## Design and performance test of overshot water wheel with variation of inner diameter
Alif Ramadhan 1 , Asral 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau Kampus Bina Widya KM. 12,5, Simpang Baru, Kec. Tampan, Kota Pekanbaru, Riau 28293 Email korespondensi: asral@lecturer.unri.ac.id

## Abstrak
Kajian ini dilakukan untuk mengetahui bagaimana merancang kincir air tipe overshot dan pengaruh variasi diameter  dalam  kincir  air  tipe  overshot  terhadap  kinerja,  kincir  air  tersebut  tergolong  dalam  kategori pembangkit  listrik  tenaga  pikohidro  yang  dapat  menghasilkan  listrik  kurang  dari  5000  Watt,  Kincir  air  tipe overshot memiliki mekanisme gerak menggunakan dorongan air yang berasal dari bagian atas kincir air, kincir air tipe overshot memiliki efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan kincir air jenis lainnya, oleh karena itu  untuk  mendapatkan  tenaga  yang  besar  digunakan  kincir  air  tipe  overshot.  Pengujian  kincir  air  yang dirancang telah disesuaikan dengan kondisi di wilayah Provinsi Riau, di mana wilayah Riau memiliki banyak sungai dan waduk, sehingga cocok digunakan untuk pembangkit listrik tenaga air, dan ketinggian jatuh air di wilayah  Riau  rata-rata  sekitar  1  meter  sampai  3  meter.  Ukuran  diameter  dalam  kincir  air  diuji  mulai  dari ukuran 0,25 m, 0,5 m, 0,75 m, variasi ukuran ini dibuat untuk menguji apakah pengaruh diameter dalam kincir terhadap besarnya torsi yang dihasilkan oleh kincir air dengan menggunakan debit yang sama, sehingga dapat menghasilkan  daya  yang  optimal,  kincir  air  dengan  diameter  dalam  0,5  m  memiliki  performa  terbaik  karena efisiensi kincir air paling tinggi, dari pengujian ini dapat diketahui bahwa dimensi kincir air harus berbanding lurus dengan debit yang diberikan pada kincir air agar daya yang dihasilkan lebih optimal.
Kata kunci : kincir air overshot, desain kincir air dan performa kerja, pikohidro.

## Abstract
This  research  was  conducted  to  find  out  how  to  design  an  overshot  type  waterwheel  and  the  effect  of variations  inner  diameter  of  the  overshot  type  waterwheel  on  work  performance,  the  waterwheel  is  classified into the category of picohydro power plants that can generate electricity less than 5000 Watt, the overshot type waterwheel has a motion mechanism using a push water that comes from the top of the waterwheel, the overshot type waterwheel has greater efficiency than other types of waterwheels, therefore to get a large amount of power an overshot type waterwheel is used. The testing of the designed waterwheel has been adapted to conditions in the  Riau  Province  area,  where  the  Riau  area  has  many  rivers  and  reservoirs  so  it  is  suitable  for  use  for hydroelectric power plants, and the height of the water fall in the Riau area on average is about 1 meter to 3 meters. The size of the inner diameter of the waterwheel was tested starting from the size of 0.25 m, 0.5 m, 0.75 m,  this  size  variation  was  made  to  test  whether  the  effect  of  the  inner  diameter  of  the  waterwheel  affects  the amount  of  torque  produced  by  the  waterwheel  by  using  the  same  discharge  so  that  it  can  produce  power optimally, a waterwheel with an inner diameter of 0.5 m has the best performance because the efficiency of the waterwheel is the highest, from this test it can be seen that the dimensions of the waterwheel must be directly proportional to the discharge given to the waterwheel so that the power generated more optimal.
Keywords: overshot waterwheel, waterwheel design and work performance, picohydro.
1. Pendahuluan
Kajian  pengujian  kincir  air  ini  dirancang  sesuai dengan kondisi  lingkungan di daerah  Provinsi Riau, yang  mana  diketahui  bahwa  Riau  memiliki  banyak sungai  dan  waduk,  serta  tinggi  jatuh  air  di  daerah Provinsi  Riau  rata-ratanya  adalah  1  meter  hingga  3 meter, oleh karena itu untuk menghasilkan daya yang besar dapat  menggunakan kincir air overshot [1, 2]. Tujuan dalam perancangan pembangkit listrik adalah untuk  menghasilkan  energi  listrik  dengan  efisiensi yang  tinggi,  permasalahan  yang  muncul  adalah bagaimana  cara  untuk  memperbesar  efisiensi  dari kincir air overshot dengan kondisi lingkungan seperti di  daerah  Riau  [3,  4].  Pentingnya  untuk meningkatkan efisiensi dari suatu pembangkit adalah
agar  konsumsi  sumber  daya  dalam  menghasilkan energi tidak banyak dan dapat bekerja dalam jangka panjang,  sehingga  dapat  mempermudah  pekerjaan manusia dan memelihara alam [5].
Kajian ini dilakukan berdasarkan kajian sebelumnya oleh  Anurat  dan  Chainarong,  dari  kajian  dengan judul  pengaruh  jumlah  sudu dan  rasio  jari-jari  yang tenggelam  pada  kincir  air  undershot,  di  dapatkan kesimpulan  bahwa  torsi  mempengaruhi  seberapa besar daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik.
Pada  kajian  ini  pengujian  dilakukan  dengan memvariasikan  diameter  dalam  kincir  air  yang menggunakan  tipe  overshot  dengan  menggunakan parameter  yang  sama  seperti  debit,  tinggi  jatuh  air,
perbedaan ukuran dari diameter dalam ini dilakukan untuk mengetahui apakah pengaruh ukuran diameter dalam  kincir  air  terhadap  besar  torsi  dan  daya  yang dihasilkan,  sehingga  didapatkan  kesimpulan  dari kajian ini bahwa ukuran dari dimensi kincir air harus berbanding  lurus  dengan  debit  yang  diberikan  agar daya yang dihasilkan oleh generator lebih optimal.

