Mikrohidro Imut-imut, Effisiensi Tinggi


A. Pendahuluan

Indonesia memiliki sumber daya alam yang melimpah, salah satunya adalah melimpahnya ketersediaan air. Pemanfaatan sumber daya air ini sudah dimanfaatkan untuk memenuhi berbagai macam kebutuhan, salah satunya untuk pembangkit tenaga listrik. Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang ada di Indonesia sudah banyak beroperasi di berbagai daerah. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh PLTA kemudian disalurkan ke daerah-daerah sekitarnya, namun ada juga PLTA yang dioperasikan sebagai pusat tenaga listrik suatu wilayah yang luas. PLTA membutuhkan energi besar yang dihasilkan oleh air. Oleh sebab itu, PLTA membutuhkan waduk untuk menampung volume air yang besar tersebut. Hal ini tidak bisa diterapkan di daerah yang terpencil dan hanya memiliki sumber daya alam air yang tidak besar. Suatu pedesaan yang memiliki sungai yang arus airnya lumayan deras namun tidak memungkinkan dibangun suatu waduk untuk mendukung adanya PLTA sulit untuk memenuhi kebutuhan listriknya. Pembangkit listrik mikrohidro yang semakin banyak dikembangkan sekarang dapat menjadi salah satu solusi masalah tersebut. Dengan memanfaatkan aliran yang tidak sebesar seperti di waduk, diharapkan PLTM dapat menghasilkan tenaga listrik yang cukup untuk memenuhi suatu pedesaan yang masih kekurangan pasokan tenaga listrik.
PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro) merupakan salah satu pembangkit listrik yang ramah lingkungan dan bisa sebagai alternatif menghambat pemanasan global. Jika pembangunan PLTM sepeti ini dapat berkembang di Indonesia maka akan meringankan beban operasional PT. PLN.Pada tahun 2008 ini saja disubsidi negara sebesar 35 Triliun. PT PLN juga mensosialisasikan program penggunaan lampu hemat energi secara nasional.Jika seluruh masyarakat Indonesia menggunakan lampu hemat energi, dampak positif yang rasakan sangat besar.Jika di rupiahkan bisa menghemat biaya opersional sebesar 7 triliun rupiah setiap tahunnya. ( prabono.wordpress.com)

B. Tujuan

Tujuan yang diharapkan tercapai bila alat ini selesai dibuat adalah sebagai berikut:
1. Memanfaatkan sumber atau aliran air yang cukup deras seperti saluran irigasi atau sungai yang berpotensi untuk pembangkit listrik skala kecil.
2. Meningkatkan kesadaran warga untuk menjaga kebersihan sumber air dan alirannya.
3. Sebagai alternatif sumber energi listrik, terutama untuk daerah terpencil yang memiliki saluran air yang memadai.
4. Meningkatkan kreatifitas dan pengetahuan warga akan teknologi
5. meningkatkan penyediaan dan pemerataan energi khususnya di daerah perdesaan

C. Batasan dan Asumsi

1. Karakteritik aliran air:
a. Aliran terbuka
b. Head ± 3 meter
c. Q = 20 liter/detik
d. Asumsi tidak ada sampah yang mengganggu aliran
e. Pasokan air cukup
f. Debit konstan atau tetap
2. Karakteristik turbin:
a. Asumsi low head water plant
b. Jenis turbin yang digunakan adalah cross-flow
3. Karakteristik output yang diinginkan:
a. Generator satu fasa
b. Daya yang dihasilkan 200 – 1000 Watt
c. Tidak menggunakan governor (ELC) dengan asumsi debit tetap atau konstan.
d. Tegangan AC yang dihasilkan 220 volt dan frekuensi 50 Hz

