Pengaruh Debit Aliran Terhadap Kinerja Turbin Undershoot untuk Menghasilkan Daya Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Indonesia terdapat berbagai macam energi baru terbarukan, salah satunya yang mudah didapat adalah energi air. Energi air adalah energi yang tidak dapat habis karena ketersedian langsung dari alam [1], [2]. Ketersedian alam energi air dengan memanfaatkan energi potensial (EP) diubah menjadi energi kinetik (EK) dimana energi kinetik dapat dimanfaatkan menjadi energi mekanis (EM) untuk sistem penggerak turbin [3], [4]. Turbin air akan menangkap energi air untuk membantu penggerakan generator untuk menghasilkan listrik [5]. Pembangkit listrik harus dicapai untuk memenuhi kebutuhan primer mausia sehari hari [6].

Masyarakat Indonesia khususnya di pedesaan untuk distribusi tenaga listrik masih belum merata, terutama di daerah dengan perekonomian yang melemah [7]. Untuk mengatasi masalah ini diperlukan pembangkit listrik dengan pengeluaran yang relatif rendah, salah satu contohnya adalah Turbin undershoot [8], [9]. Turbin undershoot adalah roda aliran yang diputar oleh debit aliran air yang menghantam bagian bawah roda [10]. Jumlah air yang mengalir dalam satuan volume melewati penampang per satuan waktu disebut dengan debit aliran [11].

Turbin undershoot menjadi pilihan untuk pembangkit listrik dengan perangkat ekonomis [12]. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) alternatif energi terbarukan diharapkan manfaatnya untuk solusi pengetahuan masyarakat di pedesaan. Sistem kerja (PLTMH) memanfaatkan aliran tinggi aliran tubulen [13]. Sedangkan aliran rendah laminar belum dimanfaatkan secara optimal [14]. PLTMH mampu menghasilkan produksi daya antara 1 kW samapai 100 kW, sebagai solusi pembangkit listrik di daerah dengan aliran sungai yang

melimpah [15]. Pemilihan turbin dapat melihat grafik karakteristik di bawah ini antara tinggi jatuh net (m) dan debit aliran (𝑚³/𝑠).

Bedasarkan pada penelitian sebelumnya, penelititian telah membahas pengaruh sudu aliran untuk menghasilkan daya listrik. Turbin undershoot adalah salah satu turbin yang mampu menghasilkan listri pada aliran sungai. Turbin undhershoot berpengaruh terhapan luaran PLTMH dikarenakan secara tidak langsung debit aliran berperan pada kinerja turbin undershot.

Tujuan

Oleh karena itu melalui artikel ini, tim penulis mengkaji pengaruh debit aliran dari berbagai macam variasi turbin undershot yang diperoleh dari review dari beberapa jurnal penelitian sebelumnya dalam rentang tahun 2015 – 2023. Kajian teoritis yang didasari dari penelitian yang disebutkan dan didukung dengan penelitian eksperimental bertujuan untuk mengetahui pengaruh sudut turbin dalam keluaran PLTMH.

Metode Penelitian 

Metode yang digunakan dalam penulisan ini adalah review dari jurnal yang sudah dibahas sebelumnya. Pembahasan ini juga menggunakan metode kualitatif dari data jurnal penelitian sebelumnya sebagai data skunder dengan rentang waktu 2012 – 2023. Pemilihan review untuk metode penelitian untuk mengetahui debit aliran terhadap kinerja turbin undershoot berbagai macam variasi yang ditinjau dari luaran PLTMH.

Variasi jumlah sudu dari beberapa jurnal terkait jumlah debit menghasilkan luaran PLTMH yang disandingkan dengan variable bebas. Seperti nilai putaran generator, torsi, kecepatan kincir, daya air, daya kincir, debit air, luas penampang, jarak antar sudu, dan efisiensi. Bedasarkan literatur terdapat variasi debit aliran yang di kaji diantaranya : 0,085𝑚³/𝑠, 0,111𝑚³/𝑠, 0,157𝑚³/𝑠, 0,5833𝑚³/𝑠, 0,00419𝑚³/𝑠, 0,00557𝑚³/𝑠, 0,00632𝑚³/𝑠,

0,118𝑚³/𝑠, 0,308𝑚³/𝑠, 0,201𝑚³/𝑠, 0,245𝑚³/𝑠, 0,291𝑚³/𝑠, 0,00546𝑚³/𝑠, 0,00249𝑚³/𝑠, 0,0155𝑚³/𝑠, 0,0166𝑚³/𝑠. Ditambah penggunaan metode eksperiment pada review menghasilkan penelitia beragam yang akan dibahas pada pembahasan dan hasil. Alat yang digunakan dari penelitian sebelumnya yakni, tachometer, multitester digital, generator, flow meter, stopwatch. Persamaan matematis yang digunakan dari berbagai literatur meliputi :