## 2. Metode
Ukuran diameter dalam kincir air yang akan diujikan bervariasi  mulai  dari  0.25  m  ,  0.5  m,  0.75  m,  yang memiliki  parameter  yang  sama  yaitu  ukuran  dan jumlah  sudu,  lebar  kincir,  sudu  kincir  air  memiliki tinggi  dan  lebar  17  cm  ×  20  cm,  setiap  kincir  akan diujikan  dengan  menggunakan  debit  air  yang  sama. Pipa  penstock  yang  digunakan  adalah  1,25  inchi untuk tangki dan 1 inchi pompa.
Debit  air  dalam  pengujian  ini  berasal  dari  dalam tangki  yang  letaknya  3  meter  di  atas  kincir  dengan volume 500 liter dan dibantu dengan bantuan pompa Shimizu  PC-260  BIT,  dalam  pengujian  pompa  dan tangki  di  gunakan  secara  bersamaan  guna  untuk menghasilkan  debit  yang  besar,  sehingga  data  yang didapatkan lebih akurat.
Pada  pengujian  ini  menggunakan  sistem  transmisi putaran, yang menggunakan 4 buah pulley dan 2 belt dengan ukuran pulley 12 inchi, 10 inchi, 3 inchi dan 2 inchi, belting yang digunakan adalah A-70 dan A- 69.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Torsi
Torsi  merupakan  sebuah  energi  yang  timbul  akibat adanya gaya dorong dan lengan yang bergerak secara rotasi, pada kincir air tipe overshot torsi dipengaruhi oleh  seberapa  besar  gaya dorong  air yang  diberikan kepada sudu dan diameter kincir air. Gaya dorong air dipengaruhi oleh kecepatan air, densitas air, dan luas penampang  yang  terkena  oleh  air,  persamaan  gaya dorong dapat dilihat pada Persamaan 1 [5] :
𝐹
= 𝜌𝐴𝑣
(1)
dengan  A  =  Luas  Penampang  (m 2 ),  v  =  Kecepatan Fluida (m/s), 𝜌 = Densitas Fluida (kg/m 3 ).
Maka torsi dapat ditentukan dengan Persamaan 2 [5]:
𝑇 = 𝐹 . 𝑟 (2)
dengan  T  =  Torsi  (Nm),  F dorong =  Gaya  Dorong  Air (N), r = Jari-jari Kincir air (m).

