ISSN No. 1978-3787 Media Bina Ilmiah 47 ………...…………………………………………….………………………………………………… RANCANG BANGUNTURBIN OPENFLUME UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTMH) PADA SALURAN IRIGASI NYANGGET DESA MURBAYA KECAMATAN PRINGGARATA KABUPATEN LOMBOK TENGAH PROVINSI NTB Oleh : Muliadi Kepala Lembaga Pengabdian Masyarakat (LPM) Universitas Nusa Tenggara Barat Abstrak: Saluran irigasi yang selama ini hanya digunakan sebagai saluran pembawa untuk mengairi lahan pertanian bisa dimanfaatkan sebagai PLTMH. Penelitian ini mengasilkan rancangan prototipe turbi openflume dan model yang sesuai dengan lokasi tersebut dengan efisiensi 70, 82% dengan debit rancangan 1550 liter/detik pada head 3,4 meter. Daya keluaran PLTMH sebesar 35,53 KW bisa dimanfaatkan oleh masyarakat untuk penigkatan kesejahteraan. Model turbin openflume dibuat dengan bahan pipa baja dengan ketebalan 3 mm dirakit dengan mesin las listrik, mesin bubut, mesin grinda, dan alat perkakas. Model yang digunakan penelitian dengan karakteristik diameter runner 145 mm dengan kecepatan spesifik 700 rpm, efisiensi 88% pada debit 11,85 liter/detik dengan head pengujian 3,4 metermenghasilkan day output 347 watt. Energi terbangkitkan rencana akan digunakan untuk pengolahan kayu, industri makanan rumahan dan peternakan unutk mendukung usaha pemerintah menigkatkan kesejahteraan masyarakat. Kata kunci: turbinopenflume, saluranirigasi, PLTMH. PENDAHULUAN Salah satu daerah di kabupaten Lombok Tengah yang berpotensi untuk dikembangkan sumber energi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro hidro adalah saluran irigasi Nyangget. Saluran irigasi ini terbentang melewati Desa Murbaya, Kecamatan Pringgarata, Lombok Tengah. Keterbatasan daya listrik PLN yang digerakkan dengan tenaga diesel merupakan salah satu penyebab banyaknya masyarkat yang belum mendapat aliran listrik. Pemanfaatkan sumber daya air yang terdapat pada saluran irigasi Nyangget tersebut diharapkan dapat mengatasi permasalahan kekurangan daya listrik di daerah itu dan sekitarnya. TINJAUAN PUSTAKA Perhitungan daya P = ρ.η.g.Q.H .....................................................(1) Keterangan: P= Daya yang terbangkitkan (KW) ρ = Massa jenis air (kg/m3) η=Efisiensi (%) g= percepatangrafitasi (m/s2) Q=debit air (m3/s) H=tinggijatuh air (m) Perancangan komponen Sipil Bangunan sipil berupa power canal, forebay, bendung dan rumah turbin. Sebelum perancangan sipil tersebut dilakukan pengukuran dan pembuatan
peta Topografi yaitu keadaan geografis sehingga dapat ditentukan tinggi terjun, panjang power canal serta peletakan bendung dan rumah turbin. Penampang Power Canal Bila penampang power canal berupa trapesium maka Luaspenampang A = y (b+zy) ……...........................................(2) Diameter hidraulik D=(b+zy)y/(b+2zy) ………..................................(3) Debit aliran Bila saluran dengan panjang L dan sudut Kemiringan ϕ maka Sb = tan ϕ= hf/L ………....................................(4) Lajualiran air (debit) V=1/n.R2/3.S1/2 ..................................................(5) Perancangan komponen mekanikal Efisiensi turbin dapat dihitung secara rinci sebagai berikut: Efisiensi hidrolis, dinyatakan dengan persamaan:
ηh =
Ph Ppotensi
=
ρ.Q.U1 .VU1 . …….....................(6) ρ.g.H.Q
Efisiensi mekanik, dinyatakan dengan persamaan:
ηm =
Pm T.ω . ……..........................(7) = Ph ρ.Q.U 1 .VU1
Efisiensi elektrik, dinyatakan dengan persamaan:
ηe =
Pe Pnyata = .………....................................(8) Pm T.ω
_____________________________________ http://www.lpsdimataram.com
Volume 6, No. 5, September 2012
48 Media Bina Ilmiah Efisiensi total, dinyatakan dengan persamaan: η total = η h .η m .ηe . ………..................................(9) Kecepatan spesifik
P
Ns = N.
