A. JUDUL PROYEK

Perancangan dan Analisis Turbin Pelton sebagai Pembangkit Listrik untuk Masyarakat Sekitar Sungai Menggunakan Kerangka DAI5

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Ariq Rayyan Firman

C. AFILIASI

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. ABSTRAK

لَا إِلٰهَ إِلَّا اللّٰهُبِسْمِ اللّٰهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحِيْمِ

Proyek ini membahas perancangan Turbin Pelton sebagai salah satu komponen pembangkit listrik tenaga mikrohidro untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat di sekitar sungai. Permasalahan yang diangkat adalah bagaimana memanfaatkan potensi energi air pada daerah dengan head relatif tinggi dan debit relatif kecil untuk menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan oleh masyarakat.

Sebagai studi awal, sistem dirancang untuk melayani sekitar 20 rumah dengan asumsi kebutuhan listrik sebesar 500 W per rumah. Dengan demikian, kebutuhan dasar listrik masyarakat diperkirakan sebesar 10 kW. Setelah mempertimbangkan kebutuhan fasilitas umum dan margin sistem, kapasitas pembangkit awal ditetapkan sebesar 12 kW.

Perancangan dilakukan menggunakan kerangka DAI5 yang mencakup Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set. Parameter awal yang digunakan meliputi head sebesar 50 m, efisiensi turbin sebesar 80%, dan efisiensi generator sebesar 90%. Berdasarkan perhitungan awal, diperoleh kebutuhan debit sekitar 0,034 m³/s atau 34 L/s. Simulasi menggunakan MATLAB dilakukan untuk menganalisis hubungan antara head, debit, daya generator, dan efisiensi sistem.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan head dan debit menyebabkan peningkatan daya generator. Pada kondisi desain dengan head 50 m dan debit sekitar 0,034 m³/s, daya generator yang diperoleh adalah sekitar 12 kW. Berdasarkan asumsi efisiensi yang digunakan, efisiensi total sistem mencapai 72%. Hasil ini menunjukkan bahwa rancangan awal Turbin Pelton secara teoritis dapat memenuhi target kebutuhan listrik yang telah ditentukan.

Kata kunci: Turbin Pelton, mikrohidro, pembangkit listrik, MATLAB, head, debit, DAI5.

E. DEKLARASI PENULIS

1. Deep Awareness (of) I

Ungkapan Syukur

Alhamdulillahirabbil’alamin. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan kesehatan, kekuatan, kemampuan, kesempatan, dan rezeki sehingga laporan ini dapat diselesaikan. Dalam setiap prosesnya, penulis menyadari bahwa kemampuan untuk belajar, berpikir, mencoba, dan menyelesaikan setiap permasalahan merupakan nikmat yang tidak terlepas dari kehendak-Nya.

Penyelesaian laporan ini menjadi pengingat bagi penulis bahwa setiap pencapaian bukan semata-mata hasil dari kemampuan diri sendiri, tetapi juga merupakan bentuk pertolongan dan izin dari Allah SWT. Oleh karena itu, penulis bersyukur atas segala kemudahan yang diberikan dan berharap ilmu yang diperoleh melalui proyek ini dapat memberikan manfaat serta menjadi langkah kecil untuk menghasilkan sesuatu yang lebih baik di masa mendatang.

[Kriteria 1 – Consciousness of Purpose]

Proyek ini dilakukan dengan tujuan merancang sistem pembangkit listrik berbasis Turbin Pelton yang dapat memanfaatkan potensi energi air untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat sekitar sungai. Perancangan diarahkan untuk menghasilkan solusi yang tidak hanya dapat bekerja secara teknis, tetapi juga memberikan manfaat bagi masyarakat.

[Kriteria 2 – Self-awareness]

Penulis menyadari bahwa perancangan yang dilakukan merupakan tahap awal dan masih menggunakan beberapa asumsi. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh melalui perhitungan dan simulasi belum dapat dianggap sebagai kondisi aktual di lapangan.

[Kriteria 3 – Ethical Considerations]

Perancangan mempertimbangkan aspek keselamatan masyarakat, keberlanjutan pemanfaatan sumber air, serta potensi dampak terhadap lingkungan sekitar sungai. Pemanfaatan sumber daya air harus dilakukan secara bertanggung jawab agar tidak mengurangi fungsi lingkungan.