• Kecepatan air (1)

v = ^𝑠

𝑡

• Debit air (2)

Q = V. A

• Daya kincir (3)

Pk = T ^2𝜋𝑛

60

• Torsi (4)

T = F. R

• Tekanan air (5)

P =   ^𝐹

𝐴𝑎𝑙𝑖𝑟

• Daya hidrolik (6)

Ph = 𝜌. 𝑔. 𝑄. 𝐻𝑇

• Daya mekanik (7)

F = m. g

• Efisiensi kincir (8)

Ƞk = 𝑝𝑚. 100%

𝑝ℎ

• Volume air (9)

V = 𝜋𝑟²𝑡

• Kecepatan keliling kincir (10)

2𝜋𝑛

𝜔 =

60

• Daya listrik (11)

𝑃𝑒 = V. I

• Efisiensi sistem (12)

 

Ƞ𝑠

= 𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑙𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘

𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑎𝑖𝑟

 

• Daya air (13)

 

𝑃ℎ

= 𝜌. 𝑄. 𝑔. ℎ + 1 𝜌. 𝐴. 𝑣³

2

 

• Luas penampang (14)

A = T. l

• Perbandingan pully (15)

 

𝑛₁

=

𝑛₂

𝑑₂

 

𝑑₁

 

• Perhitungan daya generator (16)

𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑣. 𝑙

 

Analisa dan mengintrepresitasikan data Hasil dan Pembahasan

Turbin undershoot dalam aliran tidak selalu menghasilkan daya dari energi potensial air. Alasan utama kincir air didalam air memiliki efisiensi rendah [18]. Sebagai metode tenaga air yang canggih dirancang dan digunakan turbin undershoot sangat populer di kawasan yang memiliki debit aliran sungai. Selain itu terdapat komponen penting dari turbin undershoot diantaranya, pelampung berfungsi menyangga komponen turbin, poros sebagai bantalan turbin untuk berputar, pasa sebagai pengikat poros, bantalan sebgai tumpuan poros supaya berputar secara halus, sudu berfungsi untuk mendapatkan gaya akibat tumbukan dengan debit

aliran, dan transmisi menggunakan pully untuk diteruskan pada generator. Visualisasi debit aliran dapat di lihat pada gambar 3 di dapat dari review jurnal [19].

Debit aliran berpengaruh terhadap kinerja turbin undershoot untuk membantu menggerakkan sudu turbin untuk berputar. Debit aliran juga berpengaruh untuk menghasilkan luaran daya listrik PLTMH.

3.1. Parameter perbandingan debit aliran

Telah dilakukan kajian dasar turbin undershoot, kemudian mengetahui bagaimana pengaruh aliran debit terhadap kinerja turbin undershoot terhadap luaran PLTMH. Pebandingan variasi debit aliran didapat dari review jurnal yang didapat rentang waktu 2012 – 2023. Adapun parameter perbandingan variasi debit aliran dapat dilihat pada table 1.

NO	Jenis turbin	Variasi debit aliran	Keluaran PLTMH yang di tinjau	Referensi
1	Turbin Undershoot	0,085𝑚3/𝑠	Kecepatan air, debit air, kecepatan rata-rata kincir, torsi, tekanan air pada kincir, water horse power, efisiensi	[20]
2	Turbin Undershoot	0,111𝑚3/𝑠, 0,157𝑚3/𝑠	Luas sapuan air, head total aliran kincir, kecepatan aliran air, debit air, daya hidrolik,   daya   mekanik,	[21]
			efisiensi kincir
3	Turbin Undershoot	0,0145𝑚3/𝑠, 0,0166𝑚3/𝑠	Debit air, kecepatan sudut, torsi, daya kincir, daya air, beban, putaran, efisiensi	[19]
4	Turbin Undershoot	0,5833𝑚3/𝑠	Kecepatan aliran maksimum, luas penampang, debit aliran, daya air, gaya fluida, torsi, daya kincir, efisiensi	[17]
5	Turbin Undershoot	0,00632𝑚3/𝑠, 0,00419𝑚3/s, 0,00557𝑚3/s	Volume, debit air, daya air, daya kincir, waktu, tegangan, putaran kincir, kuat arus, torsi, efisiensi, daya generator	[22]
6	Turbin Undershoot	0,118𝑚3/s, 0,308𝑚3/s	Debit,    daya              air,              daya listrik, efisiensi sistem	[23]
7	Turbin Undershoot	0,201𝑚3/s, 0,245𝑚3/s, 0,291𝑚3/s	Kecepatan    aliran,           luas penampang,                        debit                                   air, potensi daya air,	[16]
8	Turbin Undershoot	0,00546𝑚3/s, 0,00249𝑚3/s	Kecepatan keliling kincir, torsi, daya air, daya kincir, daya generator, efisiensi kincir	[24]

