PENELITIANKINCIR AIR UNDERSHOT TIPE APUNG

KIMAR TURNIP

FAKULTAS TEKNIK UKIPROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

2010

1

Bab 1 : Pendahuluan

1.1. Latar belakang.

Pengembangan air sebagai sumber energi sudah lama dipergunakan, antara

lain untuk menumbuk padi atau menghasilkan listrik dengan menggunakan

kincir air. Pemberian nama kincir air pertama kali oleh Euler pada tahun

1750 dan sampai saat ini masih digunakan. Fourneyron pada tahun 1824

mengembangkan prototype turbin air yang dapat beroperasi pada putaran

lebih tinggi.

Kincir air sebagai pembangkit listrik disebut Pembangkit Listrik Tenaga

Mikrohidro (PLTM) dengan daya keluaran sampai dengan 100 kW. Prinsip

kerjanya; merubah energi air menjadi energi mekanik melalui putaran

baling-2 kincir. Energi mekanik melalui putaran poros dapat dikonversi

menjadi energi listrik melalui dinamo dengan kopel langsung atau dengan

perantaraan tranmissi sabuk untuk memperoleh putaran dinamo yang lebih

tinggi. Kincir ini biasanya dijumpai pada Daerah Aliran Sungai (DAS)

dengan kecepatan aliran rendah yang cukup banyak dijumpai di Indonesia.

Di Negara Cina sudah mengoperasikan alat ini sebanyak 85000 unit.

1.2. Permasalahan.

Konsumsi energi didaerah pedesaan semakin lama semakin meningkat

sejalan dengan pertumbuhan ekonomi. Penggunaaan minyak tanah sebagai

bahan bakar untuk penerangan masih dominan khususnya daerah yang

belum memperoleh jaringan listrik. Energi alternatif untuk menggantikan

minyak tanah tersebut dapat diperoleh melalui PLTM. Pada daerah tertentu,

dipasang pembangkit Listrik Tenaga Disel (PLTD), akan tetapi alat ini juga

2

menggunakan minyak bakar sebagai bahan bakarnya. Analisis biaya

perbandingan PLTM dan PLTD menunjukkan bahwa dengan PLTM akan

mencapai breakeven point setelah 3 tahun beroperasi. Tabel 1 menunjukkan

konsumsi energi perkapita masyarakat Indonesia.

Tabel 1: Konsumsi per kapita.

Jenis Energi Konsumsi perkapita per hari

1. Listrik

2. Minyak tanah untuk penerangan

3. Kayu bakar

4. Arang

0.284 Wh

0.1 liter

1.5 kg

0.04 kg

Penduduk Indonesia sekitar 80 % bermukim di pedesaan dari jumlah

penduduk 120 juta jiwa. Dari tabel 1 dilihat bahwa penggunaan minyak

tanah 0.1 liter per hari perkapita, maka konsumsi minyak tanah sebesar 0.8 x

120 jt x 0.1 sekitar 9.6 juta liter per hari.

Dengan pertimbangan ini, kebijakan pemerintah dalam diversifikasi energi

adalah membangun PLTM didaerah pedesaan. Departemen Sumber Daya

Energi menjadikan program ini untuk rencana induk jangka panjang 30

tahun dan jangka menengah 5 tahun.

1.3. Tujuan Penelitian.

1. Memilih dan mendisain jenis kincir yang sesuai dengan sumber energi

air.

2. Menguji alat didaerah aliran sungai.

3. Menganalisis unjuk kerja alat.

3

1.4. Batasan Masalah.

Ada berbagai jenis kincir air yang dapat dibangun sperti tipe bulb, overchot,

undershot, poncelet. Untuk penelitian ini dibangun kincir air tipe undershot

skala laboratorium (prototipe) dengan ukuran geometri tertentu pada daerah

aliran sungai dengan kecepatan aliran yang rendah.

4

Bab II. Teori Turbin Mikrohidro

2.1. Perletakan (layout)

2.1.1. Tipe Penstok

Perletakan turbin mikrohidro pada DAS dengan penstok seperti gambar 2.1.

Konstruksi terdiri dari kolam penenang (settling basin) kolam penampung

(forebay tank), saluran pipa pesat (pennstok), rumah turbin-generator (Power

house containing turbine).

Gambar 2.1: Layout Turbin Mikro hidro dengan penstok

Figure 1 shows the main components of a run-of-the-river micro-hydro scheme. This type of scheme requires no water storage but instead diverts some of the water from the river which is channelled along the side of a valley before being 'dropped' into the turbine via a penstock. In figure 1, the turbine drives a generator that provides electricity for a workshop. The transmission line can be extended to a local village to supply domestic power for lighting and other uses.

