala atau alat menjadi tidak bekerja.
41 DAFTAR PUSTAKA Yonanda, A., Riszal, A., & Elisdiana, Y. (2022). Budidaya Ikan Air Tawar Didesa Srengsem 2(2). Jabar, M. A., Golwa, G. V., Prasetyo, C. B., & Kusuma, T. I. (2020). Analisis Efisiensi Keluaran Energi Listrik Prototipe Sistem Pembangkit Tenaga Pico Hydro Menggunakan Jenis Turbin Archimedes-Screw. Jurnal Mechanical, 11(2), 36–43. Juliana, I. P., Weking, A. I., & Jasa, L. (2018). Pengaruh Pengaruh Sudut Kemiringan Head Turbin Ulir Terhadap Daya Putar Turbin Ulir Dan Daya Output Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro. Majalah Ilmiah Teknologi Elektro, 17(3), 393. https://doi.org/10.24843/mite.2018.v17i03.p14 Kusuma, T. I., Prasetyo, C. B., Jabar, M. A., & Golwa, G. V. (2020). Rancang Bangun Prototype System Pico Hydro pada Penampungan Air Perumahan dengan Metode VDI 2221. Jurnal Mechanical, 11(1), 19–28. Malino, S. (2021). Unjuk Kerja Turbin Archimedes Screw Dengan. 3(3). Nugraha, A., Ramadhan, M. N., Syarief, A., & Adianto, D. S. (2022). Analisis Kinerja Turbin Archimedes Screw Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro. Elemen : Jurnal Teknik Mesin, 9(1), 48–56. https://doi.org/10.34128/je.v9i1.183 Nugroho, A. D. (2017). Kajian Teoritik Pengaruh Geometri Dan Sudut Kemiringan Terhadap Kinerja Turbin Archimedes Screw. Conference
42 SENATIK STT Adisutjipto Yogyakarta, 3. https://doi.org/10.28989/senatik.v3i0.130 Nurdin, A., & Himawanto, D. A. (2018). Kajian Teoritis Uji Kerja Turbin Archimedes Screw Pada Head Rendah. Simetris: Jurnal Teknik Mesin, Elektro Dan Ilmu Komputer, 9(2), 783–796. https://doi.org/10.24176/simet.v9i2.2340 Seminar, P., Teknologi, N., Kowi, A., Tohari, M., Mesin, P. T., Teknik, F., & Surabaya, U. M. (2021). Pengaruh Sudu Contra Rotating Small Hydro Turbine Dengan Variasi Sudut Blade Pada Eksperimen Prototype Turbin Air. 4, 1–9. Slameto, Budi Suharto, & Ervina Fitriana Bekti. (2020). Pembuatan Dan Pengujian Turbin Ulir Dua Sudu. Jurnal Teknik Energi, 6(2), 547–550. https://doi.org/10.35313/energi.v6i2.1720 Suyanto, M., Syafriudin, S., Nugroho, A. C., P, P. E., & Subandi, S. (2021). Perancangan sistem Pembangkit Listrik Pico Hydro Putaran Rendah Menggunakan Turbin Screw. Journal of Electrical Power Control and Automation (JEPCA), 4(1), 15. https://doi.org/10.33087/jepca.v4i1.47 Syahputra, T. M., Syukri, M., & Sara, I. D. (2017). Rancang Bangun Prototipe Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hydro dengan menggunakan Turbin Ulir. KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro, 2(1), 16–22. http://www.jurnal.unsyiah.ac.id/kitektro/article/view/6757 Uyun. (2020). Rancang bangun low head turbin piko hidro. Jurnal Sains & …, X(1), 67–79. http://repository.unsada.ac.id/1609/ Wahyudi, D., Hari, D., Prasetio, T., & Noor, M. F. (2022). Unjuk Kerja Turbine Archimedes Screw pada PLTMH dengan Variasi Debit Air dan Kemiringan Poros. 13(September), 28–34.