[Kriteria 4 – Integration of CCIT (Cara Cerdas Ingat Tuhan)]

Proses perancangan dilakukan dengan kesadaran bahwa sumber daya alam merupakan bagian dari lingkungan yang perlu dimanfaatkan secara bijaksana. Pemanfaatan energi air diarahkan untuk memberikan manfaat kepada masyarakat tanpa mengabaikan tanggung jawab dalam menjaga lingkungan.

[Kriteria 5 – Critical Reflection]

Setiap hasil perhitungan dan simulasi dievaluasi secara kritis dengan mempertimbangkan asumsi yang digunakan. Hasil simulasi tidak langsung dianggap sebagai hasil akhir, tetapi digunakan sebagai dasar untuk pengembangan desain lebih lanjut.

[Kriteria 6 – Continuum of Awareness]

Kesadaran terhadap tujuan, keterbatasan, dampak, dan kualitas desain diterapkan secara berkelanjutan mulai dari identifikasi masalah, proses perancangan, simulasi, hingga evaluasi hasil.

2. Niat Kegiatan Proyek

[Kriteria 7 – Clarity of Intent]

Niat utama proyek ini adalah menghasilkan rancangan awal Turbin Pelton yang mampu menyediakan daya listrik bagi sekitar 20 rumah masyarakat di sekitar sungai.

[Kriteria 8 – Alignment of Objectives]

Tujuan proyek diselaraskan dengan kebutuhan listrik masyarakat dan potensi energi air yang tersedia sehingga rancangan memiliki hubungan yang jelas antara kebutuhan pengguna dan parameter teknis sistem.

[Kriteria 9 – Relevance of Intent]

Pemanfaatan energi air menjadi relevan bagi masyarakat yang berada di sekitar sungai karena sumber energi tersebut dapat dimanfaatkan secara lokal untuk memenuhi kebutuhan listrik.

[Kriteria 10 – Sustainability Focus]

Perancangan diarahkan pada pemanfaatan sumber energi terbarukan dengan tetap memperhatikan keberlanjutan aliran sungai, kondisi ekosistem, dan kebutuhan masyarakat sekitar.

[Kriteria 11 – Focus on Quality]

Kualitas perancangan dijaga melalui penggunaan perhitungan teknik, simulasi MATLAB, analisis grafik, serta evaluasi terhadap hasil yang diperoleh.

F. PENDAHULUAN

1. Pemikiran Awal tentang Masalah

Menganalisis Masalah Secara Sistematis

[Kriteria 12 – Problem Understanding]

Permasalahan utama dalam proyek ini adalah bagaimana memanfaatkan potensi energi air pada sungai untuk menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan oleh masyarakat sekitar.

Sebagai pendekatan awal, jumlah pengguna diasumsikan sebanyak 20 rumah dengan kebutuhan daya sebesar 500 W per rumah. Kebutuhan listrik dasar kemudian dihitung sebagai:

Pbasic = 20 × 500 W

Pbasic = 10.000 W

Pbasic = 10 kW

Berdasarkan kebutuhan tersebut, kapasitas generator ditetapkan sebesar 12 kW untuk memberikan tambahan kapasitas terhadap kebutuhan dasar masyarakat.

Stakeholder

[Kriteria 13 – Stakeholder Awareness]

Stakeholder utama dalam proyek ini adalah masyarakat sekitar sungai dan lingkungan sungai itu sendiri. Masyarakat membutuhkan sumber listrik yang aman, dapat digunakan secara berkelanjutan, dan mudah dipelihara. Sementara itu, lingkungan sungai harus tetap dijaga agar pemanfaatan air tidak menyebabkan gangguan yang berlebihan terhadap ekosistem.

Analisis Kontekstual

[Kriteria 14 – Contextual Analysis]

Turbin Pelton dipilih sebagai konsep awal karena sesuai untuk sistem pembangkit yang memanfaatkan head relatif tinggi dengan debit yang relatif kecil. Dalam sistem yang dirancang, air dari sungai dialirkan melalui sistem pengambilan air dan penstock menuju nozzle. Nozzle kemudian mengubah energi tekanan menjadi jet air berkecepatan tinggi yang diarahkan menuju bucket pada runner Turbin Pelton.

Energi kinetik jet air menyebabkan runner berputar. Putaran tersebut diteruskan melalui poros menuju generator sehingga menghasilkan energi listrik.

