## Kajian Eksperimental Unjuk Kerja Model Sistem Pembangkit Listrik Menggunakan Turbin Helik Bentuk Sudu NACA 0033
J B Sinaga 1 , A Suudi 1 , M D Susila 1 , R Admiral 1 , Sugiman 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Lampung Jln. Prof.Sumantri Brojonegoro No. 1 Gedung H FT Lt. 2 Bandar Lampung Telp. (0721) 3555519, Fax. (0721) 704947
 Email: jorfri6@yahoo.com

## Abstract
This paper presents an experimental study  of a power generation system model that uses a helical turbine with NACA 0033 blades. The helical turbine has a diameter of 1 meter, a length of 1.2 meters, and three blades. Each blade has a chord length of 41.8 cm and an inclination angle of 62 degrees. Tests were conducted to harness the water flow energy in the Way Tebu irrigation canal in Banjar Agung Udik Village, Tanggamus Regency. The test results show that the power generation system model, operating at water flow velocities of 0.398 m/s, 0.491 m/s, and  0.548  m/s,  generates  electrical  power  outputs  of  13.705  W,  20.987  W,  and  34.63  W,  with  corresponding efficiencies of 36.22%, 32.74%, and 34.67%.

## Keywords: power plants helical turbine kinetic energy

## PENDAHULUAN
Pemanfaatan potensi energi air ini dirasa amat perlu mengingat  tingginya  kebutuhan  listrik,  dimana  saat  ini terjadi  defisit  energi  listrik.  Hal  ini  ini  terjadi  karena tingkat pertumbuhan permintaan tenaga listrik yang cukup tinggi  dimana  di  Provinsi  Lampung  sebesar  15  %  per tahun  dibanding  kemampuan  pemerintah  menyediakan pasokan listrik  (Sampurna, 2014). Di Provinsi  Lampung terdapat 2114 desa, 113 di antaranya belum masuk aliran listrik [1].
Sistem  pembangkit  listrik  tenaga  air  (PLTA) umumnya menggunakan turbin air dimana sumber energi aliran air yang menggerakkan turbin harus memiliki tinggi jatuh yang tinggi. Namun banyak potensi energi aliran air di  desa-desa  yang  belum  masuk  aliran  listrik,  hanya memiliki tinggi jatuh rendah ( ultra low head ) atau hanya memiliki energi kinetik (tidak memiliki tinggi jatuh) yang belum dimanfaatkan untuk sistem pembangkit listrik ini.
Pada  tahun  1931  turbin  Darrieus  dipatenkan  untuk memanfaatkan  energi  aliran  head  rendah  atau    sangat rendah (aliran bebas). Turbin Darrieus adalah turbin yang memiliki bentuk seperti drum dengan sejumlah sudu sudu lurus  atau  berbentuk  lengkung airfoil dan  sebuah  poros yang  tegak  lurus  terhadap  aliran  fluida.  Turbin  ini memungkinkan torsi yang tinggi untuk aliran arus lambat, dan  memberikan  aliran  fluida  yang  besar  melalui  turbin tersebut  tanpa  pembesaran  diameter.  Namun  turbin Darrieus  belum  dapat  diterima  untuk  aplikasi  yang  luas, terutama  karena  fluktuasi  selama  berotasi  dan  secara relatif efisiensinya rendah. Kegagalan akibat fatigue dari sudu  umumnya  terjadi  pada  turbin  ini  akibat  dari  sifat getaran  yang  terjadi.  Turbin  ini  juga  memiliki  masalah pengoperasian  awal  pada  kecepatan  rotasi  yang  rendah akibat sudu yang lurus yang mengubah sudut serang.
