## Pengaruh kemiringan poros sudu terhadap unjuk kerja turbin ulir archimedes pikohidro
Naufal Akbar Shalahuddin 1 , Dwi Aries Himawanto 2 , Purwadi Joko Widodo 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret
2 Staf Pengajar, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No.36 A, Pucangsawit, Jebres, Surakarta 57126
Email korespondensi: dwi_ah@staff.uns.ac.id

## Abstrak
Pemanfaatan energi air salah satunya yaitu dengan membuat pembangkit listrik tenaga air pikohidro. Sebagai salah satu usaha alternatif, pikohidro merupakan pembangkit listrik tenaga air dengan output listrik maksimum sebesar  lima  kilowatt  (5  kW).  Turbin  air  ulir  Archimedes  merupakan  turbin  yang  mampu  menghasilkan  listrik dengan  head  rendah  di  bawah  10  m.  Pada  awalnya  Archimedes  Screw  merupakan  sebuah  pompa yang  sudah diterapkan sebagai teknologi sejak zaman kuno, di mana kontruksinya terdiri dari beberapa sudu berbentuk heliks yang terpasang pada poros dan berfungsi  sebagai  bucket  bergerak membawa air ke  atas.  Kajian ini  bertujuan untuk menentukan unjuk kerja paling maksimum dengan head sebesar 1 m. Variasi sudut kemiringan poros turbin yang diuji adalah 20°, 30°, 40°, dan 50°. Dengan variasi debit aliran air 2,3 L/s; 5,0 L/s; 6,0 L/s; 10,2 L/s; 10,9 L/s. Hasil turbin yang maksimum terjadi pada sudut kemiringan poros 50° mendapatkan daya mekanik 28,9 Watt dan daya listrik maksimum 8,1 Watt.
Kata kunci : turbin, pikohidro, archimedes screw turbine, sudut poros.

## Abstract
The one of water energy utilization is build electricity plant by picohydro water energy source. As a alternative way, picohydro was electricity plant by water energy with 5 kW as maximum electricity output. Archimedes screw water turbine was a turbine which could obtain electric power with low head under 10 m. Archimedes screw is a pump that applied as an ancient technology, where the construction consisted of some helical-shaped blades which applied  on  shaft  and  as  a  moving  bucket  to  bring  water  upward.  This  study  aims  to  determine  maximum performance with 1 m of head. Variation of oblique turbine shaft angles were 20 o , 30 o , 40 o and 50 o . Variation of water flow rate were 2.3 L/s, 5.0 L/s, 6.0 L/s, 10.2 L/s and 10.9 L/s. The maximum result obtained on 50 o of shaft angle, mechanical power was 28.9 Watt and maximum electricity power was 8.1 Watt.
Keywords: turbine, picohydro, archimedes screw turbine, shaft angle.