## Efisiensi
Efisiensi  merupakan  rasio  seberapa  efisien  sebuah mesin  dalam  bekerja  dan  pembangkit  dalam menghasilkan  listrik,  efisiensi  dapat  ditentukan dengan  membandingkan  hasil  kerja  (energi)  dari sebuah  mesin  atau  pembangkit  dengan berapa  besar kerja  yang  diperlukan,  hal  ini  merujuk  kepada
hukum  termodinamika  yang  pertama  bahwa  energi tidak  dapat  diciptakan  dan  dihancurkan,  akan  tetapi energi  dapat  berubah  bentuk  dari  satu  bentuk  ke bentuk  lainnya.  Pada  kincir  air  efisiensi  dapat ditentukan  dengan  membandingkan  seberapa  besar daya  yang  dihasilkan  oleh  generator  dengan  daya yang  diperlukan  untuk  menggerakkan  kincir,  daya kincir dapat ditentukan dengan Persamaan 3 [6] :
𝑃 = 𝜌𝑔ℎ𝑄 (3)
dengan  ρ  =  Densitas  (kg/m³),  g  =  Percepatan Gravitasi (m/s²), h = Beda ketinggian (m), Q = Debit (m³/s), P Kincir = Daya kincir (Watt).
Daya  generator  dapat  ditentukan  dengan  mengukur seberapa  tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan  oleh generator, yang dapat dilihat pada Persamaan 4 [7].:
𝑊 = 𝑉. 𝐼
(4)
dengan W = Daya Generator (Watt), V = Tegangan (Volt), I = Kuat Arus (Ampere).
Maka efisiensi dapat ditentukan dengan membandingkan  daya  keluar  dengan  daya  yang diperlukan, yang dapat dilihat pada Persamaan 5 [6,
7]:
𝜂 = 𝑊 𝑃 𝑥 100% (5)
dengan 𝜂 =  Efisiensi,  W  =  Daya  Generator  (Watt), P Kincir = Daya kincir (Watt).

## Pengaruh Torsi terhadap Efisiensi
Torsi
dan efisiensi dapat ditemukan perbandingannya di Gambar 1 dengan data disajikan pada Tabel 1.
Gambar 1. Grafik torsi vs efisiensi.
Tabel 1. Data torsi dan efisiensi setiap kincir air.
Secara teoritis dapat diketahui bahwa semakin besar torsi,  maka  efisiensi  juga  akan  semakin  besar  [8,  9, 10],  jika  dilihat  pada grafik  (Gambar  1)  yang  mana efisiensi  tertinggi  dihasilkan  dengan  mengunakan kincir  yang  berdiameter  0,5  m,  dan  efisiensi  paling rendah  dihasilkan  dengan  menggunakan  kincir diameter  0,25  m,  dan  efisiensi  kincir  dengan diameter 0,75 m berada di bawah kincir diameter 0,5 m, kincir diameter 0,25  m lebih rendah efisiensinya dibandingkan  kincir  lain,  fenomena  ini  disebabkan ukuran dari kincir, sehingga menghasilkan torsi yang lebih  kecil  dibandingkan  kincir  lainnya,  sedangkan kincir diameter 0,75 m memiliki efisiensi yang lebih rendah  dibandingkan  kincir  berdiameter  0,5  m, fenomena ini disebabkan tahanan dari kincir tersebut berupa  massa  yang  mana  penambahan  massa  ini diiringi oleh penambahan ukuran dimensi dari kincir [11].

## Pengaruh Diameter Kincir Air terhadap Efisiensi
Gambar 2. Grafik efisiensi vs diameter kincir.
Dari Gambar 2, grafik efisiensi vs diameter kincir air dengan  menggunakan  debit  yang  sama  bahwa efisiensi  akan  bergerak  seperti  parabola,  di  mana pada diameter 0,5 m berada di titik tertinggi efisiensi nya  yaitu  0,75%  dan  titik  terendah  pada  diameter 0,25  m  dengan  efisiensi  0,4%,  sedangkan  kincir berdiameter  0,75  m  memiliki  efisiensi  teringginya yaitu  0,69%,  kincir  dengan  diameter  0,25  m memiliki  efisiensi  yang  lebih  rendah  dari  kincir lainnya akibat ukuran dari kincir tersebut, kincir 0,75 m  memiliki  efisiensi  yang  lebih  rendah  dari  kincir 0,5  m  akibat  adanya  tahanan  dari  kincir  tersebut yang  berupa  massa,  sehingga  menyebabkan  kincir semakin  lambat  untuk  berputar,  fenomena  ini
merujuk  kepada  Gambar  1,  grafik  torsi  vs  efisiensi yang mana kincir dengan diameter 0,75 m memiliki nilai torsi yang tinggi akan  tetapi  memiliki efisiensi yang  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  kincir dengan efisiensi 0,5 m.

