## Perancangan Pompa Air Positive Displacement yang Digerakkan Oleh Turbin Angin Sudu Jamak
Amri Hidayat 1 , Mietra Anggara 2 Universitas Teknologi Sumbawa Fakultas Rekayasa Sistem Jalan Raya Olat Maras, Batu Alang Kec, Moyo Hulu Email: amri,hidayat@uts.ac.id

## ABSTRAK
Di beberapa daerah di Indonesia seperti Kabupaten Sumbawa, masih memiliki wilayah terpencil yang jauh dari jaringan listrik nasional, jaringan irigasi pertanian dan perusahaan daerah air minum, tetapi memiliki kelebihan yaitu tersedianya sumber  air  tanah  (air  sumur)  dengan  kedalaman  sumur  antara  3  m  sampai  9  m.  Namun  untuk  mengangkat  air  sumur dibutuhkan suatu sistem pemompaan, seperti pompa berpenggerak motor bakar, motor listrik atau memanfaatkan sumber energi  terbarukan  seperti  turbin  angin  sudu  jamak  yang  di  gerakkan  secara  mekanik.  Sudu  dihubungkan  dengan  poros dan mekanisme engkol ditempatkan di ujung poros. Ketika sudu berputar secara otomatis mekanisme engkol juga akan berputar.  Karena  pengaturan  eksentrik  poros,  gerakan  putaran  mekanisme  engkol  diubah  menjadi  gerakan  linier  yang diteruskan ke batang piston pompa, sehingga proses pemompaan akan berlangsung secara terus menerus sesuai dengan ketersediaan dan kecepatan angin. Memanfaatkan turbin angin sebagai penggerak pompa air bisa dilakukan karena letak geografis  Kabupaten  Sumbawa  yang memiliki garis  pantai cukup  panjang  dengan  kecepatan  angin di  atas  2,3  m/detik. Pada penelitian ini telah dirancang pompa air model piston (pompa air positive displacement) dengan penggerak turbin angin sudu jamak, diameter silinder pompa 50,80 mm, panjang langkah pompa 127 mm, ketinggian (head) pemompaan 9 m  pada  kecepatan angin  2,8  m/detik.  Dari hasil  perancangan  diketahui  aliran air rata-rata  efektif  yaitu  7,8 m 3 /hari  dan torsi untuk memulai pemompaan yaitu 11,21 Nm.
Kata Kunci : Perancangan, pompa air model piston, positive displacement, konversi energi,

## L ATAR B ELAKANG
Pemanfaatan sumber daya energi terbarukan untuk meningkatkan ketersediaan air baik untuk konsumsi, peternakan dan  pertanian,  dengan  mengembangkan  infrastruktur  teknologi  pemompaan  air  melalui  pengembangan  pompa  piston berpenggerak  turbin  angin  sudu  jamak  yang  digerakkan  secara  mekanik  atau  elektrik  adalah  solusi  untuk  permasalahan ketahanan  pada  sumber  daya  air,  khususnya  daerah  terpencil  yang  memiliki  keterbatasan  jangkauan  jaringan  listrik nasional,  jaringan  irigasi  pertanian  dan  perusahaan  daerah  air  minum  seperti  beberapa  wilayah  di  Kabupaten  Sumbawa yaitu Dusun Naga Lidam.
Pemompaan air sangat penting, untuk memenuhi kebutuhan konsumsi, peternakan dan pertanian yang bisa diambil dari  sumber air  seperti;  sumur  bak  terbuka,  sumur  bor,  sungai atau  bendungan.  Namun, karena terbatasnya  ketersediaan energi listrik,  beberapa  bentuk  energi alternatif  bisa dimanfaatkan untuk memompa air dari  sumber ke  titik penggunaan, seperti  potensi  penggunaan  turbin  angin  sudu  jamak  untuk  menggerakkan  pompa  air.  Teknologi  pemompaan  ini  sudah mulai dikembangkan pada akhir abad ke 19, digunakan untuk peternakan dan konsumsi terutama di daerah di mana pompa listrik dan bahan bakar fosil tidak praktis untuk digunakan dan wilayah yang memiliki kecepatan angin minimal 8 km/jam terutama di wilayah dekat pantai yang memiliki kecepatan angin cukup tinggi.
Pompa  air  dengan  penggerak  turbin  angin  adalah  kombinasi  antara  pompa  air  piston  yang  digerakkan  secara mekanik  oleh  turbin  angin,  prinsip  kerjanya  yaitu;  energi  angin  digunakan  untuk  memutar  sudu  turbin  angin.  Sudu dihubungkan  dengan  poros  dan  mekanisme  engkol  ditempatkan  di  ujung  poros.  Ketika  sudu  berputar  secara  otomatis mekanisme  engkol  juga  akan  berputar.  Karena  pengaturan  eksentrik  poros,  gerakan  putaran  mekanisme  engkol  diubah menjadi  gerakan  linier  yang  diteruskan  kepada  batang  piston  pompa,  sehingga  proses  pemompaan  akan  berlangsung secara terus menerus sesuai dengan ketersediaan dan kecepatan angin.
Pada  rancangan  pompa  piston  dengan  penggerak  turbin  angin  sudu  jamak,  dimensi  dari  pompa  air  piston  sangat penting untuk mendapatkan kinerja maksimal dari alat. Oleh karena itu pada tesis ini akan dilakukan perancangan pompa air model piston menggunakan metode desain Pahl-beitz.

