Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 16 No. 2 (2023) 213 - 218      ISSN Media Elektronik: 2655-5670

## Perancangan dan Analisis Daya Turbin Air Piko Hidro untuk Aliran Arus Rendah
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 , Neris Peri Ardiansyah 3
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Widyatama
2 Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Widyatama
3 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Widyatama
1 nia.suryaman@widyatama.ac.id 2 raden.herdian@widyatama.ac.id 2 neris.ardiansyah@widyatama.ac.id

## Abstract
Over time, the consumption of electrical energy needed in Indonesia is getting bigger. Various efforts continue to be made either by seeking new energy potential or by developing existing technologies. Apart from the increasing need for electrical energy, efforts are made to supply the needs of electrical energy by utilizing the potential and conditions that exist in certain areas. Water energy has been widely utilized and used for power generation. The potential of water as an energy source can be used as a provider of electrical power. One of the uses of water energy is to make hydroelectric power plants. The purpose of this study is to design a portable water turbine design and find out the results of the calculation of the analysis of electrical power  produced.  The  research  method used  is  the  analysis  of  water  turbine design  using  the  SolidWorks  application  to be able to find out the shape of the turbine that has simple, portable properties and can be carried anywhere. The size that meets the desired criteria is 10 cm  for  diameter and 4 cm  for height. After designing the turbine design, then the calculation and analysis  of  the  power  released  by  the  water  turbine  is  carried  out.  The  data  needed  to  perform  the  calculation  are  water discharge 1.48×10 -5 m 3 /s, head 6×10 -2 m, water density 1000 kg/m 3 , gravity acceleration 9.81 m/s 2 , turbine efficiency 12.6%. Using the turbine power formula, the turbine power with a water discharge value of 1.48×10 -5 m3/s is 11 Watts. Then the 2nd calculation was carried out with the value of the water discharge used of 9.6×10 -5 m 3 /s and turbine efficiency of 24.9%. After calculation, the turbine power value of 14 Watts was obtained.
Keywords: electric power, designing, pico hydro, low current

## Abstrak
Seiring berjalannya waktu konsumsi energi listrik yang dibutuhkan di Indonesia  semakin besar. Berbagai upaya terus dilakukan baik mencari potensi energi yang baru atau dengan mengembangkan teknologi yang sudah ada. Dengan  kebutuhan  energi  listrik  yang  terus  meningkat,  maka  dilakukanlah  upaya  untuk  menyuplai  kebutuhan energi  listrik  dengan  memanfaatkan  potensi  dan  kondisi  yang  ada  pada  daerah  tertentu.  Energi  air  sudah dimanfaatkan  secara  luas  dan  digunakan  untuk  pembangkit  listrik.  Potensi  air  sebagai  sumber  energi  dapat digunakan sebagai penyedia daya listrik. Salah satu pemanfaatan energi air adalah dengan membuat pembangkit listrik  tenaga  air  piko  hidro.  Tujuan  penelitian  ini  untuk  merancang  turbin  air  yang portable dan  mengetahui hasil  perhitungan  analisis  daya  listrik  yang  dihasilkan.  Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah  analisis perancangan  desain  turbin  air  menggunakan  aplikasi  SolidWorks  untuk  dapat  mengetahui  bentuk  dari  turbin yang  memiliki  sifat  sederhana,  portable  dan  dapat  dibawa  kemana  saja.  Ukuran  yang  memenuhi  kriteria  yang diinginkan  yaitu  10  cm  untuk  diameter  serta  4  cm  untuk  tingginya.  Setelah  melakukan  perancangan  desain turbin,  selanjutnya  dilakukan  perhitungan  dan  analisis  daya  yang  dikeluarkan  oleh  turbin  air.  Data  yang dibutuhkan untuk  melakukan perhitungan adalah debit air 1,48×10 -5 m 3 /s, head 6×10 -2 m, massa  jenis air 1000 kg/m 3 ,  percepatan  gravitasi  9,81  m/s 2 ,  efisiensi  turbin  12,6%.  Dengan  menggunakan  rumus  daya  turbin,  maka daya turbin dengan nilai debit air 1,48×10 -5 m 3 /s adalah 11 Watt. Lalu dilakukan perhitungan ke-2 dengan nilai debit  air  yang  digunakan  sebesar  9,6×10 -5 m 3 /s  dan  efisiensi  turbin  sebesar  24,9%.  Setelah  dilakukan perhitungan, didapatlah nilai daya turbin sebesar 14 Watt.
Kata kunci: daya listrik, perancangan, piko hidro, arus rendah
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 ,
Neris Peri Ardiansyah 3
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 2 (2023) 213 - 218