H
5
ISSN No. 1978-3787 lagi. Berikut adalah prosedur atau langkah-langkah dalam perancangan turbin: a. Hitung debit (Q) yang diperlukan b. Hitung kecepatans pesifik c. Nilai kecepatan spesifik tersebut, hitung nilai *
. ……….......................................(10)
4
Keterangan: Ns = kecepatan spesifik turbin (rpm) N = kecepatanputaranturbin (rpm) P = maksimumturbin output (KW) H = headefektif (m) Diameter runner
60 x U1 ..……….......................................(11) 3.14 x n U1 = Ku1 . 2.g.h ............................................(12)
D=
Keterangan: D = diameter runner (mm) g = gravitasi (m/s2) U1 = Kecepatankeliling (m/s) h = tinggiefektif (m) Ku1 = perbandingankecepatanrodaturbin n = putaranturbin (rpm) d=0,4. D1 (m) .……….......................................(13) Perkiraan ukuran diameter luar rotor (D1) dapat ditentukan dengan formula dari de Siervo dan Deleva (Warnick, 1984) sebagaiberikut: √ D1=(66,76+0,13.Ns)
(m) ………...................(14) Diameter hub(d) ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut: 0,38 (m) ............……….........(15) Ruang antara sudu pengarah dan rotor disebut ruang pusaran (whirl Chamber). Dinding luar ruang ini berbentuk ellipsoid dengan propors iukuran sebagai berikut: 1). Jarak ½ sumbu panjang a = 0,13 X Do (m) ............................................(16) 2). Jarak ½ sumbu pendek, b = (0,16– 0,2).Do (m) ....................................(17) 3). Diameter hub/boss DH = (0,38 + (Hef/220)). Do (m)..………..........(18) 4). Jarak antar sudu ts = π.Do /z (m) ...............................................(19) 5). Panjang sudu ls = (0,9-1,05).ts (m). ………............................(20) 6). Lebar sudu pengarah Bo = 0,43. Do (m)............................………......(21) Prosedur yang akan dipakai hanya menjadi panduan karena rancangan yang didapat baru mencapai tahap awal perancangan turbin. Perlu dilanjutkan dengan perhitungan yang lebih detail
*
u1 , un , dan c m pengarah. d. Hitung nilai konstanta gH2 e. Hitung nilai u1 , D1 , un , Dleherporos, dan cm pengarah. f. Tentukan tinggi sudu pengarah. g. Hitung nilai c danc . 2
u1
h. Gambarkan segitiga kecepatan pada sudu gerak turbin aksial. i. Gambar segitiga kecepatan aksial, tentukan nilai c1 , w1, w2, β1 dan β2. j.
Gambarkan profil sudu berdasarkan data – data diatas.
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan Mendapatkan karakteristik turbin openflume hasil desain berdasarkan potensi yang tersedia. Mendapatkan daya nyata terbangkitkan pertahun pada potensi tersebut dengan turbin openflume pada efisiensi maksimum. Mengetahui dampak ekonomi dan sosial dari PLTMH tersebut dengan daya nyata terbangkitkan pada hasil penelitian pada masyarakat sekitar lokasi penelitian. METODE DAN HASIL a. Bahan Bahan-bahan utama yang digunakanyaitu: - Pipa baja dengan tebal 3 mm untuk casing turbin dan PVC sebagai pipa isap - Baja untuk poros dari baja campuran ST 34. Spesifikasinya adalah tegangan tarik 34-42 kg/mm2, regangan 25% dan campuran carbon 0,10 selain Fe. - Besi siku untuk membuat rangka pengujian - Plat baja tebal 2 mm untuk sekat sudu pengarah - Drum sebagai kolam turbin dalam pengujian - Aluminium untuk pengecoran blade propeller, bearing, pullydan belt b.
Alat Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: - Mesin las listrik dan kelengkapannya digunakan untuk menyambung material. - Mesin bubut digunakan untuk membuat poros turbin, sudu pengarah dan untuk finishing material yang dicor dengan logam. - Grinda tangan untuk memotong dan menghaluskan bahan, mesin bor untuk membuat lubang pada plat. - Tachometer untuk mengukur putaran turbin, snei untuk membuat drat baut pada pully dan runner,
_____________________________________ Volume 6, No. 5, September 2012
http://www.lpsdimataram.com
ISSN No. 1978-3787 Media Bina Ilmiah 49 ………...…………………………………………….…………………………………………………
c.