## 1. Pendahuluan
Energi  merupakan  faktor  penting  dalam  upaya keseluruhan untuk mencapai pembangunan berkelanjutan. Negara-negara yang berusaha mencapai tujuan  ini  berusaha untuk  menilai kembali sistem energi mereka dengan tujuan untuk merencanakan  program  dan  strategi  energi  sesuai dengan tujuan dan sasaran pembangunan berkelanjutan [1]. Energi listrik merupakan salah satu energi primer yang tidak dapat dilepaskan penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari, Peningkatan  konsumsi  energi  listrik  setiap  tahunnya diperkirakan terus bertambah. Salah satu pemanfaatan energi yang dapat menghasilkan tenaga listrik adalah energi  tenaga  air,  PLTA  adalah  salah  satu  sumber energi terbarukan yang berasal dari gerakan air yang dapat menghasilkan listrik. Ketika air mengalir karena gaya  gravitasi,  energi  potensial  berubah  menjadi energi kinetik. Energi kinetik dari air  yang  mengalir ini  mengubah  baling-baling  dalam  turbin  air,  dan kemudian  energi  diubah  menjadi  energi  mekanik.
Turbin  memutar rotor generator  yang  mengubah energi mekanik ini menjadi energi listrik [2].
Potensi  aliran  sungai/saluran  irigasi  dapat  dibuat menjadi  pembangkit  listrik  tenaga  pikohidro  dengan mengubah aliran air menjadi energi mekanik dengan bantuan  turbin.  Jenis-jenis  turbin  air  sudah  banyak dikenal  dan  diaplikasikan  pada  pembangkit  listrik adalah  turbin crossflow ,  turbin  Kaplan,  turbin propeller ,  turbin  turgo,  turbin  francais,  dan  turbin pelton.  Sementara  itu  terdapat  pula  turbin  ulir  yang merupakan  jenis  turbin  air  yang  baru  diteliti  satu dekade ini dengan mengadopsi dari teori Archimedean Screw . Turbin ulir memiliki keunggulan dapat  beroperasi  pada head rendah  dibawah  10  m, tidak  membutuhkan  pipa  pesat,  mudah  dalam pemasangan dan perawatan [3]. Menurut  Murray,  L. 2013,  kinerja  turbin Archimedes  Screw dapat ditentukan tergantung pada parameter, yakni diameter dalam  dan  luar screw ,  kemiringan, pitch  screw , jumlah blade , dan kondisi inlet dan outlet , serta head dan debit air [4]. Sementara itu geometri dari sebuah Archimedean Screw dapat dicari dengan menentukan
parameter  luar  yang  ditentukan  berdasarkan  dari lokasi  penempatan blade serta  jumlah  air  yang meninggalkan screw ,  sedangkan  untuk  parameter dalam bebas ditentukan untuk dapat memaksimalkan performa dari screw [5].
Usaha  untuk  meningkatkan  efisiensi  dari  pikohidro dengan turbin ulir Archimedes terus dilakukan dengan berbagai  metode  dan  variasi  melalui  kajian  dan eksperimen.  Dengan  adanya  berbagai  hasil  kajian yang  sudah  ada,  dilakukan  kajian  tentang  pengaruh kemiringan poros sudu terhadap unjuk kerja turbin air tipe  ulir  archimedes  dengan  instalasi  pikohidro vertikal  demi  meningkatnya  potensi  pembangkit listrik tenaga air tersebut.

## 2. Metode
Pada  penilitian  ini  mengacu  pada  model  yang dihasilkan  oleh  Rorres  (2000).  Pada  pengujian menggunakan  satu  spesimen  turbin  ulir  Archimedes dengan  variasi  kemiringan  poros  dengan  sudut  20°, 30°,  40°  dan  50°.  Spesimen  turbin  ulir  Archimedes menggunakan  bahan ms .  dengan  jumlah  sudu  ( N ) berjumlah  3  dan  sudut  ulir  ( β )  sebesar  30°  maka didapat rasio kisar ulir dengan radius luar sebesar 2,4 Ro  dan  rasio  radius  ( R i / R 0 )  adalah  0,54  [5]  sama dengan rasio diameter ( D i / D 0 ). Di mana radius dalam ( R i ) sebesar 21,3 mm atau diameter dalam ( D i ) sebesar 42,6  mm  dan  radius  luar  ( R 0 )  sebesar  39,5  mm  atau diameter  luar  ( D 0 )  sebesar  79  mm.  Jarak  kisar  ( S ) sebesar  94  mm,  panjang  turbin  sebesar  658  mm diperoleh dari jumlah lilitan ( m ) sebanyak 21 lilitan di mana masing-masing sudu dirancang sebanyak 7 ulir dikalikan  jarak  kisar  94  mm  sama  dengan  658  mm, sehingga  total  3  sudu  dikalikan  7  ulir  diperoleh  21 lilitan. Instalasi pembangkit listrik tenaga pikrohidro (PLTPH) dibuat untuk pengujian parameter eksternal head , debit dan pengujian-pengujian lainnya sehingga dibuat  skala  laboratorium.  Pembuatan  instalasi pembangkit listrik tenaga pikrohidro skala laboratorium ditunjukkan Gambar 1.
(a)
(b) Gambar 1. Instalasi pembangkit listrik tenaga pikohidro skala laboratorium, (a) pengujian prony brake, (b) pengujian generator.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Data  yang  didapatkan  dihasilkan  dari  ke  4  variasi, yaitu  variasi  kemiringan  poros  turbin  dengan  sudut 20°,  30°,  40°,  50°.  Data  kuantitatif  yang  diperoleh pada kajian ini adalah tegangan generator ( Volt ), kuat arus  listrik  generator  ( Ampere ),  torsi  ( Nm ),  dan putaran poros rotor generator ( rpm ).

