perancangan dan simulasi aliran sistem pembangkit ...eprints.itenas.ac.id/10/1/02mtm_publish.pdf ·...
TRANSCRIPT
PERANCANGAN DAN SIMULASI
ALIRAN SISTEM PEMBANGKIT PICOHIDRO HEAD RENDAH
KAPASITAS 2 kW
TESIS
Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh
Gelar Magister Teknik Mesin
Institut Teknologi Nasional
Oleh
AGUNG MUKTI WERDHANA
81 2014 003
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL
BANDUNG
2017
iii
ABSTRAK
Melimpahnya potensi energi air pada head rendah belum termanfaatkan
sepenuhnya terutama aliran air di saluran irigasi, umumnya pemanfaatan
saluran irigasi hanya digunakan sebagai pengairan pesawahan dan
perkebunan. Kontur yang dimiliki pada saluran irigasi memiliki perbedaan
ketinggian yang tidak tinggi sehingga potensi energi yang ada pada saluran
irigasi perlu di kembangkan. Untuk itu diperlukan pengembangan dan
pemanfaatan potensi energi air pada head rendah secara optimal melalui
penelitian mengenai perancangan dan mengetahui fenomena pola aliran air
yang terjadi pada sistem pembangkit picohidro head rendah pada head bersih
1,5 m yang terverifikasi dengan menggunakan turbin jenis aliran aksial
horizontal.
Rancangan sistem pembangkit memiliki bentuk yang sederhana dan mudah
diaplikasikan di saluran irigasi. Untuk mendapatkan daya pembangkitan
sebesar 2 kW dibutuhkan daya yang tersedia sebesar 3,3 kW dengan
kebutuhan debit air sebesar 0,22 m3/s, dimensi turbin yang dibutuhkan untuk
kecepatan putar 500 rpm pada saat operasi dengan kecepatan spesifik 0,53
memerlukan diameter sebesar 0,34 m dan diameter hub sebesar 0,15 m
memiliki sudut sudu pada sisi masuk di diameter rata-rata yaitu 146o dan pada
sisi keluar pada sudut 26o. Rancangan sistem pembangkit disimulasikan
dengan perangkat lunak komputasi fluida dinamik memberikan hasil
kecenderungan yang sama tetapi perlu ada perbaikan disisi geometri untuk
mendapatkan potensi daya rancangan dapat memenuhi kebutuhan daya
pembangkit.
Kata kunci : Perancangan, Picohidro, Head Rendah, Pola Aliran dan Simulasi.
iv
ABSTRACT
The abundance of water energy potential at a low head completely particularly
untapped flow of water on the irrigation, generally the irrigation channel
utilization is only used as irrigation rice fields and plantations. The contours of
the irrigation channel have a different height level that is low so that the
potential energy available on the irrigation channel needs to be developed.
Therefore, it is necessary to develop and utilize the potential of water energy
in the low head optimally through research on design and to know the
phenomenon of water flow pattern that occurs on the low picohidro head plant
system a verified where net head is 1,5 m using horizontal axial flow turbine
type.
The design of the generating system has a simple form and easily applied on
the irrigation canal. To obtain 2 kW of power generation needed 3,3 kW of
available power where a water discharge requirement of 0,22 m3/s, the turbine
dimension required for 500 rpm rotational speed at operation by a specific
speed of 0,53 requires outside diameter amount 0,4 m and hub diameter
amount 0,15 m has an angle at the inlet side in the mean diameter of 146 o
and at the out side at an angle of 26 o. The design of simulated generating
systems with dynamic fluid computation software gives the aquivalent trend
results, another hand there needs to be improvements to the geometry to get
the design power potential to meet the power requirements of the plant.
Key word : Design, Picohydro, Low Head, Flow Pattern and Simulation.
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur panjatkan penulis kepada khadirat Allah SWT
atas rahmat dan hidayah – nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan
penelitian ini dengan judul “PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN SISTEM
PEMBANGKIT PICOHIDRO HEAD RENDAH KAPASITAS 2 kW”.
Selama dalam penyusunan dan kegiatan penelitian ini, banyak sekali
rintangan dan cobaan yang di hadapi dengan adanya dorongan, motivasi,
dukungan yang tidak terhingga, akhirnya dapat menyelesaikan penyusunan
laporan penelitian. Laporan ini saya dedikasikan untuk ibunda tercinta alm.
Asih Sukasih dan ayahanda tercinta Bambang Muktiono, dan dukungan yang
tak henti-hentinya dari istri tercinta Nida Novianti, anak-ku tersayang Raka
Putra Mukti beserta keluarga besar dan kerabat yang tidak dapat di sebutkan
satu persatu. Penulis juga mengucapkan terima kasih dan penghargaan
kepada:
Yth. Dr. Agus Hermanto Ir., M.T., selaku pembimbing penelitian ini yang
tak henti-hentinya memberikan arahan, motivasi dan masukan selama
kegiatan peneltian ini dilakukan.