Bedasarkan table 1 dapat diketahui keseluruhan variasi debit aliran sangat berpengaruh terhadap luaran PLTMH. Luaran tersebut menjadi peninjau hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Pada peneliti dari Sumiati R et al. [20] dapat diketahui didapatkan kecepatan air pada hari pertama 2,13 m/s, sedangkan di hari kedua 2,8 m/s, hari ketiga 3,12 m/s. Selama tiga hari dapat dilihat mengalami kenaikan kecepatan air sehingga di peroleh debit air sebesar 0,085𝑚³/𝑠. Menghasilkan daya maksimum dengan tegangan sebesar 7V, arus 1,8 A sebesar 12,6 Watt dengan putaran 30 rpm dapat diperoleh efisiensi sebesar 22,51%.

Pada penelitian Hidayat Boli et al. [19] menggunakan dua variasi debit aliran untuk menghasilkan efisiensi kincir yang maksimal. Debit yang pertama sebesar 0,0166𝑚³/𝑠 sedangkan debit aliran kedua sebesar 0,0155𝑚³/s. Pengukuran debit dilakukan dengan cara mengisi ruang ember menggunakan air sebanyak 20 liter. Hasil yang didapat pada debit terbesar 0,0166𝑚³/s menghasilkan daya sebesar 12,127 Watt, sehingga menghasilkan efisiensi kincir 18, 569% pada putaran poros 56,23 rpm. Pengujian kincir di beri beban sebanyak 1kg sampai 15kg untuk mendapat nilai rata-rata dilakukan sebanyak 3 kali pengujian.

Bedasarkan penelitian yang dilakukan Buku et al. [17] penelitian yang dilakukan adalah menganalisis daya kincir air untuk memenuhi kebutuhan irigasi wilayah Patongloan. Terdapat debit aliran maksimaum 0,5833𝑚³/s untuk membantu memutar tubin undershoot. Kecepatan aliran maksimum 3,47 m/s dan luas penampang saluran 0,17𝑚². Menghasilkan daya air maksimum 1659,52 Watt, gaya fluida sudu 331,25N. Torsi sebesar 269,24 Nm menghasilkan daya maksimum turbin 1232,97 Watt dan efisiensi 74,296%. Kincir air menghasilkan volume air 0,0182𝑚³ sebanyak 18,2 liter air selama 2 menit.

Pada penelitian Tamubolon et al. [22] kincir air tebuat dari akrilik dengan 8 sudu menghasilkan kuat arus 0.09 Ampere. Menggunakan tiga variasi debit aliran yang pertama sebesar 0,00419𝑚³/s menghasilkan daya air sebesar 1,23186 Wattt. Debit aliran kedua sebesar 0,0057𝑚³/s daya air 1,63758 yang dihasilkan. Kemudian untuk percobaan ketiga debit air sebanyak 0,00632𝑚³/s daya air yang dihasilkan sebanyak 1,85808 Watt. Torsi yang dihasikan tubin undershoot 0,08829 N.m. Kincir jenis undeshoot dalam penelitian ini menghasilkan efisiensi sebesar 33%.

Fernando et al. [23] melakukan penelitian turbin undershot dengan memanfaatkan 2 variasi debit aliran.Variasi debit aliran rendah 0,188𝑚³/s turbin utama di pasang seri menghasilkan 0,02 Watt, daya listrik turbin utama secara tunggal 0,05 Watt. Sedangkan variasi debit 0,308 daya listrik turbin seri 153,66 Watt dan daya listrik turbin utama di pasang tunggal 196,25

Watt. Pada variasi debit aliran terendah 0,188𝑚³/s daya listrik turbin dipasang secara seri 0 Watt di hubungkan ke generator. Daya listrik turbin ke dua secara tunggal 0,93 Watt, sedangkan pada variasi debit 0,308 𝑚³/s daya listrik dipasang seri 25,78 Watt dan daya listrik turbin kedua secara tunggal sebesar 35,60 Watt. Daya listrik tertinggi turbin kedua secara tunggal 42,12 Watt pada saat variasi debit 0,270 𝑚³/s.