## Daya Air
Daya air sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja dari turbin  Archimedes  yang  diteliti.  Karena  daya  air adalah kemampuan suatu fluida untuk menggerakkan turbin supaya berputar dengan debit air tertentu. Daya air merupakan fungsi dari debit aliran air ( Q ), densitas air ( ρ ), percepatan gravitasi ( g ), dan ketinggian jatuh air atau head ( h ) seperti Persamaan (1).
𝑷 𝒊𝒏 = Q  ρ  g  h
(1)
Pada  Gambar  2  merupakan  grafik  hubungan  nilai debit  air  dengan  daya  air.  Dengan  debit  sebesar  2,3 L/s; 5,0 L/s; 6,0 L/s; 10,2 L/s; dan 10,9 L/s. Daya air maksimal  yaitu  74,79  Watt  dengan  debit  air  sebesar 10,9 L /s. Dengan melihat grafik diatas menunjukkan bahwa  besar  daya  air  yang  dihasilkan  bergantung pada  hasil  debit  air,  semakin  besar  aliran  debit  air maka akan semakin besar pula daya airnya.

## Daya Mekanik
Daya  mekanik  turbin  merupakan  hasil  dari kemampuan  turbin  untuk  menghasilkan  energi. Energi pada aliran air akan memutar turbin, sehingga mampu  menghasilkan  torsi  dan  memiliki  kecepatan putar. Maka dari itu pada pengujian daya mekanik ini dilakukan dengan  mencari  nilai dari kecepatan putar dari  turbin  serta  torsi  dari  turbin.  Pengukuran kecepatan  putar  dapat  dilakukan  menggunakan  alat ukur bernama tachometer, sedangkan untuk mengukur torsi atau momen putar dapat menggunakan alat ukur bernama Prony Brake.
Gambar 3. Grafik hubungan daya mekanik turbin dengan sudut kemiringan poros turbin pada variasi debit air.
Pada  Gambar  3  menunjukkan  grafik  hubungan  daya mekanik turbin dengan sudut kemiringan poros pada variasi  debit  air  dapat  didapatkan  bahwa  nilai  daya mekanik  maksimum  terlihat  pada  kemiringan  poros turbin  50°  dan  debit  aliran  air  10,9  L/s  sebesar  28,9 watt.  Sementara  nilai  daya  mekanik  minimum ditunjukkan  pada  kemiringan  poros  turbin  20°  dan debit aliran air 2,3 L/s sebesar 2,3 watt. Dari gambar dapat dilihat bahwa semakin  bertambahnya debit air maka akan bertambah pula daya mekanik turbin. Nilai daya  mekanik  turbin  mengalami  kenaikan  dari kemiringan  sudut  poros  20°  sampai  ke  nilai  daya mekanik turbin maksimum yaitu 50°. Pada persamaan daya  mekanik,  nilai  daya  mekanik  dipengaruhi  oleh nilai  kecepatan  putar  dan  torsi.  Semakin  besar  nilai kecepatan putar maka akan semakin besar nilai daya mekanik,  begitu  pula  jika  semakin  besar  nilai  torsi makan  akan  semakin  besar  nilai  daya  mekanik  [6]. Pada  Gambar  3  menunjukkan  bahwa  nilai  daya mekanik  terbesar  terjadi  pada  variasi  sudut kemiringan  poros  50°,  maka  begitu  pula  pada  nilai torsi  dan  nilai  kecepatan  putar  terbesar  terjadi  pada variasi sudut kemiringan poros 50°. Pada kemiringan yang lebih rendah, debit aliran air mendorong dengan gaya yang lebih rendah. Sedangkan kemiringan yang lebih  tinggi,  aliran  air  melonjak  ketika  melewati permukaan poros turbin. [6].

## Koefisien Daya
Koefisien  daya  atau C p adalah  rasio  perbandingan antara daya aktual yang dihasilkan oleh turbin dengan daya yang bekerja pada fluida. Dari hasil dapat dilihat pada  Gambar  4,  bahwa  nilai  koefisien  daya maksimum  terjadi  pada  variasi  sudut  kemiringan
poros 50° dengan debit air 10,9 L/s yaitu sebesar 0,39. Sedangkan  untuk  nilai  koefisien  daya  minimum terjadi  pada  variasi  sudur  kemiringan  poros  20° dengan debit air 2,3 L/s yaitu sebesar 0,14.
Gambar 4. Grafik hubungan koefisien daya dengan sudut kemiringan poros turbin pada variasi debit air.
Menurut  Bambang  (2012),  menunjukkan  bahwa ketika  debit  air  yang  rendah,  akan  mengakibatkan efisiensi  turbin  berkurang  walaupun  terjadinya kenaikan  sudut  poros  turbin.  Hal  ini  disebabkan karena kondisi aliran  yang  melewati turbin, di  mana ujung flume yang miring, air yang melonjak dan tidak mendorong  bilah  turbin  dengan  tepat.  Hal  ini mengurangi energi air yang dapat dikonversi menjadi energi pengereman berupa torsi [6].