## 1. Pendahuluan
Konsumsi  energi  listrik  semakin  hari  semakin  besar kebutuhannya  di  Indonesia.  Pada  tahun  2023,  PLN menyebutkan  bahwa  konsumsi  listrik  naik  6%  [1]. Sebagian  besar  listrik  yang  digunakan  berasal  dari PLTU  yang  tersebar,  namun  cenderung  tidak  ramah lingkungan. Oleh karena itu perlu sumber daya energi lain  untuk  menggantikan  agar  lingkungan  menjadi bersih.  Salah  satu  sumber  energi  yang  dapat dimanfaatkan adalah sumber energi air.
Jika suatu daerah memiliki potensi dengan ketinggian air yang cukup tinggi pada suatu sungai, maka daerah tersebut dibangun pembangkit listrik dengan kapasitas luaran  daya  listrik  sesuai  potensi  air  yang  tersedia. Maka  dari  itu,  tentu  terjadi  banyaknya  kasus mengenai  pemakaian  kurang  efisien  dikarenakan sumber daya yang cukup murah [2].
Sumber  energi  air  digunakan  untuk  menghasilkan energi  listrik  baik  dengan  membangun  turbin  air bahkan sampai skala piko hidro.  Energi kinetik aliran air  yang  berasal  dari  gravitasi  energi  potensial dimanfaatkan  sebagai  penggerak  turbin  atau  kincir [3].
Turbin  air  sebagai  salah  satu  alternative  pengganti tenaga  uap  untuk  menghasilkan  energi  listrik. Kebutuhan  energi  listrik  setiap  tahunnya  terus bertambah  sebesar  4,6%  dan  pada  tahun  2030 diperkirakan  akan  bertambah  kebutuhannya  sampai tiga  kali  lipat  [4].  Salah  satu  jenis  turbin  air  adalah Turbin Darrieus yang memiliki turbin sumbu vertikal. Model  turbin  ini  dengan  tiga  buah blade memiliki efisiensi maksimum sekitar 30% pada TSR 1,74 [5].
Sudah  menjadi  hal  lumrah  pada  masa  kini  manusia tidak  lepas  dari  gawai.  Bahkan  warga  Indonesia menjadi  peringkat  satu  dunia  yang  telah  kecanduan oleh  gawai  yang  terkoneksi  internet  [6].  Namun tentunya  gawai  memerlukan  daya  listrik  saat pengisian  ulang  agar  tetap  dapat  digunakan.  Selain gawai, hiking menjadi  salah  satu  alternatif  untuk melepas  penat.  Pengalaman  menyusuri  alam  terbuka tentunya  diperlukan  sebagai  sarana  rekreasi,  namun manusia  tetap  memerlukan  gawai.  Kendala  yang muncul  kemudian  adalah  bagaimana  agar  baterai gawai  tetap  dapat  diisi  ulang  saat  sedang  melakukan hiking . Power  bank menjadi  salah  satu  alternatif, namun  tetap  dapat  habis  pula  dayanya.  Maka  dari  itu diperlukan  suatu  alat  yang  dapat  menghasilkan  daya listrik dengan  memanfaatkan  sumber daya alam  yang tersedia.  Pengembangan  teknologi  pembangkit  listrik yang dapat dibawa kemana saja menjadi alternatif lain yang dapat digunakan. Air dapat ditemukan di sungai, selokan,  saat  banjir,  air  terjun,  serta  dapat dimanfaatkan  sebagai  sumber  daya  penggerak  sudu turbin.
Melihat  permasalahan  tersebut,  maka  penelitian  ini bertujuan  untuk  merancang  turbin  air  yang portable .
Selain  itu  dianalisis  pula  berapa  daya  yang  dapat dikeluarkan  oleh  turbin  air portable tersebut. Menurut  penelitian  Zaira,  hasil  perancangan  dari turbin screw didapatkan  spesifikasi  panjang  turbin 1.140,5  mm  dengan  diameter  dalam  225  mm, diameter  luar  419,4  mm.  Turbin screw ini  dapat menghasilkan  daya  sebesar  46,70  W  dan  efisiensi mekanik turbin sebesar 49,16% [7].