## T INJAUAN P USTAKA
Daya Energi Angin Untuk Pemompaan. Daya yang digunakan untuk memompa air akan berkurang sebanding dengan efisiensi  mekanis  energi  angin  untuk  pemompaan  dari  seluruh  unit  pompa  berpenggerak  turbin  angin.  Daya  yang potensial untuk dimanfaatkan oleh turbin angin dapat ditentukan berdasarkan persamaan[1,2]:
:
= x   x x
Dimana:
= daya kinetik angin (watt) = massa jenis udara (kg/m 3 ) rotor = luas penampang rotor (m 2 ) = kecepatan angin (m/detik).
Turbin  Angin  Sebagai  Penggerak  Pompa  Air. Turbin  angin  dapat  digunakan  untuk  pemompaan  air  dari berbagai  sumber  seperti  sungai,  kanal,  danau  dan  sumur.  Turbin  angin terpasang di  atas  atau dekat  dengan  sumber  air, untuk meminimalkan  kehilangan  daya  pada  saat  transmisi energi.  Jenis  pompa  yang  digunakan tergantung pada  lokasi sumber  air  dan  kebutuhan,  misalnya  untuk  keperluan  head  rendah  dengan  volume  tinggi,  head  tinggi  dengan  volume rendah  atau  gabungan  dari  keduanya  dan  jenis  sumber  energi  yang  digunakan,  sehingga  kombinasi  antara  jenis  turbin angin dan jenis pompa harus tepat. [3]

## Gambar 1. Tata letak pompa air dengan penggerak turbin angin
Prinsip  Kerja  Pompa  Air  Berpenggerak  Turbin  Angin. Pada  saat  rotor  turbin  angin  sudu  jamak  berputar  karena energi  kinetik  angin,  menyebabkan  poros  utama  turbin  angin  berputar.  Putaran  poros  utama  yang  menyatu  dengan mekanisme  engkol,  dan  mekanisme  engkol  yang  tersambung  dengan  batang  pompa  menyebabkan  batang  pompa bergerak naik-turun, gerakan ini merupakan gerakan yang dibutuhkan oleh pompa piston untuk menggerakkan komponen pompa sehingga aliran air bisa dihasilkan. [3]
Gambar 2. Cara kerja pompa air dengan penggerak turbin angin