Turbin  helik  memiliki  seluruh  keunggulan  yang dimiliki turbin Darrieus dan mampu mengatasi kelemahan yang  dimilikinya.  Susunan  helik  sudu  rotor  turbin meningkatkan unjuk kerja yang dihasilkan turbin Darrieus sehingga dihasilkan karakteristik sebagai berikut: putaran yang  seragam  secara  relatif  pada  aliran  fluida  yang lambat,  putaran  turbin  tidak  berpengaruh  akibat  arus aliran  fluida  yang  balik,  efisiensi  tinggi,  torsi  yang dihasilkan tidak mengalami fluktuasi, air tidak mengalami kavitasi  untuk  kecepatan  putar  yang  tinggi,  mampu berputar sendiri pada kecepatan aliran air yang rendah [2].
Perhitungan  daya yang dihasilkan pada sudu turbin helik ini merupakan pendekatan dari turbin udara sumbu vertikal  seperti  dapat  dilihat  pada  Gambar  1.  Resultan vektor  kecepatan  (W)  merupakan  jumlah  dari  vektor kecepatan fluida (V) dan vektor kecepatan keliling sudu (U) [3].
( ) R V W  − + =  (1)
Dimana R adalah jari-jari turbin (m), dan ω adalah kecepatan sudut putaran (rad/s).
Dari  gambar  diagram  kecepatan  pada  Gambar  1 tersebut  dihasilkan  kecepatan  yang  bervariasi  yaitu kecepatan  maksimum  pada  θ  =  0 o kecepatan  minimum pada θ = 180 o , dimana θ adalah posisi orbital sudu. Angel of attack (sudut serang sudu) adalah sudut antara resultan vektor  kecepatan  ( W ),  dan  vektor  kecepatan  sudu. Resultan  kecepatan  vektor  dan angel  of  attack dapat dihitung sebagai berikut:
2 cos 2 1    + + = v W (2)
      + = −     cos sin tan 1 (3)
Dimana  λ  adalah tip  speed  ratio ,  dihitung  dengan menggunakan persamaan:
U R   = (4)
Gambar 1. Diagram kecepatan pada turbin udara sumbu vertikal
Gaya  aerodinamis  yang  dihasilkan  adalah  gaya angkat  (F l )  dan  gaya  geseran  (F d )  dimana  gaya-gaya  ini dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
A V C F l l 2 2 1  = (5) A V C F d d 2 2 1  = (6)
Dimana C d adalah koefisien geseran, C l adalah koefisian angkat,  ρ  adalah  massa  jenis  fluida  (kg/m 3 ),  V  adalah kecepatan  fluida  (m/s),  A  adalah  luas  penampang  sudu hidro foil (m 2 ).
Dengan  memproyeksikan  gaya  angkat  dan  geseran sebagai  gaya yang tegak lurus terhadap lengan (jari-jari) turbin,  maka  nilai  torsi  (T)  dapat  diketahui  dengan menggunakan persmaan sebagai berikut:
R Fd Fl R F T  − = = ) cos . sin . ( .   (7)
Dimana  T  adalah  torsi  (Nm),  F  adalah  gaya  tegak  lurus terhadap lengan (N), dan R adalah jari-jari   (m). Selanjutnya dari Persamaan 7 dapat di ketahui daya poros P b (W) dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
 T P b = (9)
Pada  makalah  ini  diberikan  kajian  eksperimental unjuk kerja model sistem pembangkit listrik
menggunakan  turbin  helik  bentuk  sudu  NACA  0033. Pengujian model sistem pembangkit listrik ini dilakukan di saluran irigasi Way Tebu di Desa Bandar Agung Udik, Kecamatan  Pugung,  Kabupaten  Tanggamus,  Provinsi Lampung.  Penelitian  ini  merupakan  lanjutan  dan penerapan dari penelitian yang dilakukan Sinaga, dkk [4], dimana sebelumnya telah dilakukan kajian eksperimental unjuk  kerja turbin  helik bentuk  sudu NACA 0033 untuk memanfaatkan potensi  energi  kinetik aliran air yang ada di saluran irigasi Way Tebu di Desa Bandar Agung Udik, Kecamatan  Pugung,  Kabupaten  Tanggamus,  Provinsi Lampung.