## 2. Metode Penelitian
Metode penelitian ini menggunakan analisis perancangan. Perancangan konstruksi turbin menggunakan  aplikasi SolidWorks .  Analisis  aliran debit  air  yang  melewati  turbin  air  terhadap  variasi ukuran  debit  air  menggunakan  perhitungan  daya turbin.  Langkah  penelitian  ini  dapat  dilihat  pada Gambar 1 berikut:

## Gambar 1 Diagram Alir Penelitian

## 2.1. Pengumpulan Data
Pengumpulan  data  dilakukan  untuk  mendapatkan data-data  pendukung  yang  diperlukan  saat  tahap pengolahan  dan  perhitungan  daya  turbin.  Data-data yang  diperlukan  adalah  debit  air, head, massa  jenis air, percepatan gravitasi, efisiensi turbin.
Karena  penelitian  ini  tidak  melakukan  eksperimen, maka  data-data  yang  diperlukan  didapat  dari  hasil
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 ,
Neris Peri Ardiansyah 3
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 2 (2023) 213 - 218
studi  literatur.  Hasil  eksperimen  seperti  pada  Tabel  1 yang  dilakukan  oleh  Putra  menyatakan  bahwa didapatkan debit air sebesar 8,9  𝐿 𝑚𝑖𝑛 = 1,48 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 dan  efisiensi 12,6% .  Sedangkan untuk
debit sebesar 5,8  𝐿 𝑚𝑖𝑛 =
9,6 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 didapatkan  efisiensi  sebesar 24,6%
[8].  Mengacu  pada  hasil  penelitian  tersebut,  maka penelitian  ini  menggunakan  nilai ℎ𝑒𝑎𝑑 sebesar 6 𝑥 10 −2 𝑚.
Tabel 1. Data Perhitungan Keterangan Simbol Satuan Nilai Daya Turbin P 𝑊𝑎𝑡𝑡 Debit Air Q 𝑚 3 𝑠 1,48 𝑥 10 −5 9,6 𝑥 10 −5 Head H 𝑚 6 𝑥 10 −2 Massa Jenis Air 𝜌 𝑘𝑔 𝑚 3 1000 Percepatan Gravitasi 𝑔 𝑚 𝑠 2 9,81 Efisiensi Turbin 𝜂 % 12,6 24,6 2.2. Perancangan Turbin Air
Perancangan turbin air menggunakan aplikasi SolidWorks. Pada  penelitian  ini  menggunakan  tipe Turbin Darrieus. Turbin ini menghasilkan gaya angkat melalui  penggunaan  foil  dari  sudu  turbin.  Turbin Darrieus  mengalami  perubahan  aliran  relatif  dan rotasi  foil.  Sudut  serang  yang  kecil  memiliki  gaya tangensial  yang  berubah,  hal  ini  dihasilkan  oleh  foil dengan gaya angkat yang kecil [9].