D. Pra-rancangan

Secara garis besar ada dua jenis basis dari turbin air : impuls dan reaksi. Menurut petunjuk Stapleton dan Riedy (2004), turbin impuls merupakan tipe yang paling umum yang dipasang pada sistem domestik. Cunningham dan Atkinson (1998) menjelaskan aplikasi turbin impuls pada mikrohidro sebagai berikut : Mesin-mesin impuls menggunakan nozzle pada ujung akhir daro saluran pipa yang mengkonversi air di bawah tekanan menjadi pancaran yang bergerak cepat. Pancaran ini kemudian diarahkan ke roda turbin (disebut juga runner), yang dirancang untuk mengkonversi energi kinetik sebanyak mungkin dari pancaran ke poros.
Air menabrak turbin dan mendorongnya dalam gerakan melingkar. Tipe generator air ini bekerja paling baik pada tempat yang sumber airnya mempunyai head yang tinggi. Turbin air impuls kecil memerlukan sedikit volume aliran (debit) air, jadi mereka ideal untuk tempat yang jumlah airnya relatif kecil mengair ke bawah bukit yang erjal dengan wajar, seperti di sungai lereng bukit atau air terjun kecil (ABS Alaskan, 2006).
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s sehingga 10 m3/s dan head antara 1 s/d 200 m.

Gambar 1.9. Turbin Crossflow
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
Turbin crossflow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin.
Berdasarkan riset dari Scott Suddreth, untuk sungai yang tidak mempunyai head yang banyak, ia menyimpulkan bahwa turbin Banki (Crossflow) adalah pilihan terbaik untuk mikrohidro.
Sistem mikrohidro yang akan dibuat menggunakan sebuah turbin impuls kecil bertipe turbin Banki yang dihubungkan dengan suatu generator atau alternator. Air dikumpulkan dari saluran irigasi diarahkan menuju turbin melalui pipa dan dialirkan ke turbin melalui sebuah nozzle yang berujung persegi panjang. Pada sistem ini tidak diperlukan dam, oleh karena itu disebut sistem “run of river”. Daya dihasilkan oleh generator atau alternator yang dihubungkan dengan turbin melalui puli untuk mendapatkan putaran yang diperlukan untuk menghasilkan daya yang diinginkan. Alternator yang kami gunakan adalah alternator yang ada di pasaran dengan daya output minimum 200 watt dan tegangan AC 220 volt.
Peralatan yang digunakan di dalam pembuatan alat ini adalah : obeng, kunci pas, kunci ring, tang, alat las listrik dan elektroda, gergaji, amplas, penggaris, siku, meteran, busur, dan lain-lain. Bahan yang digunakan besi profil L, mur dan baut, plat besi 3 mm dan pipa besi dengan diameter 3 inch untuk pembuatan sudu-sudu.
Turbin Banki yang akan dibuat mempunyai lebar turbin 13,5 cm dan diameter 23 cm yang terbuat dari 2 lingkaran plat besi dan 2 sudu. Kedua plat besi disatukan dengan sudu dengan cara di las dilas dengan 20 sudu yang dibuat dari pipa besi 3 inch yang di potong dengan sudut 73 derajat.
Nozzle untuk alat ini dibuat berbentuk persegi panjang dengan lebar 11 cm atau lebar turbin dikurangi 1 inch. Lebar nozzle dibuat lebih pendek 1 inch berguna untuk meminimalkan air yang tumpah. Lebar ke atasnya adalah 2,7 cm. Secara teori letak nozzle dapat dihitung dengan rumus

y1 = r2 sin(90 – α2’) – 1,89 s0 / 2 – d/2
s1 = k D1
Maka y1 = (0,1986 – 0,945)D1 – d/2
Namun,aktualnya sering kali tidak presisi maka nozzle akan dibuat lebih portable untuk digeser. Letak nozzle dapat diatur meju mundur untuk menyesuaikan arah semburan sehingga dapat diatur untuk mendapatkan daya maksimal.