Analisis Akar Masalah

[Kriteria 15 – Root Cause Analysis]

Akar permasalahan yang diidentifikasi adalah belum optimalnya pemanfaatan potensi energi air menjadi energi listrik yang dapat digunakan masyarakat. Oleh karena itu, permasalahan tersebut diterjemahkan menjadi kebutuhan untuk menentukan desain turbin yang sesuai dengan kebutuhan listrik dan kondisi hidrolik.

Relevansi Analisis

[Kriteria 16 – Relevance of Analysis]

Parameter head, debit, efisiensi, dan daya dipilih karena memiliki hubungan langsung dengan kemampuan sistem dalam menghasilkan energi listrik. Analisis terhadap parameter tersebut menjadi dasar dalam menentukan ukuran dan kondisi operasi awal Turbin Pelton.

Data dan Bukti

[Kriteria 17 – Use of Data and Evidence]

Pada tahap awal, data yang digunakan merupakan asumsi desain untuk kebutuhan listrik dan kondisi sumber air. Asumsi tersebut digunakan untuk membangun model perhitungan dan simulasi. Pada tahap selanjutnya, data tersebut perlu digantikan dengan hasil pengukuran lapangan agar desain dapat divalidasi.

G. METODE DAN LANGKAH-LANGKAH SOLUSI

1. Idealisasi

[Kriteria 18 – Assumption Clarity]

Perancangan awal menggunakan beberapa asumsi sebagai berikut:

Jumlah rumah = 20 rumah

Daya per rumah = 500 W

Kebutuhan listrik dasar = 10 kW

Target daya generator = 12 kW

Head = 50 m

Massa jenis air = 1000 kg/m³

Percepatan gravitasi = 9,81 m/s²

Efisiensi turbin = 80%

Efisiensi generator = 90%

Koefisien kecepatan nozzle = 0,98

Speed ratio = 0,46

Putaran runner = 750 rpm

[Kriteria 19 – Creativity and Innovation]

Solusi yang dirancang memanfaatkan energi air lokal sebagai sumber energi terbarukan untuk menghasilkan listrik. Penggunaan MATLAB sebagai alat simulasi memungkinkan desain diuji melalui berbagai kondisi head dan debit tanpa harus langsung membuat prototipe fisik.

[Kriteria 20 – Physical Realism]

Model perancangan menggunakan hubungan fisik dasar antara energi air, head, debit, daya hidrolik, dan efisiensi. Dengan demikian, parameter yang digunakan dalam simulasi tetap memiliki keterkaitan dengan kondisi fisik sistem Turbin Pelton.

[Kriteria 21 – Alignment with Intent]

Parameter desain dipilih untuk memenuhi target daya generator sebesar 12 kW sehingga rancangan tetap sesuai dengan tujuan utama proyek, yaitu menyediakan listrik untuk masyarakat sekitar.

[Kriteria 22 – Scalability and Adaptability]

Model dapat disesuaikan dengan kondisi yang berbeda. Jumlah rumah, kebutuhan daya, head, debit, dan efisiensi dapat diubah dalam program MATLAB sehingga rancangan dapat dikembangkan sesuai kondisi masyarakat dan sumber air yang berbeda.

[Kriteria 23 – Simplicity and Elegance]

Perancangan menggunakan parameter utama yang paling berpengaruh terhadap performa pembangkit sehingga model tetap sederhana dan mudah dipahami tanpa menghilangkan hubungan fisik utama sistem.

2. Instruksi (Set)

Tahap Perhitungan

Daya hidrolik air dihitung menggunakan persamaan:

Ph = ρ × g × Q × H

Daya turbin kemudian ditentukan dengan mempertimbangkan efisiensi turbin:

Pturbin = ηt × Ph

Sedangkan daya generator dihitung berdasarkan efisiensi generator:

Pgenerator = ηg × Pturbin

Dari kebutuhan daya generator sebesar 12 kW, diperoleh kebutuhan daya turbin sekitar 13,33 kW.

Dengan head 50 m dan efisiensi turbin 80%, kebutuhan debit yang diperoleh adalah sekitar 0,034 m³/s atau 34 L/s.

Kecepatan jet dihitung menggunakan:

V₁ = Cv × √(2 × g × H)

Hasil perhitungan memberikan kecepatan jet sekitar 30,70 m/s.

Berdasarkan hubungan debit dan kecepatan jet, diperoleh diameter nozzle sekitar 37,6 mm.