## Gambar 2 Sudu Turbin Darrieus Sumber: Krzysztof Rogowoski, 2019
Perancangan  sudu  turbin  pada  penelitian  ini menggunakan  tiga  buah  sudu  turbin  jenir  Darrieus. Turbin Darrieus dengan tiga sudu dan sudut serang 0 o dengan  kecepatan  aliran  1,07  m/s  memiliki  nilai koefisien  daya  (Cp)  paling  optimal  [8].  Untuk material  sudu,  menggunakan  material  plastic.  Daya turbin  dengan  sudu  alumunium  adalah  1,2  watt,  daya sebesar 1,16 Watt untuk sudu plastik dan daya turbin terendah  dengan  turbin  yang  menggunakan  sudu turbin besi yaitu 1,0997 Watt [9].
2.3. Perhitungan dan Analisis Data
Daya  turbin  yang  dihasilkan  oleh  turbin  air menggunakan persamaan 1 [10]:
𝑃 = 𝑄 𝑥 𝐻 𝑥 𝜌 𝑥 𝑔 𝑥 𝜂 (1)
𝑃 adalah  daya  turbin  ( 𝑊𝑎𝑡𝑡 ), 𝑄 adalah  debit  air ( 𝑚 3 𝑠 ), 𝐻 adalah perbedaan tinggi antara permukaan air masuk dan keluar dari turbin  ( 𝑚 ), 𝜌 adalah massa jenis  air  ( 𝑘𝑔 𝑚 3 ), 𝑔 adalah  percepatan  gravitasi ( 𝑚 𝑠 2 ), 𝜂 adalah efisiensi turbin (%).
Debit  air  merupakan  jumlah  air  yang  mengalir  di dalam  turbin  per  satuan  waktu.  Menghitung  debit  air menggunakan persamaan 2:

## 𝑄 = 𝐴 𝑥 𝑉
(2)
𝑄 adalah  debit  air  ( 𝑚 3 𝑠 ), 𝐴 adalah  luas  penampang saluran air ( 𝑚 2 ), 𝑉 adalah kecepatan air ( 𝑚 𝑠 ).
Jika luas penampang saluran air tidak diketahui, maka dapat menggunakan persamaan 3 berikut:
𝐴 = 𝑏 𝑥 ℎ
(3)
𝐴 adalah  luas  penampang  saluran  air  ( 𝑚 2 ), 𝑏 adalah lebar saluran air ( 𝑚 ), ℎ adalah ketinggian air ( 𝑚 ).
Persamaan  4  berikut  dapat  digunakan  untuk menghitung kecepatan air:
𝑉 =  2 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ 1/2
(4)
𝑉 adalah  kecepatan  air  ( 𝑚 𝑠 ), 𝑔 adalah  percepatan gravitasi ( 𝑚 𝑠 2 ), ℎ adalah ketinggian air ( 𝑚 ).
Untuk menghitung head itu sendiri dapat menggunakan persamaan 5.
𝐻 = ℎ 1 − ℎ 2 (5)
𝐻 adalah  perbedaan  tinggi  antara  permukaan  air masuk  dan  keluar  dari  turbin  ( 𝑚 ), ℎ 1 adalah ketinggian air di atas turbin ( 𝑚 ), ℎ 2 adalah ketinggian air di bawah turbin ( 𝑚 ).
Efisiensi turbin adalah rasio antara daya output turbin dengan  daya input turbin.  Persamaan  6  berikut digunakan untuk menghitung efisiensi turbin.
𝜂 = 𝑃 𝑜𝑢𝑡 𝑃 𝑖𝑛 (6)
𝜂 merupakan  efisiensi  turbin, 𝑃 𝑜𝑢𝑡 adalah  daya keluaran turbin ( 𝑘𝑊 ), 𝑃 𝑖𝑛 adalah daya masukan turbin ( 𝑘𝑊 ).