Yth. Tri sigit M.T., telah memberikan arahan dan masukan selama
kegiatan penelitian.
Yth. Dr. Ing. M.Alexin Putra, selaku ketua Program Studi S2 Teknik
Mesin Institut Teknologi Nasional Bandung
Penulis menyadari dalam penyusunan penelitian ini banyak kekurangan
yang perlu di perbaiki maka dengan hal ini penulis mengharapkan masukkan,
koreksi dan saran untuk menutupi kekurangan tersebut.
Bandung, 14 September 2017
Penulis
vi
Daftar Isi
PERNYATAAN ............................................................................................ i
LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. ii
ABSTRAK ................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................... iv
KATA PENGANTAR .................................................................................... v
Daftar Isi ................................................................................................. vi
Daftar Tabel ........................................................................................... viii
Daftar Gambar ......................................................................................... ix
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 3
1.4 Tujuan ............................................................................................ 3
1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan ...................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 5
2.1 Pengertian Pembangkit Picohidro Head Rendah ................................. 5
2.2 Prinsip Picohidro .............................................................................. 5
2.3 Prinsip Kerja Pembangkit Tenaga Air ................................................ 7
2.4 Sistem Pembangkit Picohidro Head Rendah pada Saluran Air Irigasi ... 9
2.5 Irigasi ........................................................................................... 10
2.6 Turbin Air ..................................................................................... 11
vii
2.6.1 Konsep dan Persamaan Dasar Turbin Air ............................... 12
2.6.2 Turbin Impuls ...................................................................... 14
2.6.3 Turbin Reaksi ....................................................................... 14
2.6.4 Turbin Kaplan dan Propeller .................................................. 16
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 19
3.1 Metodologi Penelitian ..................................................................... 19
3.2 Survei Lokasi ................................................................................. 21
3.3 Kriteria Desain............................................................................... 23
3.4 Perhitungan .................................................................................. 24
3.4.1 Desain Turbin ...................................................................... 24
3.4.2 Desain Komponen Turbin...................................................... 34
3.4.3 Head Loss............................................................................ 36
3.5 Simulasi ........................................................................................ 38
3.6 Hasil Simulasi ................................................................................ 39
BAB IV ANALISA ..................................................................................... 41
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 47
5.1 Kesimpulan ................................................................................... 47
5.2 Saran............................................................................................ 47
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 48
viii
Daftar Tabel
Tabel 2.1 Batas Kecepatan Aliran pada Saluran Irigasi Terhadap
Bahan Bangunan yang Digunakan .................................................... 11
Tabel 3.1 Kriteria Design .................................................................... 23
Tabel 3.2 Hasil Perhitungan Kecepatan Spesifik dan Kecepatan Putar
Berdasar pada Parameter Standard .................................................. 26
Tabel 3.3 Hasil Perhitungan Untuk Diameter Tip dan Hub .............. 27
Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Sudut Sudu Turbin ............................... 29
Tabel 3.5 Hasil Perhitungan Nilai Chord dan Pitch pada Kecepatan
Putar 500 rpm ..................................................................................... 31
ix
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Potensi tenaga air ........................................................... 6
Gambar 2.2 Komponen utama pada sistem pembangkit listrik tenaga
air ......................................................................................................... 7
Gambar 2.3 Dimensi sudu .................................................................. 15
Gambar 2.4 Segitiga kecepatan untuk turbin air jenis aliran aksial
............................................................................................................. 16
Gambar 2.5 Turbin kaplan double regulated .................................... 17
Gambar 3.1 Diagram alir ................................................................... 20
Gambar 3.2 Peta lokasi ...................................................................... 22
Gambar 3.3 (a)Desain sistem yang akan dikembangkan, (b) Foto
lokasi saluran irigasi ........................................................................... 23
Gambar 3.4 Geometri turbin .............................................................. 31
Gambar 3.5. Geometri head tank ...................................................... 37
Gambar 3.6 Model Head Tank ............................................................ 38
Gambar 3.7 Kontur Kecepatan Fluida ............................................... 39
Gambar 4.1 Kontur kecepatan ........................................................... 43
Gambar 4.2 Kontur tekanan ............................................................. 43
Gambar 4.3 Vektor Kecepatan Sistem Pembangkit Picohidro ......... 44
Gambar 4.4 Detail 1 Vektor kecepatan ............................................. 44
Gambar 4.5 Detail 2 Vektor Kecepatan ............................................. 45
Gambar 4.6 Detail 3 Vektor Kecepatan ............................................. 45
Gambar 4.7 Detail 4 Vektor Kecepatan ............................................. 46
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kondisi ratio elektrifikasi (RE) rumah tangga di Jawa Barat pada tahun
2014 sebesar 83.41% dan merupakan provinsi dengan pengguna listrik
terbesar di Indonesia (ESDM, 2016), secara umum rumah tangga yang belum
mendapatkan energi listrik berada di luar perkotaan yang jauh dari jaringan
distribusi listrik seperti halnya didaerah pedesaan. Ketersediaan energi listrik
di daerah pedesaan sangat di perlukan mengingat belum meratanya pasokan
listrik ke seluruh daerah, diperlukan usaha-usaha dalam penyediaan energi
listrik. Pemerintah Indonesia saat ini ke depannya dalam rencana usaha
pengadaan tenaga listrik (RUPTL) pada tahun 2025 akan lebih ditekankan
pada energi yang ramah lingkungan sebesar 25% dari total konsumsi bahan
baku yang digunakan untuk pembangkit tenaga listrik, seperti kita ketahui
bahwa pembangkit listrik yang ada menghandalkan sumber energi yang
berasal dari bahan bakar fosil, selain itu potensi akan tenaga air di Indonesia
berkisar 75000 mega watt dan yang baru termanfaatkan sekitar 5.2% (PLN,
2016).