Suprayogo A [16] mengungkapkan pengujian turbin dilakukan sebanyak tiga kali dengan variasi debit aliran. Debir aliran percobaan pertama 0,201𝑚³/s menghasilkan putaran turbin rata-rata 53,66 rpm untuk putaran altenator sebesar 254,92 rpm. Pada debit aliran kedua mengalami penurunan putaran poros turbin dan mengalami kenaikan alternator dengan nilai rata-rata putar poros 51,44 rpm sedangkan rata – rata altenator 278,98 rpm. Pada debit aliran ketiga 0,291 𝑚³/s rata – rata poros mengalami kenaikan sebesar 51,66 rpm sedangkan rata – rata altenator sebesar 254,52. Kapasitas turbin terbesar pada debit 0,291𝑚³/s menghasilkan daya 762,78 Watt dan efisiensi sebesar 26,72%.

Sehingga dari review jurnal yang dikaji dapat diketahui variasi debit aliran sangat berpengaruh terhadap daya yang dihasilkan dari turbin undershoot. Terdapat dari beberapa penelitian yang telah disebutkan untuk menjadi perhatian lebih lanjut karena luaran yang dihasilkan berbanding balik dengan teori. Hal ini terjadi dikarenakan luaran PLTMH dapat di pengaruhi dari jumlah sudu dan juga diperlukan alat pengujian yang lebih akurat dan menghasilkan pengujian yang valid.

Penulis:
1. Rizki Afif Afandi
2. Dany Alvian Dwibowo
Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Prof. Dr. Hamka

Editor: Rahmat Al Kafi

 

Referensi

Boimau, N. Nurhayati, and R. N. Selan, “Pengaruh Variasi Ketinggian Reservoir Terhadap Daya Turbin Air Impuls Dengan Sudu Bolak-Balik,” Jurnal Mesin Nusantara, vol. 3, no. 1, pp. 9–16, Sep. 2020, doi: 10.29407/jmn.v3i1.14577.

Lapisa et al., “Cross-Flow Turbine Design of Micro hydro Power Generator for Rural Energy-Independent Area,” MOTIVECTION : Journal of Mechanical, Electrical and Industrial Engineering, vol. 5, no. 2, pp. 233–244, Mar. 2023, doi: 10.46574/motivection.v5i2.163.

Komang Ogik Parmana Putra, I. Ayu Dwi Giriantari, and I. Nyoman Setiawan, “Maret 2023 I Komang Ogik Parmana Putra,” SPEKTRUM, vol. 10, no. 1, pp. 1–10, 2023.

A. Kusdiat and M. A. Putra, “Efektifitas Kemiringan Deflektor Kincir Air Savonius,” G-Tech: Jurnal Teknologi Terapan, vol. 7, no. 1, pp. 135–144, Jan. 2023, doi: 10.33379/gtech.v7i1.1955.

Dwi Pangestu, “Pembangkit Listrik Tenaga Air Dengan Teknik Turbulent Whirlpool,” IKRAITH-TEKNOLOGI, vol. 5, no. 3, pp. 58–65, Nov. 2021.

Nurfadilah, D. Mugisidi, A. Rahman, S. Pohan, and O. Heriyani, “Pengaruh Kincir Tertutup Terhadap Efisiensi dan Rugi-rugi,” Rekayasa Energi Manufaktur) Jurnal |, vol. 8, no. 1, pp. 2528–3723, 2023, doi: 10.21070/rem.v8i1.1670.

Turbin et al., “Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri (JITMI) Efficiency of Acrylic Undershot Water Wheel Turbine with 8 Blades and 15° Angle,” Jurnal Ilmiah Teknik Informatika dan Elektro (JITEK), vol. 2, no. 1, pp. 51–60, doi: 10.31289/jitmi.v2i1.2015.

Turbin et al., “Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri (JITMI) Efficiency of Acrylic Undershot Water Wheel Turbine with 8 Blades and 15° Angle,” Jurnal Ilmiah Teknik Informatika dan Elektro (JITEK), vol. 2, no. 1, pp. 51–60, 2023, doi: 10.31289/jitmi.v2i1.2015.

Dewantoro Herlambang, G. Suwoto, B. Mei Hermawan, and F. Gatot Sumarno, “The effect of variations in electric load on the performance of a 3 kW Micro Hydro

Power Plant using an undershot waterwheel,” Disseminating Information on the Research of Mechanical Engineering-Jurnal Polimesin, vol. 21, no. 2, pp. 2023–2027, 2023, [Online]. Available: http://e-jurnal.pnl.ac.id/polimesin

D. Syahrial, R. Soenoko, T. D. Widodo, and A. Sunarso, “Pengaruh Tinggi Celah Aliran Pada Sluice Gate Terhadap Kinerja Kincir Air Jenis Sudu Melengkung,” Jurnal Rekayasa Mesin, vol. 14, no. 1, pp. 97–103, May 2023, doi: 10.21776/jrm.v14i1.1095.