5

2.1.2. Tipe undershot

Konstruksi kincir air undershot menggunakan pelampung seperti gambar 2.2

terdiri dari komponen: Pelampung (1 & 8) berfungsi untuk mengkondisikan

kincir selalu berada dalam keadaan terapung. Dengan demikian pada

keadaan daerah aliran sungai pasang surut atau naik, posisi rotor selalu

terendam air. Pelampung diberi penguat batang (5). Kipas (2, 3) dapat

disusun paralel dan disatukan dengan batang penguat (10) berfungsi

menangkap air dan merubah energi.

Torsi (T) pada poros dan menghasilkan putaran poros (3). Poros kincir

ditopang oleh bantalan (4 & 6) dapat dihubungkan langsung dengan

generator (9) untuk menghasilkan listrik. Head yang rendah menghasilkan

putaran poros rendah, dengan demikian biasanya dibuat tranmisi sabuk dan

pulley siytem (11) dari poros kincir ke poros dinamo supaya putaran

dinamo/generator menjadi lebih besar. Karena kincir ini menggunakan

pelampung, alat ini disebut kincir tipe apung. Untuk menjaga supaya alat

selalu berada diposisi vertikalnya, maka dipasang tiang pengaman pada

keempat sisi kincir tersebut sehingga kincir dapat bergerak turun dan naik

mengikuti pasang surut aliran sungai.

Gambar 3.1. Kincir air undershot tipe Apung

6

Persamaan konversi energi

Energi kinetic air = ½ m.C2

dimana m = massa air didalam mangkok rotor

C = kecepatan aliran air

Energi kinetik dirobah menjadi energi mekanis berupa putaran poros.

Besarnya energi mekanis diukur dengan prony brake, yaitu

Torsi (T) = (F1 – F2) (D/2)

dimana

F1 = gaya pada sisi kencang

F2 = gaya pada sisi kendor

D = diameter rotor

Daya keluaran pada poros adalah

P = T.ω

dimana ω = 2.π.N/60 =kecepatan sudut

N = putaran poros

Efisiensi turbin

2.2. Klasifikasi Turbin Air

Berdasarkan daya output dan head yang tersedia, turbin air dikelompokkan

sbb:

7

Turbin air adalah pembangkit tenaga dengan memanfaatkan aliran air

untuk menghasilkan tenaga merupa listrik atau mekanik. Tabel 1 adalah

klasifikasi dan kategori pemanfaatan tenaga air

Tabel 1:

Skala besar Lebih dari 100 MW dan biasanya digabungkan dengan jaringan listrik yang luas

Skala menengah

15 - 100 MW – biasanya dihubungkan dengan jaringan

Skala kecil 1 - 15 MW – dihubungkan dengan jaringan

Skala mini 100 kW s/d 1 MW; berdiri sendir dan kadang dihubungkan dengan jaringan

Skala mikro 5kW s/d 100 kW; biasanya untuk kebutuhan lingkungan kecil adan indudtri terpencil

Skala pico s/d 5kW

Table 1: Classification of hydropower by size.kW (kilowatt) - 1000 Watts; MW (megawatt) - 1 000 000 Watts or 1000 kW

In the UK, water mills are known to have been in use 900 years ago. Their numbers grew steadily and by the 19th century, there were over 20,000 in operation in England alone. In Europe, Asia and parts of Africa, water wheels were used to drive a variety of industrial machinery, such as mills and pumps. The first effective water turbines appeared in the mid 19th century and it was not long before they were replacing water wheels in many applications. In contrast to water wheels and the early turbines, modern turbines are compact, highly efficient and capable of turning at very high speed. Hydropower is a well-proven technology, relying on a non-polluting, renewable and indigenous resource, which can integrate easily with irrigation and water supply projects. China alone has more than 85,000 small-scale, electricity producing, hydropower plants.

Sumber : mikrohidroP5

8

2.3. Teori nondimensional

Prototipe dapat dikembangkan menjadi ukuran sebenarnya dilapangan

dengan menggunakan persamaan-2 nondimensional yaitu hubungan antara

berbagai variabel unjuk kerja (daya output, laju aliran dan putaran) dengan

ukuran utama. Persamaannya diperoleh dari turunan rumus-2 untuk

menghasilkan:

Q = f (D)2 atau

Q1

Q2 = f(D1

D2 )2

P = f (D)2 atau P 1

P 2 = f(D1

D2 )2

N = f (1/D) atau N 1

N 2 = f(D2

D1 )

dimanaQ = laju aliranP = daya outputN = putaran

9

Sub 1 = kondisi ril di DASSub 2 = kondisi prototipe di lab.

Bab III. Metoda Penelitian

3.2. Rancangan alat

Konstruksi kincir air undershot seperti gambar 2.2.

3.2. Tempat dan waktu Pelaksanaan

Pembuatan alat dilakukan di lab mesin FT.UKI, mulai dari 3 Maret s/d 7 April 2010. Pengujian dilaksakan pada 9 April 2010 di daerah aliran sungai bekasi.