Hasil Rancangan Dari data-data yang ada, Debit kemarau = 1,55 m3/dt. Head 3,47 meter. Data tersebut dapat dipilih alternative perancangan dengan ketentuan power sesuai dengan kebutuhan penerangan & peningkatan perekonomian seluruh penduduk. Disepakati kebutuhan listrik adalah 38,40 KW dengan perkiraan powerter pakai sekitar 28,40KW. Hasil perancangan tersebut dapat dihitung dimensi PLTMH sepertipada Tabel.1 berikut :
2000 1800 1600
Putaran (rpm)
Torsi (N)
2400 2200
10,0
12,0
14,0
Gambar 2. Grafik perubahan keluaran daya turbin tanpa beban terhadap perubahan debit pada lokasi pengujian saluran irigasi Jelantik Lombok Tengah
Pembahasan dari data hasil pengujian turbin model pada dua lokasi pengujian seperti dijelaskan dibawah ini. putaran
y = 71,28x - 546,9 R² = 0,793
Debit(l/s)
PEMBAHASAN
Torsi(N)
380,0 350,0 320,0 290,0 260,0 230,0 200,0 170,0 140,0 110,0 80,0 50,0 8,0
Tabel.1. Hasilperancangan PLTMH Nyangget. No Item Satuan Nilai 1 Debit m3/dt 1,55 2 Head m 3,47 3 Power KW 38,40 4 Diameter poros mm 35 5 Diammeter runner m 0,45 6 Diameter hub m 0,17 7 Jumlahsudu buah 5
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
dengan pertambahan debit sampai mencapai puncak yaitu pada kecepatan 2290 rpm dengan debit 14 liter/detik, pada saat ini torsi juga semakin bertambah sampai mencapi titik konstan yaitu 2,50 Nm. Debit semakin diperbesar tetapi putaran semakin turun sedangkan torsi tetap konstan. Budi (2008) mendapatkan torsi turbin propeller 0,27 Nm pada putaran 800 rpm di uji coba dengan debit 77,1 liter/detik. PT. Cihanjuang (2002) menghasilkan putaran turbin openflume sebesar 1500 rpm dengan debit 35 liter/detik pada head 3 meter. Daya turbin (watt)
alat ukur meteran dan jangka sorong, meteran digunakan untuk mengukur panjang dan jangka sorong digunakan untuk mengukur diameter luar dan dalam pipa yang digunakan. - Kikir, amplas dan pilok untuk meratakan permukaan plat, amplas untuk menghaluskan dan pilok untuk melapisi permukaan plat dengan warna.
1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Debit (l/s)
Gambar 1. Perbandingan torsi dan putaran turbin tanpa beban pada lokasi pengujian saluran irigasi Jelantik Lombok Tengah Hasil pengujian ini yang digunakan dalam pembahasan karena debit yang tersedia lebih memungkinkan untuk digunakan dalam menentukan karakteristik turbin model yang diujikan. Debit yang tersedia lebih besar dari lokasi Narmada sehingga putaran yang dihasilkan lebih besar juga. Turbin mulai berputar dengan kecepatan 1562 rpm pada debit 8,54 liter/detik turbin memiliki torsi sebesar 0,625 Nm. Kecepatan turbin semakin bertambah
Gambar 2 memperlihatkan bahwa daya keluaran turbin semakin besar seiring dengan bertambahnya debit. Debit yang diberikan mulai dari 8,55 liter/detik sampai dengan 12,99 liter/detik, dari debit tersebut turbin menghasilkan daya turbin mulai dari 102 watt kemudianterus meningkat seiring dengan pertambahan debit sampai maksimal 360 watt. Pertambahan daya keluaran turbin ini terjadi karena besarnya daya sebanding dengan putaran dan torsi turbin. Semakin besar putaran turbin maka semakin besar pula daya yang dihasilkan karena besarnya daya dipengaruhi oleh putaran dan torsi yang dihasilkan turbin. Torsi dan putaran yang dihasilkan oleh turbin jika dihubungkan dengan debit maka akan berbanding terbalik. Jika debit bertambah maka akan ada dua kemungkinan yaitu putaran akan semakin tinggi dan torsi semakin rendah atau putaran semakin rendah dan torsi semakin tinggi. Gambar 3 hampir mirip dengan gambar 2 perbedaan antaran kedua gambar tersebut adalah pada pemasangan motor induksi yang diputar oleh turbin. Gambar 3 memperlihatkan bahwa turbin menghasilkan daya keluaran lebih kecil dan menggunakan debit yang lebih besar daripada saat turbin tidak dipasangkan motor induksi. Debit yang digunakan turbin adalah mulai dari 12,98 liter/detik sampai 19,23 liter/detik. Daya yang dihasilkan turbin adalah 52 watt sampai dengan 323 watt. Daya yang dihasilkan turbin lebih rendah ini menunjukan
_____________________________________ http://www.lpsdimataram.com
Volume 6, No. 5, September 2012
50 Media Bina Ilmiah
ISSN No. 1978-3787
bahwa adanya rugi yang terjadi pada transmisi sehingga menyebabkan efisinsi lebih rendah yang pada akhirnya akan menghasilkan daya kelua keluaran yang rendah juga.