Selanjutnya, dengan speed ratio 0,46 diperoleh kecepatan periferal runner sekitar 14,12 m/s. Dengan putaran runner 750 rpm, diameter runner yang diperoleh sekitar 359 mm.

Kecepatan sudut runner adalah sekitar 78,54 rad/s, sedangkan torsi turbin yang diperoleh sekitar 169,7 Nm.

Simulasi MATLAB

[Kriteria 24 – Clarity of Steps]

Simulasi MATLAB dilakukan secara berurutan mulai dari menentukan kebutuhan listrik, menentukan target generator, menghitung kebutuhan daya turbin, menentukan debit, menghitung parameter runner dan nozzle, hingga membuat grafik hasil simulasi.

[Kriteria 25 – Comprehensiveness]

Simulasi mencakup perhitungan daya hidrolik, daya turbin, daya generator, debit, kecepatan jet, diameter nozzle, kecepatan runner, diameter runner, torsi, dan efisiensi total sistem. Hasil perhitungan kemudian divisualisasikan melalui beberapa grafik.

[Kriteria 26 – Physical Interpretation]

Setiap parameter yang dihitung memiliki makna fisik. Head menunjukkan energi potensial air, debit menunjukkan jumlah aliran air yang tersedia, sedangkan daya generator menunjukkan kemampuan sistem menghasilkan energi listrik.

[Kriteria 27 – Error Minimization]

Penggunaan MATLAB membantu mengurangi kesalahan perhitungan aritmetika dan mempermudah proses pengujian ketika nilai parameter desain diubah.

[Kriteria 28 – Verification and Validation]

Hasil simulasi diverifikasi dengan membandingkan daya generator yang diperoleh dengan target daya sebesar 12 kW. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa daya generator mencapai sekitar 12 kW sehingga sesuai dengan target desain.

[Kriteria 29 – Iterative Approach]

Program MATLAB dapat dijalankan kembali dengan mengubah nilai head, debit, jumlah rumah, maupun parameter efisiensi. Hal ini memungkinkan proses perancangan dilakukan secara iteratif.

[Kriteria 30 – Sustainability Integration]

Aspek keberlanjutan dipertimbangkan melalui pemanfaatan energi air sebagai sumber energi terbarukan. Pengembangan sistem tetap perlu mempertimbangkan kondisi aliran sungai dan keberlangsungan ekosistem.

[Kriteria 31 – Communication Effectiveness]

Hasil simulasi disajikan dalam bentuk grafik sehingga hubungan antarparameter dapat dipahami secara lebih mudah dan dapat digunakan sebagai media komunikasi hasil perancangan.

[Kriteria 32 – Alignment with the DAI5 Framework]

Simulasi MATLAB merupakan bagian dari tahap Instruction Set dalam kerangka DAI5. Tahap ini dilakukan setelah masalah, tujuan, stakeholder, asumsi, dan konsep solusi ditentukan pada tahap sebelumnya.

H. HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Hasil Simulasi MATLAB

Simulasi MATLAB menghasilkan empat grafik utama yang digunakan untuk melihat hubungan antara parameter hidrolik dan performa sistem pembangkit. Grafik yang dihasilkan terdiri atas:

1. Grafik pengaruh head terhadap daya generator.
2. Grafik pengaruh debit terhadap daya generator.
3. Grafik hubungan head, debit, dan daya generator.
4. Grafik efisiensi sistem.

Pembahasan pada bagian ini difokuskan pada hasil plotting MATLAB dan interpretasi grafik, sedangkan perhitungan parameter desain telah dijelaskan pada bagian metode.

2. Grafik Pengaruh Head terhadap Daya Generator

Gambar 1. Pengaruh Head terhadap Daya Generator

Grafik pertama menunjukkan hubungan antara head dan daya generator. Sumbu horizontal menunjukkan nilai head dalam meter, sedangkan sumbu vertikal menunjukkan daya generator dalam kilowatt.

Berdasarkan grafik, terlihat bahwa daya generator mengalami peningkatan ketika head meningkat. Pada simulasi ini, debit air dipertahankan tetap sehingga perubahan daya terutama dipengaruhi oleh perubahan head.

Pada kondisi desain dengan head sebesar 50 m, daya generator yang diperoleh berada di sekitar 12 kW. Nilai tersebut menunjukkan bahwa kondisi head yang digunakan dalam desain mampu menghasilkan daya sesuai dengan target pembangkit.