## METODOLOGI

## Pembuatan Model Sistem Pembangkit Listrik
Skema  model  sistem  pembangkit  listrik  yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 2. Berdasarkan hasil perancangan  yang  dilakukan  Sinaga,  dkk  [5],  sesuai dengan kondisi saluran irigasi Way Tebu maka parameter- parameter turbin helik yang digunakan: diameter turbin 1 m  dan  panjang  (tinggi)  turbin  1,2  m,  sudut  kemiringan sudu  δ  adalah  62 o .  Jumlah  sudu  yang  digunakan  pada perancangan  turbin  ini  adalah  3  buah  [6].  Penggunaan nilai relative  solidity 0,4  [7]  memberikan  hasil  yang maksimum  dan  dengan  menggunakan  data  ini  maka panjang chord sudu  turbin    yang  digunakan  41,8  cm. Pembuatan  alat  pengujian  model  sistem  pembangkit listrik  dan  turbin  helik  ini  dibuat  di  Laboratorium Mekanika  Fluida,  Jurusan  Teknik  Mesin,  Fakultas Teknik, Universitas Lampung.
Gambar  2. Skema model sistem pembangkit listrik

## Pengujian dan Analisis Data
Setelah dilakukan pembuatan hasil rancangan model sistem pembangkit listrik mengunakan turbin helik, maka pengujian dilakukan di saluran irigasi Way Tebu dengan 3  variasi  kecepatan  aliran  air.  Alat-alat  ukur  yang digunakan  pada  pengujian  ini  adalah:  t achometer digunakan  untuk  menunjukkan  besarnya  putaran  yang dihasilkan  poros  turbin  n  (rpm),  c urrent  meter jenis propeler  dan  alat  ini  digunakan  untuk  mengukur kecepatan aliran V (m/s) yang ada di saluran irigasi  saat pengujian,  dan  avometer  digunakan  untuk  untuk
mengukur beda potensial listrik V el (V) dan kuat arus I (A) yang dihasilkan oleh generator listrik.
Nilai daya air P h yang menggerakakan turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
3 h V A ρ 0,5 P = (10)
dimana  adalah massa jenis air (1.000 kg/m 3 ), V adalah kecepatan  aliran  air  (m/s),  A  =  L  D  adalah  penampang aliran melintang turbin heliks (m 2 ), L adalah tinggi (lebar) turbin (m), dan D adalah diameter turbin (m).
Daya listrik P lis (W) yang dihasilkan generator dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
I V P lis = (11)
dimana V adalah tegangan listrik, dan I adalah kuat arus yang dihasilkan generator.
Efisiensi  dari model sistem pembangkit listrik sis η dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
h lis sis P P η = (12)
Gambar 3. Model sistem pembangkit listrik

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Model Sistem Pembangkit Listrik
Model  sistem  pembangkit  listrik  menggunakan turbin  helik  yang  diuji  pada  aliran  air  di  saluran  irigasi Way Tebu dapat dilihat pada Gambar 3. Dudukan turbin helik  dibuat  dari  pelat  siku  ukuran  5  cm  dengan tebal  5 mm, dimana ukuran dudukan turbin 2 m x 2 m x 2,5  m. Sudu turbin yang digunakan adalah NACA 0033 dengan jumlah  sudu  3  buah  dan  panjang chord 41,8  cm.  Poros turbin  digunakan  pipa  besi  ukuran  2  in.  dengan  tebal  3 mm.  Dan  untuk  penempelan  sudu  turbin  pada  poros digunakan pelat berbentuk lingkaran berdiameter 0,5 m.

## Hasil Pengujian dan Pembahasan
Hasil  pengujian  daya  listrik  dan  efisiensi  model sistem pembangkit listrik dapat dilihat pada Gambar 5 dan
6. Kecepatan aliran air yang digunakan pada pengujian ini adalah  0,398  m/s,  0,491  m/s,  dan  0,548  m/s.  Gambar  5 menunjukkan  daya  listrik  yang  dihasilkan  berbanding lurus  denagan  kecepatan  aliaran,  dimana  semakin  besar kecepatan  aliran,  maka  semakin  besar  daya  listrik  yang dihasilkan sesuai dengan Persamaan 9, dimana daya listrik yang  apling  besar  dihasilkan  kecepatan  aliran  air  0,548 m/s. Hububungan daya listrik yang dihasilkan berbanding terbalik  dengan  putan  turbin,  dimana  daya  listrik  yang dihasilkan semakin kecil dengan bertambahnya kecepatan putran turbin, hal ini sesuai dengan pernyataan Persamaan 11, dimana semakin besar kecepatan putaran turbin, torsi yang dihasilkan semakin kecil sehingga daya listrik yang dihasilkan semakin kecil.
Gambar 4. Pengujian model sistem pembangkit listrik di saluran irigasi Way Tebu
Tren  grafik  hubungan  antara tip  speed  rasio (λ) terhadap  efisiensi  menyerupai  trend  hubungan  antara hubungan antara tip speed rasio (λ) terhadap daya listrik, dimana efisiensi sistem pembangkit listrik semakin kecil dengan  bertambahnya  nilai  kecepatan  putaran  turbin. Berdasarkan  pengujian  turbin  helik  bentuk  sudu  NACA 0033 yang dilakukan diperoleh efisiensi maksimum 36,22 %  dan  daya  listrik  yang  dihasilkan  13,705  W  pada kecepatan aliran 0,398 m/s, efisiensi maksimum 32,74 % dan daya listrik yang dihasilkan 20,987 W pada kecepatan aliran  0,491  m/s,  dan  efisiensi  maksimum  35,07  %  dan listrik    yang  dihasilkan  34,63  W  pada  kecepatan  aliran 0,548  m/s.  Efisiensi  maksimum sistem  pembangkit listrik 36,22  %  yang  dihasilkan  pada  kecepatan  aliran
0,398  m/s  memiliki  nilai  yang  lebih  besar  dibandingkan dengan kecepatan aliran 0,491 dan 0,548 m/s.
Gambar  5.  Grafik  hubungan  antara tip  speed  rasio (λ) terhadap daya listrik yang dihasilkan
Gambar  6.  Grafik  hubungan  antara tip  speed  rasio (λ) terhadpa efisiensi sistem pembangkit listrik
Hal ini disebabkan koefisen lift yang dihasilkan pada saat  kecepatan  aliran  0,398  m/s  dibandingkan  dengan kecepatan  aliran  0,491  m/s,  dan  0,548  m/s.  Hasil pengujian  ini  menunjukkan  pengunaan  turbin  helik dengan  bentuk  sudu  NACA  0033  pada  model  sistem pembangkit  listrik,  dimana  hampir  34,63  %  dari  energi kinetik  aliran  air  dapat  diubah  menjadi  energi  listrik. Dengan  pengembangan  model  sistem  pembangkit  listrik ini potensi energi aliran air dengan kecepatan rendah (0,4 m/s  sampai  0,55  m/s)  dapat  digunakan  untuk membangkitkan energi listrik bagi masyarakat.