E. Perhitungan Perancangan

Asumsi perhitungan
Q = 20 l/s
= 0,02 m³/s
= 0,706 cfs
H = 3m
= 9,8 ft
η = 50 %
N = 300 rpm
1. Potensi daya air
Daya potensial yang tersedia dari tenaga air dihitung dengan rumus:
P = γ x Q x H
Dengan =
γ = berat jenis air ( N/m3)
Q = debit air (m3/s)
H = tinggi jatuh air (m)

P = γ x Q x H
= 9800 x 0,02 x 3
P = 588 watt
= 0,79 watt

2. Daya output turbin
Daya output pada turbin dihitung dengan rumus :
P = g x Q x h x turbin
Dengan :
P = Daya (watt)
g = percepatan gravitasi (9.8 m/s2)
h = head (m)
Q = debit air (liter/sekon)
turbin = Efisiensi turbin (untuk tipe crossflow = 0,7-0,8)
Misal efisiensi turbin = 50%

P teoritis = (0.02x 3 x 9.81×0.5)
= 294.3 x 10-3 kW
= 0.395 hp

3. Dimensi turbin
Untuk turbin crossflow Ns = 40-200 dimana

Ns = (NxP0,5/(H1,25)
Dengan
Ns = kecepatan spesifik
N = kecepatan turbun ( rpm )
P = daya turbin ( HP )
H = head (m)
Maka kisaran rpm dengan data diatas adalah 177-888 rpm
Harapan turbin yang dibuat bisa berputar pada putaran 300, maka turbin mempunyai Ns :
Ns = ( NxP0,5)/H1,25
= ( 300 x 0,3950,5)/9,81,25
= 48,67
Maka turbin termasuk turbin crossflow

Panjang turbin didapat dengan rumus
L = 0,244 QN/H
= 0,244 x 0,706 x 300/9,8
= 5,27 inch
= 13,5cm

Sedangkan diameter turbin didapat dengan rumus :
N = (862/D1) xH0,5
D1 = (86 /N) x H0,5
= (862/300) x √9,8
= 9 inch
= 22,86 cm

Diameter dalam dari turbin didapat dari :
a = 0,17 x D1
= 0,17 x 22,86
= 3,88 cm

D2 = 22,86 – (2x 3,88)
= 15,08 cm

4. Ukuran sudu

Setelah melakukan penggambaran secara manual, maka diketahui letak titik pusat kelengkungan sudut dan jari jari sudu yang didapat dari :
r1/r2 = sin (180o – ½ δ) / sin ( 90o – (½ δ + β1))
= sin ½ δ / cos (½ δ + β1)
Tan ½ δ = cos β1 / ( sin β1 + r1/r2)
δ =73o28”
dengan jari jari sudu sebesar 3,71 atau diameter = 7,42
maka sebagai sudu akan digunakan pipa besi dengan diameter yang mempunyai ukuran sama atau mempunyai ukuran hamper sama dengan rancangan yaitu pipa besi ukuran 3”= 7,62 cm

5. Outlet nozzle
Ukuran nozzle didapat dari menghitung luas lubang nozzle
Dengan
V = kecepatan air
C = konstanta
G = gravitasi (32,152 sq ft/s)
H = head
Maka kecepatan air yang masuk ke nozzle
V = 0,9√(2 x 32,152 x 9,8)
= 22,59 ft/s
Luas outlet nozzle :
A = Q/V
= 0,706 / 22,59
= 0,031 sq ft
Panjang nozzle = L- 1 inch
= 5,27” – 1”
= 4,27”
= 10,84 cm
Sedangkan tinggi nozzle
T = A/L
= 0,031 x 144 / 4,27
= 1,04”
= 2,65 cm

6. Perbandingan rasio pulley
Perbandingan rasio puli untuk mendapatkan putaran yang diperlukan alternator dihitung dengan rumus :
n turbin : n alternator
Pada pengukuran yang kami lakukan saat survey didapat putaran turbin 300 rpm. Sedangkan putaran yang diperlukan alternator untuk menghasilkan daya minimum 200 watt adalah 1500 rpm.. Sehingga perbandingan rasio pulinya didapat :

300:1500 = 1 : 5

Dari perhitungan-perhitungan di atas kami memutuskan untuk menggunakan puli bertingkat dengan harapan mendapat ukuran puli yang lebih kecil.