## 3.   Hasil dan Pembahasan
3.1. Hasil perancangan Turbin Air
Hasil perancangan diperoleh dari proses pengumpulan data  dan  turbin  terbagi  menjadi  beberapa  bagian sebagai berikut:
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 ,
Neris Peri Ardiansyah 3
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 2 (2023) 213 - 218

## Assembling Turbin Air
Gambar 3. Assembling Turbin Air
Gambar  4  (1)  merupakan  pandangan  turbin  bagian atas,  4  (2)  merupakan auxiliary  view turbin,  4  (3) merupakan  pandangan  turbin  bagian  depan  dan  4  (4) merupakan pandangan turbin bagian samping.
Gambar 4. Desain Rumah Turbin

## Gambar 5. Desain Sudu Turbin
Rumah turbin adalah bagian dari stator yang memiliki fungsi  sebagai  rumah  dari  kedudukan  komponen- komponen  turbin  lainnya.  Selain  itu,  rumah  turbin mengatur aliran air agar dapat masuk ke dalam rumah turbin,  sehingga  sudu  turbin  dapat  berputar.  Desain rumah turbin dapat dilihat pada Gambar 5.
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 ,
Neris Peri Ardiansyah 3
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 2 (2023) 213 - 218

## Gambar 7. Desain Penahan Sudu Turbin Bagian Bawah
Sudu  turbin  adalah  bagian  dari  rotor  yang  berfungsi untuk memberi gaya putar yang berasal dari aliran air. Desain turbin air dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 8. Desain Poros Turbin
Agar  menjadi  kesatuan  turbin  yang compact ,  maka diperlukan  penahan  sudu  turbin  bagian  atas  dan
bagian bawah. Untuk penahan sudu turbin bagian atas merupakan  bagian  stator  yang  berfungsi  untuk menahan sudu dan juga sebagai dudukan ball bearing bagian  atas.  Penahan  sudu  turbin  bagian  bawah  juga merupakan  bagian  dari  stator  yang  memiliki  fungsi untuk menahan sudu dan dudukan ball bearing bagian bawah. Desain penahan sudu turbin bagian atas dapat dilihat  pada  Gambar  7.    Desain  penahan  sudu  turbin bagian bawah dapat dilihat pada Gambar 8.
3.2. Analisis Daya Turbin
Pada penelitian ini, dilakukan perhitungan daya turbin dengan  menggunakan  dua  variasi  ukuran  debit  air. Variasi  pertama  yaitu  nilai  debit  air  sebesar 1,48 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 . Variasi nilai debit air kedua yaitu sebesar 9,6 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 .  Maka  dari  itu,  untuk penelitian  ini  akan  dilakukan  dua  perhitungan  daya turbin  dengan  masing-masing  variasi  debit  air. Perhitungan  kedua  daya  turbin  ini  menggunakan persamaan yang sama.
Pada  variasi  nilai  debit  air  ke-1,  perhitungan  daya turbin  yang  dihasilkan  dengan  data  nilai  debit  air 1,48 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 dan efisiensi sebesar 12,6% dapat dilihat pada Tabel 2 berikut:
Tabel 2. Nilai Perhitungan Daya Turbin Ke-1 Keterangan Nilai Debit Air 1,48 𝑥 10 −5 Head 6 𝑥 10 −2 Massa Jenis Air 1000 Percepatan Gravitasi 9,81 Efisiensi Turbin 12,6
Dengan  menggunakan  persamaan  (1),  maka  daya turbin yang dihasilkan adalah 11 Watt.
Pada  perhitungan  ke-2,  perhitungan  daya  turbin  yang dihasilkan dengan data nilai debit air 9,6 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 dan efisiensi sebesar 24,6% seperti dituliskan pada Tabel 3 berikut:
Tabel 3 Nilai Perhitungan Daya Turbin Ke-2 Keterangan Nilai Debit Air 9,6 𝑥 10 −5 Head 6 𝑥 10 −2 Massa Jenis Air 1000 Percepatan Gravitasi 9,81 Efisiensi Turbin 24,6
Dengan  menggunakan  persamaan  (1),  maka  daya turbin  yang  dihasilkan  adalah  14  Watt.  Berdasarkan penelitian Putra, debit air yang dihasilkan berasal dari eksperimen  yang  menggunakan  daya  turbin  sebesar 10  Watt  [2].  Semakin  tinggi  efisiensi  dan  debit  air, maka daya turbin yang dihasilkan semakin besar pula.