## M ETODE P ERANCANGAN
Metode perancangan yang digunakan adalah cara merancang Pahl dan Beitz yang terdiri dari; klarifikasi tugas, konseptualisasi  perancangan,  perwujudan  rancangan,  dan  pemerincian  rancangan  yang  menghasilkan  dokumen  untuk pembuatan produk pompa dan kelengkapannya. [4]
Klarifikasi  Tugas. Berdasarkan  hasil  survey  di  lapangan  produk  ini  sangat  dibutuhkan  oleh  masyarakat  di daerah  terpencil,  khususnya  daerah  yang  jauh  dari  jaringan  listrik,  jaringan  air  PDAM,  dan  jaringan  irigasi,  karena pruduk yang akan dibuat berfungsi untuk memompa air dari sumur terbuka atau sumur bor dengan memanfaatkan energi angin  sebagai  energi  penggerak  pompa  air.  Produk  pompa  ini  direkomendasikan  untuk  digunakan  di  daerah  dengan kecepatan angin minimal 8 km/jam.
Tabel 1. Data kecepatan angin rata-rata, 1 januari 2018 - 31 desember 2018 (Kecepatan angin pada kolom warna biru akan digunakan untuk perhitungan).
No. Rata-rata (km/jam) Rata-rata (m/detik) 1 9 2,5 2 8,9 2,5 3 8,8 2,5 4 9,2 2,5 5 10 2,8 6 10,5 2,9 7 10,2 2,8 8 10,6 2,8 9 10,9 3 10 11,4 3,2 11 11,2 3,1 12 8,6 2,4
Selanjutnya  rancangan  pompa  ini  akan  diaplikasikan  untuk  memompa  air  dengan  kedalaman  sumur  6  m  dan ketinggian bak penampung 3 m, sehingga head total 9 m.
Sebagai  dasar  perencanaan  untuk  pembuatan  produk  pompa,  dari  hasil  survey  di  lapangan  terlebih  dahulu diketahui jumlah atau volume kebutuhan air, yaitu: konsumsi masyarakat, peternakan dan pertanian. Rincian kebutuhan air dijelaskan pada tabel di bawah.
Tabel 2. Rincian kebutuhan air. No. Kebutuhan Volume 1 Konsumsi  untuk  10  KK,  1  KK rata-rata 5 orang, sehingga total ada 50 orang (60 liter/hari/orang) 3000  liter atau 3 m 3 2 Peternakan  sapi  untuk  70  ekor (25 liter/hari/ekor) 1750  liter atau  1,75 m 3
Peternakan  kuda  untuk  50  ekor (20 liter/hari/ekor) 1000  liter atau 1 m 3 3 Untuk  pertanian  jagung  dan sayur-sayuran,  luas  lahan  1400 m2,  asumsi  kebutuhan  air  1500 liter/hari 1500  liter atau 1,5 m 3 Total kebutuhan 7,25 liter/hari atau  7,25
m 3 /hari
Berdasarkan  uraian  di  atas,  tugas  yang  harus  dipenuhi  adalah  perancangan  pompa  piston  dengan  penggerak turbin  angin  sudu  jamak  untuk  mengangkat  air  dari  sumur  dengan  kapasitas  minimum  disesuaikan  dengan  kebutuhan yaitu 7,25 m 3 /hari.
Perancangan  Konsep  Produk. Konseptualisasi  perancangan  adalah  perincian  terhadap  solusi  yang  menjadi dasar pemikiran rancangan pompa piston dengan penggerak turbin angin sudu jamak.
Pompa air model piston dengan penggerak turbin angin sudu jamak digunakan untuk mengangkat air dari sumur untuk  dipindahkan  ke  permukaan  yang  lebih  tinggi  guna  memenuhi  kebutuhan  masyarakat  yaitu:  untuk  konsumsi, pertanian dan peternakan. Pompa digunakan pada sumur dengan kedalaman 6 m dan tinggi bak penampung 3 m sehingga total  head  adalah  9  m  dan  debit  air  yang  dihasilkan  adalah  7,25  m 3 /hari.  Pompa  akan  digerakkan  dengan  turbin  angin sudu jamak 18 sudu, diameter rotor 2 m dan ketinggian tower turbin 6 m.
Sistem ini terdiri dari turbin angin dan kelengkapannya  yaitu rotor turbin, poros rotor, meknisme engkol, sudu pengarah  turbin  dan  tower  turbin  angin.  Komponen  selanjutnya  yaitu:  sistem  perpipaan,  rumah  pompa,  dan  pompa piston.  Pompa  piston  umumnya  terdiri  dari  beberapa  komponen  utama  yaitu;  silinder, piston,  seal  piston,  katup  piston, batang piston, katup bawah, tutup atas, tutup bawah dan penahan katup bawah.
Gambar 3. Komponen utama, komponen pendukung dan struktur kerja pompa

## H ASIL DAN P EMBAHASAN
Aliran air rata-rata efektif. Pada kondisi operasi, keluaran air rata-rata pompa air seperti yang ditemukan pada persamaan aliran keluaran air rata-rata ), ini mungkin berbeda karena adanya kebocoran, respon katup yang tertunda,
dan  efek  gaya  inersia.  Sehingga  bisa  didefinisikan,  efisiensi  volumetrik  pompa
)  sebagai  perbandingan
antara aliran keluaran air rata-rata efektif (
dengan keluaran air rata-rata ). [5]
Aliran  air  rata-rata  efektif
(liter/detik).  Untuk  mendapatkan  jumlah  aliran  air  rata-rata  maka  dapat diketahui dari persamaan:
= 7,8 m 3 /hari.
Torsi pompa untuk memulai operasi. Pompa piston membutuhkan torsi untuk memulai operasi sama dengan dikali torsi yang dibutuhkan untuk membuat pompa tetap beroperasi, dapat diketahui dari persamaan:
=
. [5]
Perancangan  detail. Dari  hasil  perancangan  detail  diketahui  dimensi  pompa  air Positive  Displacement yang Digerakkan Oleh Turbin Angin Sudu Jamak yaitu: diameter silinder pompa 50,8 mm, panjang langkah pompa 127 mm.

## K ESIMPULAN
Dari  penelitian  ini  didapatkan  hasil  rancangan  pompa  air positive  displacement yang  digerakkan  oleh  turbin angin sudu jamak dengan aliran air rata-rata efektif adalah 7,8 m 3 /hari dan torsi untuk memulai operasi adalah 11,21 Nm. Dimensi utama pompa yaitu: diameter silinder 50,80 mm, panjang langkah 127 mm.

## R EFERENSI
[1] Meel, Van, Joop., dan Paul Smulders. (1952): Wind pumping A Handbook. Washington, D.C.: The World Bank.
[2] Dijk, Van, H.J. dan P.D. Goedhart. (1987): Windpump For Irrigation. The Netherlands: Consultancy Services Wind Energi Developing Countries.
[3] Lysen, E. H. (1983): Introduction to Wind Energi. The Netherlands: Consultancy Services Wind Energi Developing Countries.
[4] Pahl, G. dan W. Beitz. (2007): Engineering Desaign A Systematic Approach Third Edition. Berlin: Springer.
[5] Jongh, de J.A., dan R.P.P. Rijs. (2004): Pump Design. Arrakis. Sumber dari: https://arrakis.nl/documents/pumpdesign.pdf