Dewisri Fatihawati N, Widyawati R, and Septiana T, “Analisis Debit Air Pada Daerah Aliran Kali Jaletreng (Studi Kasus Pada Kota Tangerang Selatan),”

Akbar, “The Performance of Undershot Water Turbine Combined With Spiral Tube Pump On Empowerment of Energy Resources Local Contiguous Small River,” Journal of Ocean, Mechanical and Aerospace-Science and Engineering, vol. 42, 2017, [Online]. Available: www.isomase.org.,

Arysandia et al., “Mini review pengaruh jumlah sudu turbin vortex berdasarkan daya pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) yang dihasilkan,” Sultra Journal of Mechanical Engineering (SJME), vol. 2, no. 2, pp. 82–91, 2023.

Farid Rahman Hakim M, “Uji Eksperimental Kinerja Turbin Reaksi Aliran Vortex Tipe Sudu Berpenampang Lurus Dengan Variasi Tinggi Sudu,” JTM, vol. 06, no. 1, pp. 85– 95, 2018.

Turbin et al., “Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri (JITMI) Efficiency of Acrylic Undershot Water Wheel Turbine with 8 Blades and 15° Angle,” Jurnal Ilmiah Teknik Informatika dan Elektro (JITEK), vol. 2, no. 1, pp. 51–60, doi: 10.31289/jitmi.v2i1.2015.

D. Suprayogo, “PEMBUATAN TURBIN AIR TIPE UNDERSHOT UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO (PLTPH) DENGAN MEMANFAATKAN ALIRAN AIR CURUG GONDORIYO NGALIYAN SEMARANG BARAT,” 2020.

Buku, P. P. Roreng, H. Calvin, and P. Tiyow, “Analisis kincir air undershot untuk kebutuhan irigasi di daerah Patongloan,” Angkasa Jurnal Ilmiah Bidang Teknologi, vol. 14, no. 1, pp. 151–158, 2022, doi: 10.28989/v14i2.1323.

Brandon-Toole, C. Birzer, and R. Kelso, “Highlights The effect of blade depth ratio and flow velocity on the performance of in-stream undershot water wheels The effect of blade depth ratio and flow velocity on the performance of in-stream undershot water wheels,” 2022. [Online]. Available: https://ssrn.com/abstract=4260056

Hidayat Boli, R. Pido, and M. Rival, “ANALISA PRESTASI KINCIR AIR TIPE UNDERSHOT YANG BEKERJA PADA SALURAN HORIZONTAL,” KOLONI : Jurnal Multidisiplin Ilmu, vol. 1, no. 1, pp. 333–340, Mar. 2022.

Sumiati R, Fardinal, Nusyirwan, Ardiansyah, and Novrizal R, “Pengujian Kincir Air Hidrokinetik Undershoot Di Irigasi Limau Manis Padang,” Jurnal Teknik Mesin, vol. 12, no. 1, pp. 1–5, 2019.

Priyoatmojo et al., “RANCANG BANGUN KINCIR AIR TIPE UNDERSHOT DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU DATAR,” Semarang, 2012.

Tampubolon, I. Hermawan, and M. Idris, “Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri (JITMI) Efficiency of Acrylic Undershot Water Wheel Turbine with 8 Blades and 15° Angle,” Jurnal Ilmiah Teknik Informatika dan Elektro (JITEK), vol. 2, no. 1, pp. 51– 60, 2023, doi: 10.31289/jitmi.v2i1.2015.

Fernando, L. Konversi Energi, J. Teknik Mesin, F. Teknik Universitas Riau Kampus Bina Widya Km, and S. Baru, “Kaji Eksperimental Turbin Air Tipe Undershot Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Dipasang Secara Seri Pada Saluran Irigasi,” 2017.

Idris, I. Hermawan, and B. H. Simamora, “Analisis Kinerja Kincir Air Tipe Undershot Bahan Aluminium Dengan Jumlah 10 Sudu dan Sudut 20⁰,” IRA Jurnal Teknik Mesin dan Aplikasinya (IRAJTMA), vol. 1, no. 3, pp. 37–43, Jan. 2023, doi: 10.56862/irajtma.v1i3.32.

Ikuti berita terbaru Media Mahasiswa Indonesia di Google News