Dilihat dari struktur geografis di Indonesia terutama daerah pedesaan
memiliki sumber energi air yang melimpah diantaranya aliran air pada
saluran irigasi, umumnya hanya di manfaatkan sebagai pengairan pada
lahan pertanian maupun perkebunan, di indonesia saluran irigasi memiliki
kontur dengan beda ketinggian yang relatif tidak tinggi terutama di daerah
saluran irigasi tersier yang langsung menuju daerah pesawahan dan
perkebunan serta terdapat aliran air di dalamnya, dua parameter tersebut
memiliki potensi energi yang tersedia untuk dapat dibangkitkan menjadi
energi listrik tenaga air, hal ini yang menjadi pertimbangan untuk dilakukan
2
suatu pengembangan dan pemanfaatan potensi energi melalui kegiatan
perencanaan sistem pembangkit picohidro berkapasitas 2 kW dengan
memanfaatkan head bersih yang rendah 1,5 m. Sistem Pembangkit tersebut
dapat menerangi rumah dengan asumsi 200 watt per rumah sehingga dapat
menerangi rumah-rumah disekitar saluran irigasi untuk 10 rumah, besarnya
energi yang dihasilkan oleh sistem pembangkit picohidro ini cukup untuk
digunakan sebagai penerangan pada malam hari dan untuk keperluan
pertanian pada siang hari salah satunya adalah penggunaan pompa air dalam
pengairan.
Sistem pembangkit picohidro ini hanya memanfaatkan aliran air yang
berada di saluran irigasi desa sebagai sumber energi sehingga tidak
mengurangi jumlah air dan tidak terganggunya ekosistem yang berada di
sepanjang aliran irigasi karena air yang masuk kedalam sistem pembangkit
hanya digunakan untuk memutarkan turbin sebagai penggerak mula dan air
yang telah digunakan akan kembali lagi ke saluran irigasi.
Saat ini sistem pembangkit picohidro dengan memanfaatkan head
yang rendah pada jenis turbin aliran aksial horisontal belum banyak di
kembangkan dan masih tahap penelitian dalam bentuk prototip pada skala
laboratorium antara lain turbin propeller dengan aliran aksial yang dipasang
secara miring dengan jumlah blade runner turbin 8 buah di gunakan pada
kondisi jatuh air setinggi 1,2 m yang di koneksikan dengan generator pada
satu poros pada kondisi tercelup (Priyono Sutikno, 2011) dan turbin propeller
diposisikan pada kondisi aliran air mendatar dengan kapasitas 500 Watt
(Susatyo & Subekti, 2016).
1.2 Rumusan Masalah
Belum ada yang mengembangkan dan mengaplikasikan sistem
pembangkit picohidro head rendah pada saluran irigasi sehingga butuh
perancangan untuk mendapatkan jumlah energi aliran air yang dapat
dimanfaatkan oleh sistem pembangkit picohidro yang terverifikasi.
3
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah akan di batasi pada:
a. Perancangan sistem pembangkit picohidro dengan head bersih
1,5 m.
b. Kapasitas daya pembangkitan sebesar 2 kW.
c. Fenomena pola aliran air di sistem menggunakan bantuan
perangkat lunak komputasi aliran fluida dinamik.