## 4.   Kesimpulan
Kesimpulan  dari  penelitian  ini  adalah,  untuk perancangan  yang  dihasilkan  memiliki  diameter  10 cm  dan  tinggi  4  cm.  Sudu  turbin  mengunakan  tipe Turbin  Darrieus.  Tinggi  sudu  turbin  adalah  4  cm.
Nia Nuraeni Suryaman 1 , Raden Herdian Bayu Ash Siddiq 2 ,
Neris Peri Ardiansyah 3
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 2 (2023) 213 - 218
Hasil  perhitungan  dan  analisis  daya  yang  dihasilkan oleh turbin air adalah: untuk perhitungan ke-1, dengan nilai debit air 1,48 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 dan efisiensi sebesar 12,6% memiliki  daya  listrik  sebesar  11  Watt.  Untuk perhitungan  ke-2,  dengan  data  nilai  debit  air 9,6 𝑥 10 −5 𝑚 3 𝑠 dan  efisiensi  sebesar 24,6% memiliki daya listrik sebesar 14 Watt.

## Ucapan Terimakasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  atas  dana  hibah penelitian  yang  diberikan  oleh  Lembaga  Penelitian, Pengabdian Kepada Masyarakat dan Modal Intelektual (LP2M) Universitas Widyatama.

## Daftar Rujukan
[1]     Setiawan, V. N. (2023, Juni 21). CNBC Indonesia . Retrieved September 11, 2023, from CNBC Indonesia.com: https://www.cnbcindonesia.com/news/20230621141815-4- 447981/lebih-tinggi-pln-ramal-konsumsi-listrik-di-2023- melejit-6
[2]      Putra,  A.  (n.d.). berotak .  Retrieved  Maret  6,  2023,  from https://www.berotak.com/rumus-daya-turbin/
[3]    Yulianto, R. (2020). Analisis Pengaruh Variasi Jumlah Sudu dan  Sudut  Serang  Terhadap  Kinerja  Turbin  Air  Darrieus". Sainteknol ,
[4]      B,  &  K.  (2005). Modifikasi  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air dengan  Menggunakan  Turbin  Pelton. Semarang:  Teknik Mesin Universitas Dipenogoro.
[5]   Cesar, A., & Kurniawan, I. (2020). Kaji Eksperimental Turbin Air Darrieus Tipe-H Menggunakan Blade Hydrofoil Standar NACA 0018. FTEKNIK , 1.
[6] Dewi,  I.  R.  (2023,  Januari  12). CNBC  Indonesia .  Retrieved September 11, 2023, from CNBC Indonesia.com: https://www.cnbcindonesia.com/tech/20230112172038-37- 405066/warga-ri-sudah-candu-parah-nomor-satu-di-dunia
[7] Zaira,  J.,  &  Naibaho,  O.  (2023).  Rancang  Bangun Pembangkit  Listrik  Pikohidro  Menggunakan  Turbin  Screw Pada Aliran Danau PCR. Jurnal Teknik Mesin, 16(1) , 1-8.
[8]        Duma,  G.,  &  Sule,  L.  (2022).  Analisis  Kinerja  Turbin  Air Arus  Bawah  Bentuk  Sudu  Bengkok  45o  dengan  Varias Material. Dinamika Teknik Mesin , 111-121.
[9]    Yuinarso,  R.  (2012).  Analisa  Perancangan  Turbin  Darrieus pada Hydrofoil Naca 0015 dari Karakteristik Cl dan Cd pada
[10]  H.S,  &  Rohermanto,  A.  (2006). Rancang  Bangun  Model Turbin Pelton Mini sebagai Media Simulasi/Praktikum Mata Kuliah dan Konversi Energi dan Mekanik Fluida. Pontianak: Teknik Mesin Politeknik Negeri Pontianak.