Daya turbin (watt)
340,0 290,0
y = 41,48x - 516,1 R² = 0,930
240,0 190,0 140,0 90,0 40,0 12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
Debit(l/s)
Gambar 3. Perubahan daya keluran turbin terhadap perubahan debit dengan dipasangkan motor induksi tanpa beban saat pengujian di saluran irigasi Jelantik Gambar 2 dan gambar 3 memperlihatkan bahwa semakin besar debit yang diberikan maka daya keluaran turbin semakin besar. Pembebanan yang diberikan pada turbin akan membuat kebutuhan debit semakin besar tetapi daya keluaran tidak bertambah signifikan seiring dengan pertambahan debit. Pertambahan yang tidak signifikan ini disebabkan karena ada rugi gesek pada transmisi yang menurunkan efisiensi yang mengakibatkan daya keluaran jadi lebih rendah. Pengaruh debit dan putaran terhadap daya keluaran adalah sama antara turbin dibebani maupun tidak seperti penjelasan pada gambar 2 di atas. 88,00 70,81
Efisiensi (%)
90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 efisiensi model
efisiensi prototipe
Gambar 4. Grafik perbandingan efisiensi hidrolik turbin model dan prototipe Gambar 4. grafik perbandingan efisiensi turbin model dan prototipe. Turbin model yang diuji didua lokasi dengan kecepatan spesifik 697 rpm menghasilkan efisiensi 88% pada tanpa beban,sedangkan efisiensi turbin prototipe setelah
dikonversi menggunakan formula Moody (1942) untuk efisiensi hidrolik didapatkan efisiensi 70,81% dengan kecepatan spesifik 231,97 rpm. Efisiensi turbin prototipe tersebut menghasilkan daya 35,53 KW pada debit rancangan 1,55 m3/s dan head efektif 3,30 meter. Daya inilah yang akan digunakan untuk unt analisis ekonomi dan perhitungan daya tahunan.Efisiensi prototipe yang lebih rendah dari turbin model diakibatkan karenadebit yang dibutuhkan oleh turbin prototipe lebih besar. Kecepatan spesifik yang kecil diakibatkan karena rugi mekanik yang besar diikuti dii dengan menghasilkan torsi yang besar pula. Turbin model membutuhkan debit yang lebih kecil daripada turbin prototipe sehingga torsinya kecil tetapi putarannya tinggi karena rugi hidrolik dan mekaniknya kecil. Besarnya efisiensi mekanik turbin model adalah a 90,15% dan efisiensi total turbin model yang merupakan gabungan dari efisiensi hidrolik dan mekanik adalah 62,88% dengan debit 10,75 liter/detik pada putaran 1602 rpm. Efisiensi mekanik turbin prototipe tidak bisa dikonversi dari efisiensi turbin model el karena torsi turbin prototipe harus diukur setelah turbin dibuat jadi efisiensi yang dapat dikonversi ke prototipe adalah turbin hidrolik saja. SIMPULAN Simpulan yang didapatkan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Karakteristik turbin model adalah kecepatan spesifik 700 rpm dengan efisiensi 88% pada head 3,4 meter dengan diameter runner 145 mm, debit 11,85 liter/detik dan daya keluaran 347 watt. 2. Karakteristik turbin prototipe adalah kecepatan spesifik 300 rpm dengan denga efisiensi 70,81% pada head 3,4 meter dengan diameter runner 0,43 meter, debit 1550 liter/detik dan daya keluaran 35,53 KW. 3. Energi terbagkitkan per tahun dari potensi ini adalah 35,53 KW sudah cukup untuk mensuply beban sebanyak 3 dusun yang berada disekitar disek potensi sebesar 28,40 KW. Sisa daya rencana untuk pengembangan industri rumah tangga dan penerangan jalan. 4. Pengaruh sosial yang muncul dari adanya energi PLTMH adalah diharapkan munculnya usaha mandiri di masyarakat seperti industri perkayuan dan makanan maka ringan. Kemanan masyarakat jadi lebih menigkat karena adanya penerangan jalan yang selama ini tidak ada.