10

3.2. Metoda Pengujian

3.2.1. Kecepatan aliran sungai.

Mengambil data kecepatan aliran (C) sungai. Pelampung (bahan dari gabus) diletakkan diatas permukaan aliran dan diukur jarak tempuh (X) dan waktu yang diperlukan (t)

Kecepatan aliran (C) = X/t

3.2.2. Torsi pada poros dan putaran

Pada poros turbin dibuat system puli, yang berfungsi sebagai prony barake, untuk mengukur gaya pada sisi kencang (F1) dan gaya pada sisi kendor (F2). Gaya tersebut diukur dengan menggunakan pegas gaya. Pada saat berputar bebas (free run), diukur kecepatan (N) rotor dengan menggunakan tachometer.

3.3. Data pengujian

Tabel 3.1: Data-data pengamatan

Nmr Percob

N F1 F2 C X t

123Dst

dimanaN = putaran poros kincirX = jarak tempuh pelampung 2 metert = waktu yang diperlukan pelampung untuk menempuh 2 meter

11

F1 = gaya pada sisi kencang prony brakeF2 = gaya pada sisi kendor prony brake

Bab IV. Analisis Data dan Hasil

4.1. Pengolahan data

Dari data pengamatan, dihitung variable-2 kinerja berdasarkan rumus-2, yakni kecepatan aliran sungai (C), torsi (T), daya pada poros (P) dan efisiensi (η). Hasilnya diberikan pada tabel 4.1.

Nmr Percob

F1 F2 X T N C T P η

123Dst

4.2. Analisis

1. Diperoleh Prestasi (unjuk kerja) kincir air prototipe dengan geometri

12

tertentu dan kondisi DAS tertentu.2. Prestasi ini dipakai sebagai acuan untuk membangun kondisi kincir dengan ukuran yang lebih besar. 3. Diperoleh analisis biaya perbandingan PLTM kondisi lapangan dan PLTD untuk melihat breakeven point sebagai masukan untuk Departemen Sumber Daya Energi.

13

References and resources

1. Micro-hydro Design Manual, A Harvey & A Brown, ITDG Publishing, 1992.

2. Micro-hydro power: A guide for development workers, P Fraenkel, O Paish, V Bokalders, A Harvey & A Brown, ITDG Publishing, IT Power, Stockholm Environment Institute, 1991.

3. Small hydro Power in China, ITDG Publishing, 1985.

4. Motors as Generators for Micro-Hydro Power, Nigel Smith, IT Publications, 1994.

5. Pumps as Turbines - A users guide, Arthur Williams, ITDG Publishing, 1995.

6. Rural Energy in Peru - Power for Living, ITDG, 1996.

7. Low-cost Electrification - Affordable Electricity Installation for Low-Income Households in Developing Countries, IT Consultants/ODA, 1995.

8. The Micro-hydro Pelton Turbine Manual: Design, Manufacture and Installation for Small-scale Hydropower, Jeremy Thake, ITDG Publishing, 2000.

9. Going with the Flow: Small-scale Water Power, Dan Curtis, CAT 1999

10. Small Hydro as an Energy Option for Rural Areas of Perú by Teodoro Sanches ITDG Latin America http://www.itdg.org.pe/Programas/energia/articulos/shaaeofra.pdf

11. The Role of the Private Sector in the Small-scale Hydropower Field, K. Goldsmith, SKAT, 1995

Internet addresses

14

Pico hydro Website now maintained by University of Nottingham, UKhttp://www.picohydro.org.uk

Micro-hydro website maintained by Wim Klunnehttp://microhydropower.netContains a useful range of information including case studies, manufacturers, consultants, theory, discussion groups, and downloadable books & manuals.

The British Hydropower Associationhttp://www.brit-hydro.cwc.net

International Network on Small Hydro Powerhttp://www.inshp.org

J. Daftar Pustaka

1. Advani, C.T. : Microhydro Power Station. Sogreah Consulting Engineers, 2005

2. Barrow, H.K. : Water Power Engineering. Third edition. Mc-Graw-Hill Bokk Company Ltd. 1995

3. Lembaga Masalah kelistrikan, PLN. Jakarta: Program Kelistrikan Desa dengan PLTM.

4. Lembaga Masalah kelistrikan, PLN. Jakarta : Pembangkit Listrik tenaga Mikrohidro.

5. Massey, B. S.: Mechanics of Fluid. Forth edition. Van Nostrand Reinhold Co.

6. Notodiharjo Marjono. Listrik Tenaga Air di Indonesia. LMK, PLN. Jakarta

7. Skidmore, F.R. : Small Hydroelectric in Chine. Lawrence Livermore Laboratory. 1990

8. Subroto Ibnu : Microhydro Power Plant in Indonesia. Jakarta.

15

16