1.4 Tujuan
Rancangan sistem pembangkit picohidro berkapasitas 2 kW dengan head
bersih rendah 1,5 m menggunakan turbin aliran aksial horizontal
memanfaatkan saluran irigasi yang terverifikasi dengan potensi energi yang
di hasilkan dan fenomena pola aliran pada sistem pembangkit tanpa
melibatkan sudu turbin.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian yang dilakukan dapat memberikan manfaat berupa
memberikan gambaran dalam perencanaan sistem pembangkit picohidro
head rendah dan fenomena pola aliran air yang terjadi pada sistem terhadap
potensi daya yang dihasilkan dari aliran air tanpa melibatkan sudu turbin.
1.6 Sistematika Penulisan
Penelitian ini dalam penyusunan penulisan dilakukan secara
terstruktur dan sistematik agar memudahkan dalam pemahaman untuk
pemecahan masalah hingga mencapai suatu kesimpulan. Sistematika
penulisan yang dilakukan adalah sebagai berikut:
4
1. BAB I Pendahuluan
Bab ini menguraikan mengenai latar belakang dilakukannya
penelitian ditinjau dari sisi permasalahan, ruang lingkup kajian,
batasan dalam penelitian, dan menjelaskan tujuan dari penelitian
ini.
2. BAB II Tinjauan Pustaka
Bab ini berisikan mengenai dasar teori dan informasi yang terkait
dengan rancangan turbin dan sistem pembangkit daya yang
berhubungan dengan energi air baik dari buku, standard dan
jurnal.
3. BAB III Metode Peneltian
Bab ini menjelaskan mengenai alur proses penelitian yang
terangkum dalam diagram alir, survey lapangan yang berisikan
data lokasi, kriteria design sebagai dasar untuk melakukan
perencanaan, melakukan perhitungan perancangan dengan
beberapa persamaan yang terkait, dan simulasi dengan
menggunakan bantuan komputasi aliran fluida dinamik.
4. BAB IV Analisa
Bab ini menguraikan mengenai analisa dari hasil proses
perhitungan dan simulasi.
5. BAB V Kesimpulan dan Saran
Bab ini membahas mengenai kesimpulan dari hasil penelitian dan
memberikan saran sebagai bahan kajian dalam penelitian
selanjutnya.
48
DAFTAR PUSTAKA
Air, D. J. (1986). Standar Perencanaan Air. Jakarta: Departemen Pekerjaan
Umum Indonesia.
C.C.Warnick, Howard A.Mayo, J., Carson, J. L., & H, L. (1984). Hydro Power
Engineering. New Jersey: Prentice-Hall,Inc.
EM20, E. M. (1976). Selecting Hydraulic Reaction Turbine. Washington:
U.S.Goverment Printing Office.
ESDM. (2016, june). Data Rasio Elektrifikasi Jawa Barat. Diunduh dari
http://www.esdm.jabarprov.go.id.
European Small Hydropower Association, Celso Pence. (2004). The Guide on
How to Develop a Small Hydropower Plant. European: European
Renewable Energy Council.
F.Dietzel, & Sriyono, D. (1990). Turbin Pompa dan Kompresor. Jakarta:
Erlangga.
Fox, R. w., & McDonald, A. T. (1998). Introduction to Fluid Mechanics.
Singapore: John Wiley & sons.
Garut, K. (2016, july). Sumber Daya Air. Diunduh dari http://
www.garutkab.go.id.
Indian Institute of Technology Roorkee. (1990).
Standard/Manuals/Guidelines fo Selection of Turbine and Governing
System for SHP. India: Ministry of New and Renewable energy Govt.
of India.
JICA. (2009). Manuals and Guidelines for Micro-Hydropower Development in
Rural Electrification. Japan: Energy Utilization Management Bureau.
49
Mott, R. L. (1994). Apllied Fluid Mechanics. United State of America: Prentice
Hall.
Pence, C. (1998). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant.
Europe: ESHA.
PLN. (2016, june). Rencana Usaha Pengadaan Tenaga Listrik (RUPTL).
Diunduh dari http://www.listrik.org.
Priyono Sutikno, I. K. (2011). Design, Simulation and Experimental of The
Very Low Head Turbine with Minimum Pressure and Free Vortex
Criterations. International Jurnal of Mechanical & Mechatronics
Engineering IJMEE-IJENS, 8.
Sayers, A. T. (1992). Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines.
Singapore: MCGraw-Hill Book.
SDA. (2016, May). Sumber Daya Air. Diunduh dari http://garutkab.go.id.
Sularso, & Suga, K. (1997). Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin.
Jakarta: Pradnya Paramita.
Susatyo, A., & Subekti, R. A. (2016). Rancang Bangun Turbin Arus Sungai/
Head Sangat Rendah. LIPI, 8.
Tuakia, F. (2008). Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung:
Informatika.
Yahya, S. M. (2015). Turbine, Compressors and Fans. India: McGraw Hill
Education (India) Private Limited.