## Pengaruh Diameter Kincir Air terhadap Torsi
Gambar 3. Grafik torsi vs diameter kincir air.
Dari Gambar 3, grafik torsi vs diameter kincir dapat dilihat  bahwa  torsi  paling  besar  dihasilkan  oleh kincir  dengan  diameter  0,75  m  dan  yang  paling rendah  adalah  0,25  m,  sedangkan  torsi  kincir diameter 0,5 m berada di bawah torsi kincir diameter 0,75  m,  fenomena  ini  terjadi  karena  dalam menentukan torsi dalam Persamaan 2 bahwa ukuran dari kincir mempengaruhi besar torsi yang dihasilkan oleh karena itu torsi dari kincir diameter 0,75 m lebih besar dibandingkan torsi kincir lainnya.

## 4. Kesimpulan
Dari kajian ini didapatkan simpulan bahwa diameter kincir  mempengaruhi  besar  torsi  yang  dihasilkan kincir, semakin besar diameter kincir maka torsi juga akan  semakin  besar,  peningkatan  torsi  ini  harus diiringi dengan penambahan jumlah debit air, hal ini bertujuan  agar  daya  yang  dihasilkan  oleh  generator lebih optimal, sehingga efisiensi dari mesin pun juga meningkat.

## Daftar Pustaka
[1]  Abadin,  Muhammad  As’ad.  (2014).  Pengaruh Besar  Sudut  Kelengkungan  Sudu  Terhadap Unjuk  Kerja  Kincir  Air  Tipe  Sudu  Lengkung Overshot. Malang : Universitas Brawijaya
[2]  Asral.(2020)  Bahan  ajar  kincir  air  arus  bawah
(Undershot Waterwheel). Pekanbaru : Universitas Riau.
[3]  Asral, T Harismandri.(2017) Pengujian Prestasi Kincir  Air  Tipe  Overshot  Di  Irigasi  Kampus Universitas  Riau  Dengan  Penstock  Bervariasi. Pekanbaru : Universitas.
[4]  Budynas,  Richard  G  dan  J.  Keith  Nisbett. (2011).  Shigley's  Mechanical  Engineering Design. New York : McGraw-Hill
[5]  Çengel,Y.  A.dan  M.  A.  Boles.  (1989). Thermodynamics:  An  Engineering  Approach.  . New York : McGraw-Hill
[6]  IESR.  (2019).    Laporan  Status  Energi  Bersih Indonesia:  Potensi,  Kapasitas  Terpasang,  dan Rencana  Pembangunan  Pembangkit  Listrik Energi Terbarukan 2019. Jakarta : IESR
[7]  Inprasita,  Chainarong  dan  Anurat  Tevataa. (2011).  The  Effect  of  Paddle  Number  and Immersed  Radius  Ratio  on  Water  Wheel Performance,  Tak  :  Rajamangala  University  of Technology Lanna Tak.
[8]  Killingtveit,  Ånund,  Arun  Kumar  dan  Marcos Freitas.(2012).  Contribution  to  Special  Report Renewable  Energy  Sources  (SRREN),  Indian Institute  of  Technology  Roorkee,    Federal University of Rio de Janeiro | UFRJ · Programa de Planejamento energético (PPE).
[9]  Morong,  Juneidy  Yohanes.(2016).  Rancang Bangun  Kincir  Air  Irigasi  Sebagai  Pembangkit Listrik  di Desa Talawaan.  Manado : Politeknik Negeri Manado
[10] Nursuhud,  Djati  dan  Astu  Pudjanarsa.  (2013). Mesin  Konversi  Energi.  .  Yogyakarta  :  C.V Andi OFFSET
[11] Suga,  Kiyokatsu  dan  Sularso.  (1980).  DASAR PERENCANAAN DAN
PEMILIHAN
ELEMEN  MESIN.    Jakarta  :  Pt  Diktatelemen Mesinagustinus Purna