DAFTAR PUSTAKA
_____________________________________ Volume 6, No. 5, September 2012
http://www.lpsdimataram.com
ISSN No. 1978-3787 Media Bina Ilmiah 51 ………...…………………………………………….………………………………………………… Arismunandar, Wiranto. (2004), MulaTurbin, ITB, Bandung.
Penggerak
Arismunandar, A., dan Kuwahara, S., 2004, Teknik Tenaga Listrik, Pembangkitan dengan Tenaga Air, Pradnya Paramita, Jakarta. Dandekar, M. M. dan Sharma, K. N., 1991, Pembangkit Listrik Tenaga Air: Universitas Indonesia. Dietzel, Fritz, 1989, Turbin Pompadan Kompresor, Erlangga, Jakarta. Enoh, M.R., 1991, Perancangan Turbin Propeller Turbular Kapasitas 40 KW untuk PLTMH. Universitas Padjajaran, Bandung. Fakultas
Ilmu-ilmu Teknik, 2003, Petunjuk Penulisan Usulan Penelitian dan Tesis, Program Pasca Sarjana Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Harvey,Adam.,(1993), Microhydro Design Manual, A Guide To Small-Scale Water Power Schemes, London Intermediate Technology Publications. Inti, Teknik, C., 2002, Turbin Openflume 125 Dengan Daya Output 500 Watt, Paper, Cihanjuang, Bandung. Imidap,2008, Studi Awal Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro pada Saluran Irigasi Teres Genit Bayan Lombok Barat NTB. Imidap, 2008. Pelatihan Operator Mikrohidro Implementasi Pembangunan Mikrohidro Berbasis Masyarakat Angkatan II Monday, 19 May 2008. JICA, 2003, Panduan Pembangunan Pembangkit Listrik Mikrohidro Edisi Bahasa Indonesia, Nipon Koei Co Ltd, Jepang. Lal, Jagdish, 1975, Hidrolic Machines, New Delhi, Metroolitan Book Co, Private Ltd. Maryono , Agus, 2003, Hidrolika terapan, Pradnya Paramita, Jakarta.
PT.
Misno, 2007, Pembangkit Listrik Mikrohidro Kecil &Tersebar Sebuah Solusi Atasi Krisis Energi, Disajikan untuk Paper Contest Seminar Nasional Lustrum Ke 9 Himpunan Mahasiswa Teknik Geologi, FT UGM. PattyO. F., 1995, TenagaAir ,Erlangga, Jakarta. Prayitno. 2006, Turbin Air, Hand Out, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Prayoga, Gama, 2008, Studi Potensi PLTMH di Sungai Cisangkuy Kabupaten Bandung, Skripsi, Institut Teknologi Bandung, Bandung. Simbangando, M., R., 2008, Uji Kinerja Alternator Mobil pada Penggerak Mula Turbin Aliran Aksial, Skripsi, ITB, Bandung. Sukamto, J., 2008, PLTMH, engineering portable on ultra lowhead, channel utilize kinetic energy MST Tesis, UGM, Yogyakarta. Suryodarmo, 2005, Hand Out Kuliah Turbin Air, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Susanta,
2009, Hubungan Kekrasan, Biaya Pengerjaan Permukaan Sudu Runner Turbin Propeller Openflume 1000 Watt dengan Bahan Kuningan, Tesis, UGM, Yogyakarta.
Susanto, Ate, 2006, Rancang Bangun Turbin Propeller Tipe Openflume 100 Watt untuk Keperluan Rumah Tangga, Tesis, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Sutanta, 2008, Rancang Bangun Turbin Propeller Openflume 700 Watt dengan Bahan Runner dari Daur Ulang Limbah Bubutan Aluminium, Tesis, UGM, Yogyakarta. Triatmojo, B., 1995, Hidrolika I, Beta Offset, Yogyakarta. Warnick, C. C., 1984, Hidropower Engineering Practice. Hall. Egglewood Cliffs New Jersy
Meriana, Meri, 2008, Analisis Alternatif Skema dan Desain Rinci PLTMH Pekatan Lombok Barat NTB, Skripsi, ITB, Bandung.
_____________________________________ http://www.lpsdimataram.com
Volume 6, No. 5, September 2012