Kecenderungan grafik yang meningkat menunjukkan bahwa semakin besar head yang tersedia, semakin besar pula potensi energi air yang dapat dimanfaatkan oleh Turbin Pelton.

Dengan demikian, grafik ini menunjukkan bahwa head merupakan salah satu parameter penting dalam menentukan kemampuan pembangkit menghasilkan daya listrik.

3. Grafik Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

Gambar 2. Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

Grafik kedua menunjukkan hubungan antara debit air dan daya generator. Sumbu horizontal menunjukkan debit dalam m³/s, sedangkan sumbu vertikal menunjukkan daya generator dalam kW.

Berdasarkan grafik, terlihat bahwa daya generator meningkat seiring dengan meningkatnya debit air. Pada simulasi ini, head dipertahankan sebesar 50 m sehingga perubahan daya terutama dipengaruhi oleh perubahan debit.

Pada debit sekitar 0,034 m³/s atau 34 L/s, daya generator berada di sekitar 12 kW. Kondisi tersebut merupakan titik desain yang digunakan dalam perancangan awal.

Grafik juga menunjukkan bahwa apabila debit yang tersedia lebih kecil dari nilai desain, daya generator yang dihasilkan akan menurun. Sebaliknya, peningkatan debit akan meningkatkan potensi daya selama komponen sistem mampu menerima debit tersebut.

Dengan demikian, grafik menunjukkan bahwa ketersediaan debit air merupakan faktor penting dalam menentukan daya listrik yang dapat dihasilkan oleh sistem.

4. Grafik Hubungan Head, Debit, dan Daya Generator

Gambar 3. Hubungan Head, Debit, dan Daya Generator

Grafik ketiga menunjukkan hubungan antara head, debit, dan daya generator secara bersamaan dalam bentuk tiga dimensi.

Sumbu pertama menunjukkan head, sumbu kedua menunjukkan debit, sedangkan sumbu ketiga menunjukkan daya generator. Grafik ini memberikan gambaran yang lebih menyeluruh dibandingkan dua grafik sebelumnya karena perubahan head dan debit dapat diamati secara bersamaan.

Hasil plotting menunjukkan bahwa daya generator meningkat ketika head meningkat dan ketika debit meningkat. Dengan kata lain, kombinasi head yang tinggi dan debit yang lebih besar menghasilkan potensi daya yang lebih besar.

Pada titik desain yang digunakan, yaitu head 50 m dan debit sekitar 0,034 m³/s, daya generator berada di sekitar 12 kW.

Grafik ini menunjukkan bahwa pencapaian target daya tidak hanya bergantung pada satu parameter. Head dan debit harus tersedia dalam kombinasi yang sesuai agar sistem dapat menghasilkan daya sesuai kebutuhan.

5. Grafik Efisiensi Sistem

Gambar 4. Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem

Grafik keempat menunjukkan efisiensi turbin, efisiensi generator, dan efisiensi total sistem.

Berdasarkan asumsi yang digunakan, efisiensi turbin ditetapkan sebesar 80%, sedangkan efisiensi generator sebesar 90%. Efisiensi total sistem diperoleh dari perkalian kedua efisiensi tersebut sehingga menghasilkan nilai sebesar 72%.

Grafik menunjukkan bahwa efisiensi turbin berada pada 80%, efisiensi generator berada pada 90%, dan efisiensi total sistem berada pada 72%.

Efisiensi total sebesar 72% menunjukkan bahwa dari keseluruhan energi hidrolik yang tersedia, berdasarkan model dan asumsi yang digunakan, sekitar 72% dapat dikonversikan menjadi energi listrik pada keluaran generator.

Daya hidrolik yang tersedia dalam kondisi desain adalah sekitar 16,67 kW. Setelah melewati proses konversi pada turbin dengan efisiensi 80%, diperoleh daya mekanik sekitar 13,33 kW. Selanjutnya, setelah melewati generator dengan efisiensi 90%, diperoleh daya listrik sekitar 12 kW.

Perlu ditekankan bahwa grafik efisiensi ini merupakan hasil simulasi berdasarkan asumsi efisiensi konstan, bukan hasil pengujian eksperimental. Oleh karena itu, karakteristik efisiensi aktual turbin dan generator dapat berbeda ketika sistem beroperasi pada kondisi nyata.

6. Pembahasan Hasil Simulasi

Berdasarkan keempat grafik hasil plotting MATLAB, dapat dilihat bahwa performa sistem sangat dipengaruhi oleh kondisi hidrolik yang tersedia.

Grafik head terhadap daya menunjukkan bahwa peningkatan head menghasilkan peningkatan daya generator ketika debit dijaga tetap. Sementara itu, grafik debit terhadap daya menunjukkan bahwa peningkatan debit juga menghasilkan peningkatan daya ketika head dijaga tetap.

Grafik tiga dimensi kemudian memperlihatkan hubungan kedua parameter tersebut secara bersamaan. Hasilnya menunjukkan bahwa head dan debit harus dipertimbangkan secara bersamaan dalam menentukan potensi daya pembangkit.

Pada kondisi desain yang dipilih, yaitu head 50 m dan debit sekitar 0,034 m³/s, sistem mampu mencapai target daya generator sekitar 12 kW. Sementara itu, grafik efisiensi menunjukkan bahwa dengan asumsi efisiensi turbin 80% dan generator 90%, efisiensi total sistem adalah 72%.

Secara keseluruhan, hasil plotting MATLAB menunjukkan bahwa rancangan awal memiliki potensi untuk memenuhi kebutuhan listrik yang telah ditentukan. Namun, hasil tersebut masih bersifat teoritis karena parameter yang digunakan sebagian merupakan asumsi desain awal.

I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

Kesimpulan

Berdasarkan proses perancangan dan simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa Turbin Pelton dapat digunakan sebagai konsep awal pembangkit listrik untuk memenuhi kebutuhan masyarakat sekitar sungai.

Dengan asumsi 20 rumah dan kebutuhan 500 W per rumah, kebutuhan listrik dasar diperoleh sebesar 10 kW. Target daya generator kemudian ditetapkan sebesar 12 kW.

Hasil perancangan awal dengan head 50 m menghasilkan kebutuhan debit sekitar 0,034 m³/s atau 34 L/s. Dari kondisi tersebut diperoleh daya hidrolik sekitar 16,67 kW dan daya generator sekitar 12 kW.

Hasil plotting MATLAB menunjukkan bahwa peningkatan head maupun debit akan meningkatkan daya generator. Grafik tiga dimensi menunjukkan bahwa kombinasi head dan debit menjadi faktor utama dalam menentukan kemampuan sistem menghasilkan daya.

Berdasarkan asumsi efisiensi turbin 80% dan generator 90%, diperoleh efisiensi total sistem sebesar 72%.

Penutup

Proyek ini menunjukkan bahwa pendekatan berbasis DAI5 dapat digunakan untuk mengembangkan perancangan teknik secara sistematis, mulai dari memahami permasalahan, menentukan tujuan, melakukan idealisasi, hingga melakukan simulasi dan evaluasi.

Simulasi MATLAB memberikan gambaran awal mengenai hubungan antara kondisi sumber air dan kemampuan pembangkit dalam menghasilkan energi listrik.

Rekomendasi

Tahap selanjutnya perlu dilakukan pengukuran langsung terhadap kondisi sungai, terutama head efektif, debit air, variasi debit, dan kondisi lingkungan sekitar. Data tersebut diperlukan untuk menggantikan asumsi yang digunakan dalam simulasi.

Selain itu, pengembangan berikutnya dapat mencakup perancangan lebih detail terhadap bucket Turbin Pelton, runner, nozzle, penstock, poros, generator, sistem kontrol, dan sistem proteksi.

J. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberikan dukungan, masukan, dan pengetahuan selama proses penyusunan proyek perancangan Turbin Pelton ini.

K. REFERENSI YANG DIKUTIP

U.S. Department of Energy. Types of Hydropower Turbines.

U.S. Department of Energy. Microhydropower Systems.

International Electrotechnical Commission. IEC 62006:2010 – Hydraulic Machines – Acceptance Tests for Small Hydroelectric Installations.

L. LAMPIRAN

Lampiran 1. Kode Program MATLAB

Kode MATLAB yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan menghasilkan grafik simulasi dilampirkan pada bagian ini.

clear;

clc;

close all;

%% STEP 1 – KEBUTUHAN LISTRIK

jumlah_rumah = 20;

daya_per_rumah = 500;

Pbasic = jumlah_rumah * daya_per_rumah;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 1 – KEBUTUHAN LISTRIK\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Jumlah rumah = %d rumah\n’,jumlah_rumah);

fprintf(‘Daya per rumah = %.0f W\n’,daya_per_rumah);

fprintf(‘Kebutuhan listrik dasar = %.2f kW\n\n’,Pbasic/1000);

%% STEP 2 – TARGET DAYA GENERATOR

Pgenerator = 12000;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 2 – TARGET GENERATOR\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Target daya generator = %.2f kW\n\n’,Pgenerator/1000);

%% STEP 3 – DAYA TURBIN

eta_g = 0.90;

Pturbin = Pgenerator/eta_g;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 3 – DAYA TURBIN\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Efisiensi generator = %.2f atau %.0f%%\n’,eta_g,eta_g*100);

fprintf(‘Daya turbin = %.2f kW\n\n’,Pturbin/1000);

%% STEP 4 – DEBIT AIR

rho = 1000;

g = 9.81;

H = 50;

eta_t = 0.80;

Q = Pturbin/(eta_t*rho*g*H);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 4 – DEBIT AIR\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Massa jenis air = %.0f kg/m3\n’,rho);

fprintf(‘Percepatan gravitasi = %.2f m/s2\n’,g);

fprintf(‘Head = %.2f m\n’,H);

fprintf(‘Efisiensi turbin = %.2f atau %.0f%%\n’,eta_t,eta_t*100);

fprintf(‘Debit = %.4f m3/s\n’,Q);

fprintf(‘Debit = %.2f L/s\n\n’,Q*1000);

%% STEP 5 – DAYA HIDROLIK

Ph = rho*g*Q*H;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 5 – DAYA HIDROLIK\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Daya hidrolik = %.2f kW\n\n’,Ph/1000);

%% STEP 6 – KECEPATAN JET

Cv = 0.98;

V1 = Cv*sqrt(2*g*H);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 6 – KECEPATAN JET\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Koefisien nozzle = %.2f\n’,Cv);

fprintf(‘Kecepatan jet = %.2f m/s\n\n’,V1);

%% STEP 7 – DIAMETER NOZZLE

A = Q/V1;

d = sqrt(4*A/pi);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 7 – DIAMETER NOZZLE\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Luas penampang nozzle = %.6f m2\n’,A);

fprintf(‘Diameter nozzle = %.4f m\n’,d);

fprintf(‘Diameter nozzle = %.2f mm\n\n’,d*1000);

%% STEP 8 – KECEPATAN RUNNER

Ku = 0.46;

u = Ku*V1;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 8 – KECEPATAN RUNNER\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Speed ratio = %.2f\n’,Ku);

fprintf(‘Kecepatan runner = %.2f m/s\n\n’,u);

%% STEP 9 – DIAMETER RUNNER

N = 750;

D = (60*u)/(pi*N);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 9 – DIAMETER RUNNER\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Putaran runner = %.0f rpm\n’,N);

fprintf(‘Diameter runner = %.4f m\n’,D);

fprintf(‘Diameter runner = %.2f mm\n\n’,D*1000);

%% STEP 10 – KECEPATAN SUDUT

omega = 2*pi*N/60;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 10 – KECEPATAN SUDUT\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Kecepatan sudut = %.2f rad/s\n\n’,omega);

%% STEP 11 – TORSI TURBIN

T = Pturbin/omega;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 11 – TORSI TURBIN\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Torsi turbin = %.2f Nm\n\n’,T);

%% STEP 12 – EFISIENSI TOTAL

eta_total = eta_t*eta_g;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 12 – EFISIENSI TOTAL\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Efisiensi turbin = %.2f atau %.0f%%\n’,eta_t,eta_t*100);

fprintf(‘Efisiensi generator = %.2f atau %.0f%%\n’,eta_g,eta_g*100);

fprintf(‘Efisiensi total sistem = %.2f atau %.0f%%\n’,eta_total,eta_total*100);

fprintf(‘Daya hidrolik = %.2f kW\n’,Ph/1000);

fprintf(‘Daya listrik = %.2f kW\n\n’,Pgenerator/1000);

%% STEP 13 – VERIFIKASI

Pgenerator_actual = Pturbin*eta_g;

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘STEP 13 – VERIFIKASI\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Daya hidrolik = %.2f kW\n’,Ph/1000);

fprintf(‘Daya turbin = %.2f kW\n’,Pturbin/1000);

fprintf(‘Daya generator = %.2f kW\n’,Pgenerator_actual/1000);

fprintf(‘Kebutuhan dasar = %.2f kW\n’,Pbasic/1000);

fprintf(‘Target generator = %.2f kW\n\n’,Pgenerator/1000);

%% STEP 14 – RINGKASAN

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘RINGKASAN HASIL PERANCANGAN\n’);

fprintf(‘========================================\n’);

fprintf(‘Jumlah rumah = %d rumah\n’,jumlah_rumah);

fprintf(‘Kebutuhan dasar = %.2f kW\n’,Pbasic/1000);

fprintf(‘Target generator = %.2f kW\n’,Pgenerator/1000);

fprintf(‘Head = %.2f m\n’,H);

fprintf(‘Debit = %.2f L/s\n’,Q*1000);

fprintf(‘Daya hidrolik = %.2f kW\n’,Ph/1000);

fprintf(‘Daya turbin = %.2f kW\n’,Pturbin/1000);

fprintf(‘Kecepatan jet = %.2f m/s\n’,V1);

fprintf(‘Diameter nozzle = %.2f mm\n’,d*1000);

fprintf(‘Putaran runner = %.0f rpm\n’,N);

fprintf(‘Diameter runner = %.2f mm\n’,D*1000);

fprintf(‘Torsi turbin = %.2f Nm\n’,T);

fprintf(‘Efisiensi total = %.0f%%\n’,eta_total*100);

fprintf(‘Daya generator = %.2f kW\n’,Pgenerator_actual/1000);

%% STEP 15 – GRAFIK HEAD TERHADAP DAYA

H_range = 20:5:100;

Ph_range = rho*g*Q.*H_range;

Pturbine_range = eta_t.*Ph_range;

Pgenerator_range = eta_g.*Pturbine_range;

figure;

plot(H_range,Pgenerator_range/1000,’LineWidth’,2);

grid on;

xlabel(‘Head H (m)’);

ylabel(‘Daya Generator (kW)’);

title(‘Pengaruh Head terhadap Daya Generator’);

%% STEP 16 – GRAFIK DEBIT TERHADAP DAYA

Q_range = 0.005:0.002:0.060;

Ph_range = rho*g.*Q_range.*H;

Pturbine_range = eta_t.*Ph_range;

Pgenerator_range = eta_g.*Pturbine_range;

figure;

plot(Q_range,Pgenerator_range/1000,’LineWidth’,2);

grid on;

xlabel(‘Debit Q (m3/s)’);

ylabel(‘Daya Generator (kW)’);

title(‘Pengaruh Debit terhadap Daya Generator’);

%% STEP 17 – GRAFIK 3D

H_range = 20:5:100;

Q_range = 0.005:0.002:0.060;

[H_grid,Q_grid] = meshgrid(H_range,Q_range);

Ph_grid = rho*g.*Q_grid.*H_grid;

Pgenerator_grid = eta_t*eta_g.*Ph_grid;

figure;

surf(H_grid,Q_grid,Pgenerator_grid/1000);

xlabel(‘Head H (m)’);

ylabel(‘Debit Q (m3/s)’);

zlabel(‘Daya Generator (kW)’);

title(‘Hubungan Head, Debit dan Daya Generator’);

grid on;

%% STEP 18 – GRAFIK EFISIENSI SISTEM

beban = 2:2:12;

efisiensi_turbin = eta_t*ones(size(beban))*100;

efisiensi_generator = eta_g*ones(size(beban))*100;

efisiensi_total = eta_total*ones(size(beban))*100;

figure;

plot(beban,efisiensi_turbin,’LineWidth’,2);

hold on;

plot(beban,efisiensi_generator,’LineWidth’,2);

plot(beban,efisiensi_total,’LineWidth’,2);

grid on;

xlabel(‘Daya Beban (kW)’);

ylabel(‘Efisiensi (%)’);

title(‘Efisiensi Sistem Turbin Pelton’);

legend(‘Efisiensi Turbin’,’Efisiensi Generator’,’Efisiensi Total’,’Location’,’best’);

Lampiran 2. Hasil Simulasi MATLAB

Hasil simulasi MATLAB terdiri dari:

Gambar 1. Pengaruh Head terhadap Daya Generator

Gambar 2. Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

Gambar 3. Hubungan Head, Debit, dan Daya Generator

Gambar 4. Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem

[Kriteria 33 – Documentation Quality]

Seluruh proses perancangan, asumsi, perhitungan, simulasi MATLAB, hasil plotting, interpretasi grafik, dan kesimpulan didokumentasikan secara sistematis sehingga proses perancangan dapat ditelusuri dan dikembangkan kembali pada tahap berikutnya.