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  diberikan  pengkajian  secara eksperimntal unjuk kerja model sistem pembangkit listrik menggunakan  turbin  helik (helical  turbine) bentuk  sudu NACA 0033 yang digunakan untuk memanfaatkan energi aliran yang memiliki tinggi jatuh sangat rendah atau hanya energi  kinetik  saja  seperti  yang  ada  pada  saluran  irigasi
Way Tebu yang memiliki kecepatan aliran rendah. 0,548 m/s.
Turbin helik yang dirancang memiliki diameter 1 m, panjang  1.2    m,  dan  jumlah  sudu  3  buahSudu  turbin memiliki  panjang chord 41,8  cm  dan inclination  angle 62 o .  Hasil  pengujian  yang  dilakukan  diperoleh  efisiensi maksimum  36,22  %  dan  daya  listrik  yang  dihasilkan 13,705  W  pada  kecepatan  aliran  0,398  m/s,  efisiensi maksimum  32,74  %  dan  daya  listrik  yang  dihasilkan 20,987 W pada kecepatan aliran 0,491 m/s, dan efisiensi maksimum 35,07 % dan listrik  yang dihasilkan 34,63 W pada kecepatan aliran 0,548 m/s.
Kondisi geografis Provinsi Lampung yang berbukit- bukit  memiliki  banyak  potensi  energi  aliran  air  yang memiliki head rendah atau kecepatan aliran air lebih kecil dari 1 m/s sehingga penggunaan sistem pembangkit listrik menggunakan turbin helik ini dapat dapat dikembangkan dan  digunakan  untuk  memenuhi  energi  listrik  bagi masyarakat di daerah terpencil.

## DAFTAR  PUSTAKA
[1] -----.,  2018,  “Tidak  Ada  Desa  Gelap”,  Radar Lampung. 16 September 2018.
[2] -----,” Vertical  axis  wind  turbine’’  Wikimedia
Foundation, Inc. available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_axis_wind_tu rbine), diakses tanggal 30 Juli 2020.
[3] Gorlov,  A.,2008,  “Development  of  The  Helical Reaction  Turbine”. Final  Technical  Report,
available at:
www.mainetidalpower.com/files/gorlovrevised.pdf, diakses tanggal 10 Juli 2020.
[4] Sinaga,  J.  B.,  Suudi,  A.,  dan  Susila,  M.  D.,2020, “Kajian  Eksperimental  Unjuk  Kerja  Turbin  Helik Bentuk Sudu NACA 0033 untuk Sistem Pembangkit Listrik”, Prosiding Seminar Nasional Hasil Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2020 Univ Pamulang , 6-7 Oktober 2020.
[5] Sinaga,  J.  B.,  Suudi,  A.,  dan  Susila,  M.  D.,  2017, “Optimasi  Unjuk  Kerja  Sistem  Pembangkit  Listrik Tenaga  Mikro  Hidro  (PLTMH)  Menggunakan Turbin Ultra Low Head untuk Memenuhi Listrik di Daerah  Pedesaan  Provinsi  Lampung”, Laporan Penelitian Produk Terapan .
[6] Supramanto,  D.  W.,2016,  “Kajian  Eksperimental Pengaruh Jumlah Sudu terhadap Unjuk Kerja Turbin Helik  untuk  Model  Sistem  Pembangkit  Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)”, Tugas Akhir Teknik Mesin , Universitas Lampung, Bandar Lampung.
[7] Shiono, M., K. Suzuki, dan S. Kiho, 2002,”  Output Characteristics  of  Darrieus  Water  Turbine  with Helical  Blades  for  Tidal  Current  Generations”, Proceedings  of  The  Twelfth  International  Offshore and  Polar  Engineering  Conference Kitakyushu, Japan, May 26 – 31, 2002.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 D ay a Lis tr ik (W at t) Tip Speed Ratio 0.398 m/s 0.491 m/s 0.548 m/s 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Ef is ie n si Si st em (%) Tip Speed Ratio 0.398 m/s 0.491 m/s 0.548 m/s