## Daya Generator
Daya  generator  adalah  pengujian  untuk  menentukan daya  keluaran  listrik  pada  generator.  Pengujian  ini bertujuan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang  dihasilkan  dari  generator.  Dari  hasil  yang diperoleh  pada  Gambar  5,  dapat  dilihat  bahwa  nilai maksimum daya generator terjadi pada  variasi sudut kemiringan  poros  turbin  50°  dan  debit  air  10,9  L/s dengan  nilai  sebesar  8,1  Watt.  Dan  untuk  nilai minimum  daya  generator  terjadi  pada  variasi  sudut kemiringan  poros  turbin  20°  dan  debit  air  2,3  L/s dengan  nilai  sebesar  1,2  Watt.  Dari  gambar  dapat dilihat bahwa semakin besar nilai debit air maka hasil perhitungan daya generator pun akan semakin besar. Semakin besar nilai tegangan dan kuat arus maka akan semakin besar pula nilai daya generator, karena  nilai tegangan dan kuat arus berbanding lurus dengan nilai daya  generator.  Daya  output  mengalami  perubahan seiring  dengan  berubahnya  sudut  kemiringan  poros turbin dan debit aliran air yang masuk ke turbin. Dapat dilihat  bahwa  daya  output  akan  semakin  besar  jika debit air juga mengalami peningkatan. Hal ini sesuai karena  debit  yang  semakin  besar  maka  daya  input akan  semakin  besar,  sehingga  daya  output  yang dihasilkan pun akan mengalami peningkatan pula [7].
Gambar 5. Grafik hubungan daya generator dengan sudut kemiringan poros turbin pada variasi debit air.

## 4. Kesimpulan
Pada  kajian  ini,  telah  dilakukan  pengamatan  pada sudut poros sudu turbin yang dilakukan untuk mencari pengaruh dari sudut poros sudu turbin terhadap daya hidrolik fluida, daya mekanik turbin, koefisien daya, dan  daya  listrik  yang  dihasilkan.  Dari  hasil  tersebut dapat  disimpulkan  bahwa  debit  aliran  berpengaruh terhadap daya hidrolik air yang di hasilkan, semakin tinggi debit aliran akan semakin tinggi pula nilai daya air.  Semakin  besar  kemiringan  poros  turbin  akan semakin  besar  gaya  berat  air  yang  dihasilkan  dan menyebabkan semakin cepat putaran poros turbin dan torsi  yang  dihasilkan.  Hasil  pengambilan  data didapatkan  bahwa  pada  sudut  kemiringan  poros  50° merupakan  sudut  paling  optimal.  Pada  hasil  daya generator  didapatkan  hasil  yaitu  sebesar  8,1  Watt dengan  tegangan  sebesar  15,94  V  dan  kuat  arus sebesar 0,51 A. Sedangkan hasil daya mekanik turbin sebesar  28,9  Watt  dengan  kecepatam  putar  turbin sebesar 862,3 rpm dan torsi sebesar 0,320 Nm.

## Daftar Pustaka
[1] Jaelani  Aan. 2017 . Renewable energy policy  in Indonesia: Scientific signs of the Qur’an and its implementation  in  Islam  economics.  Munich Personal RePEc Archive Paper No. 83314.
[2] Lajqi Shpetim, Lajqi Naser, Hamidi Beqir. 2016. Design  and  Construction  of  Mini  Hydropower Plant  with  Propeller  Turbine.  International Journal of Contemporary Energy. Vol.2. No.1.
[3] Kilama  David  O.  2013.  Review  of  small hydropower technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews
[4] Murray  Lyons,  William  David  Lubitz.  2013. Archimedes  Screws  for  Micohydro  Power
Generator.  Proceedings  of  the  ASME  2013  7th
International Conference
on Energy Sustainability. ES2013-18067.
[5] Rorres C. 2000. The turn of the screw: Optimal design  of  an  Archimedes  screw.  J  of  Hydraulic Engineering. 126(1):72-80.
[6] Bambang  Yulistiyanto,  Yul  Hizhar,  Lisdiyanti. 2012. Effect Of Flow Discharge And Shaft Slope Of  Archimides  (Screw)  Turbin  On  The  Micro-
Hydro Power Plant. Dinamika Teknik Sipil/Vol. 12/No. 1/Januari 2012.