7. Perhitungan ukuran poros
Untuk menentukan ukuran minimum poros, pertama-tama harus dihitung torsi yang dihasilkan turbin terlebih dulu
T = 60 P / (2πN)
= 60 x 294,3 / ( 2 π 300 )
= 9,8 Nm

Setelah torsi diketahui, maka dengan asumsi tegangan geser baja τ = 150 MPa
Maka diameter poros minimum :
d³ = 16 T /(π x τ)
= 16 x 9,8 / ( π x 150×106)
= 6,9 E-3 m
= 6,9 mm

Dengan safety factor 2 maka diameter minimum :
d = 2 x 6,9 mm
= 13,8 mm
Maka kami menggunakan yang lebih besar yaitu : 0,75 inch = 19,05 mm

F. Gambar pra-rancangan

G. Personalia dan Pembagian Kerja

H. Rencana anggaran
No. Bahan Jumlah Harga per satuan Biaya
1. Besi profil L 6 m Rp 12.000,00 Rp 72.000,00
2. Plat besi 30x60x2 mm Rp 60.000,00 Rp 60.000,00
3. Pipa besi diameter 3 inch 1 m Rp 100.000,00 Rp 40.000,00
4. Alternator 1 buah Rp 500.000,00 Rp 500.000,00
5. Pulley Diameter 2 inch 2 buah Rp 20.000,00 Rp 20.000,00
6. Pulley Diameter 4 inch 1 buah Rp 40.000,00 Rp 40.000,00
7. Pulley Diameter 6 inch 1 buah Rp 60.000,00 Rp 60.000,00
8. V-Belt 2 buah Rp 30.000,00 Rp 60.000,00
9. Bearing duduk 2 set Rp 60.000,00 Rp 120.000,00
10. Poros 0,75 inch 1 m Rp 150.000,00 Rp 150.000,00
11. Mur, baut, dan ring Rp 60.000,00
12. Biaya kesekretariatan Rp 18.000,00
TOTAL Rp 1.200.000,00

Daftar Pustaka

http://adesalbg.wordpress.com/2008/06/10/pembangkit-energi-listrik-tenaga-mikrohidro
http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?s=0a04f4cb9244b15968180bef756aa3bc&t=525203&page=6
http://andodinejad.insancendekia.org
http://prabono.wordpress.com
http://ahmad-fajar.web.ugm.ac.id/?p=17
http://www.myenergyplanet.com
http://ecopesantren.org/id/index.php?option=com_content&task=view&id=32&Itemid=45

DESIGNED by:
Rezki Anjung Mentaram
Mujammil Asdhiyoga Rahmanta
Kunto Purnajati
Dyan Wibintoro Cahyo Aji
Tony Suprapto
Bayu Arya Pramudita
Achmad Mirzarohman Zamrozi
Hanggayuh SH
Andre Pratama
Ade Febri Saputra
Barakah Pukuh
I Putu Adi Witara

3 responses to this post.

  1. Posted by BaR_BaR on January 12, 2010 at 10:35 am

    Mantap dah..,penjelasannya detail bgt.,

    Reply

  2. Posted by Aswino on February 2, 2010 at 9:54 pm

    Maaf bisa tolong versi Ms Word nya?agar lebih jelas simbol2nya…dikirim ke email saya ya…terima kasih sekali..lalu untuk output dri mikrohidro itu sudah AC?utk mngatur watt tiap rumah misalnya,,itu gimana?

    Reply

  3. mantap mas brooo

    Reply

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: