A. PROJECT TITLE

Perancangan dan Analisis Kinerja Turbin Cross-flow pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

---

B. AUTHOR COMPLETE NAME

Dhipati Bara Dwinanto

NPM: 2406430174

---

C. AFFILIATION

Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Indonesia

---

D. ABSTRACT

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan salah satu teknologi pemanfaatan energi terbarukan yang memanfaatkan energi potensial dan kinetik air untuk menghasilkan energi listrik. Salah satu jenis turbin yang sesuai untuk aplikasi hidro skala kecil adalah turbin Cross-flow atau Banki karena memiliki konstruksi yang relatif sederhana, mudah diproduksi, dan dapat digunakan pada berbagai kondisi head dan debit. Pada proyek ini dilakukan perancangan dan analisis awal turbin Cross-flow dengan menggunakan parameter desain berupa head efektif sebesar 20 m dan debit air sebesar 0,10 m³/s. Metode perancangan dilakukan melalui perhitungan energi hidrolik, daya turbin, kecepatan aliran, parameter runner, serta estimasi daya listrik yang dapat dihasilkan. Perancangan juga mempertimbangkan asumsi idealisasi, aspek efisiensi, kesederhanaan konstruksi, keberlanjutan, dan kebutuhan validasi. Berdasarkan perhitungan awal, energi hidrolik yang tersedia adalah 19,62 kW. Dengan asumsi efisiensi turbin sebesar 80%, daya mekanik turbin diperkirakan sebesar 15,70 kW. Dengan efisiensi generator sebesar 90%, daya listrik teoritis yang dapat dihasilkan sekitar 14,13 kW. Hasil tersebut menunjukkan bahwa turbin Cross-flow berpotensi digunakan sebagai sistem konversi energi untuk PLTMH skala kecil. Perancangan selanjutnya perlu divalidasi menggunakan simulasi numerik maupun pengujian eksperimental agar performa aktual dapat dibandingkan dengan hasil teoritis.

Kata kunci: Cross-flow turbine, Banki turbine, PLTMH, energi hidro, turbin air, energi terbarukan.

---

E. AUTHOR DECLARATION

1. Deep Awareness (of) I

Perancangan suatu sistem energi tidak hanya merupakan proses perhitungan teknis, tetapi juga merupakan bentuk tanggung jawab manusia dalam memanfaatkan sumber daya yang tersedia. Dalam proyek ini, penulis menyadari bahwa kemampuan manusia untuk memahami hukum fisika dan mengembangkan teknologi merupakan bagian dari amanah untuk memanfaatkan sumber daya alam secara bijaksana.

Kesadaran terhadap keberadaan Sang Pencipta menjadi landasan dalam proses perancangan. Energi air yang digunakan dalam proyek ini dipandang sebagai sumber daya yang harus dimanfaatkan secara bertanggung jawab, bukan hanya untuk mencapai nilai daya keluaran yang tinggi, tetapi juga dengan mempertimbangkan keselamatan, keberlanjutan lingkungan, serta manfaat bagi masyarakat.

Penulis juga menyadari adanya keterbatasan dalam proses perancangan. Data yang digunakan pada tahap awal merupakan data asumsi sehingga hasil desain tidak dapat langsung dianggap sebagai kondisi aktual suatu lokasi. Oleh karena itu, diperlukan verifikasi, validasi, dan evaluasi lebih lanjut.

Self-awareness

Dalam melakukan analisis, penulis menyadari bahwa terdapat kemungkinan adanya bias dalam pemilihan asumsi dan parameter desain. Pemilihan turbin Cross-flow dilakukan dengan mempertimbangkan kesederhanaan konstruksi dan kemudahan analisis, sehingga hasil rancangan perlu dibandingkan dengan literatur dan metode desain yang telah dikembangkan sebelumnya.

Ethical Considerations

Aspek etika dalam proyek meliputi penggunaan sumber daya air secara bertanggung jawab, keselamatan pengguna dan operator, penggunaan material yang sesuai, serta pengurangan dampak negatif terhadap lingkungan.

Integration of CCIT

Kesadaran untuk mengingat Sang Pencipta dipertahankan selama proses perancangan dengan menempatkan kemampuan manusia dalam memahami dan memanfaatkan fenomena alam sebagai bentuk tanggung jawab, bukan semata-mata sebagai pencapaian teknis.

Critical Reflection

Efisiensi turbin tidak hanya dipandang sebagai angka performa. Peningkatan efisiensi berarti semakin besar bagian energi air yang dapat dimanfaatkan tanpa meningkatkan debit secara berlebihan. Dengan demikian, optimasi turbin dapat memberikan manfaat terhadap efisiensi pemanfaatan sumber daya.

---

2. INTENTION OF THE PROJECT ACTIVITY

Intensi utama proyek ini adalah merancang suatu turbin Cross-flow yang mampu mengonversi energi air menjadi energi mekanik secara efektif dan selanjutnya menghasilkan energi listrik melalui generator.

Secara khusus, proyek bertujuan untuk:

1. Menentukan potensi daya hidrolik berdasarkan head dan debit.
2. Menentukan parameter dasar turbin Cross-flow.
3. Merancang parameter utama runner dan sistem nozzle.
4. Mengestimasi daya mekanik dan daya listrik yang dapat dihasilkan.
5. Menganalisis efisiensi sistem konversi energi.
6. Menghasilkan rancangan yang sederhana, dapat diproduksi, dan berpotensi diterapkan pada PLTMH.
7. Mempertimbangkan aspek lingkungan, keselamatan, keberlanjutan, dan keandalan dalam proses desain.

Intensi tersebut diarahkan agar solusi teknik yang dihasilkan tidak hanya berorientasi terhadap performa, tetapi juga terhadap pemanfaatan energi terbarukan secara bertanggung jawab.

---

F. INTRODUCTION

1. Latar Belakang

Kebutuhan energi listrik terus meningkat seiring dengan perkembangan aktivitas manusia, industri, dan teknologi. Kondisi tersebut mendorong pengembangan sumber energi alternatif yang dapat mengurangi ketergantungan terhadap sumber energi fosil. Salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan adalah energi air.

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro merupakan sistem pembangkit yang memanfaatkan energi air dengan skala daya relatif kecil. Sistem tersebut dapat diterapkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan perbedaan elevasi dan debit yang memadai.

Salah satu komponen paling penting dalam PLTMH adalah turbin. Turbin berfungsi mengubah energi hidrolik menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran tersebut kemudian digunakan untuk menggerakkan generator sehingga energi mekanik dapat dikonversi menjadi energi listrik.

Turbin Cross-flow atau Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls/reaksi yang memiliki konfigurasi runner berbentuk silinder dengan sejumlah sudu melengkung. Air diarahkan melalui nozzle menuju runner dan melewati runner dari bagian luar menuju bagian dalam. Salah satu karakteristik uniknya adalah aliran dapat memberikan energi kepada runner dalam dua tahap sebelum keluar dari turbin.

Literatur menunjukkan bahwa turbin Banki memiliki konstruksi yang sederhana dan fleksibel sehingga sesuai untuk aplikasi hidro skala kecil. Salah satu kajian literatur terbaru melaporkan bahwa efisiensi maksimum yang umum digunakan dalam desain Cross-flow berada sekitar 80%, walaupun desain tertentu dapat menghasilkan nilai lebih tinggi.

Kinerja turbin Cross-flow dipengaruhi oleh berbagai parameter geometris, antara lain diameter runner, rasio diameter, jumlah sudu, sudut sudu, nozzle, dan kondisi masuk aliran. Oleh karena itu, perancangan parameter tersebut menjadi bagian penting dalam memperoleh performa turbin yang baik.

---

2. Initial Thinking about the Problem

2.1 Identifikasi Masalah

Permasalahan utama yang dibahas dalam proyek ini adalah:

Bagaimana merancang turbin Cross-flow yang mampu memanfaatkan energi air dengan head dan debit tertentu secara efektif sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang sesuai untuk sistem PLTMH skala kecil?

Berdasarkan permasalahan tersebut, terdapat beberapa kebutuhan teknis:

• menentukan daya hidrolik yang tersedia;
• memilih konfigurasi turbin;
• menentukan dimensi runner;
• menentukan karakteristik nozzle;
• menentukan jumlah dan geometri sudu;
• menentukan kecepatan putar;
• menentukan torsi;
• menentukan daya mekanik;
• menentukan generator yang sesuai.

2.2 Stakeholder Awareness

Pihak-pihak yang berkepentingan terhadap sistem meliputi:

Stakeholder	Kepentingan
Pengguna listrik	Mendapatkan energi listrik yang andal
Operator	Sistem aman dan mudah dirawat
Perancang	Desain memenuhi persyaratan teknis
Masyarakat	Mendapat manfaat energi dan ekonomi
Lingkungan	Tidak mengalami kerusakan yang tidak diperlukan
Produsen	Komponen dapat diproduksi dengan biaya wajar

2.3 Root Cause Analysis

Permasalahan energi listrik pada lokasi yang memiliki potensi air dapat dipandang dari rantai berikut:

Sumber air → memiliki head dan debit → mengandung energi hidrolik → energi belum dimanfaatkan secara optimal → diperlukan sistem konversi → diperlukan turbin yang sesuai → energi mekanik digunakan untuk generator.

Dengan demikian, akar permasalahan teknik bukan hanya kekurangan energi listrik, tetapi bagaimana mengubah potensi energi hidrolik yang tersedia menjadi energi listrik dengan kehilangan energi seminimal mungkin.

2.4 Data dan Evidence

Data awal yang digunakan dalam perancangan adalah data asumsi desain sebagai berikut:

Parameter	Simbol	Nilai
Head efektif	H	20 m
Debit	Q	0,10 m³/s
Massa jenis air	ρ	1000 kg/m³
Gravitasi	g	9,81 m/s²
Efisiensi turbin awal	ηt	80%
Efisiensi generator	ηg	90%

Nilai efisiensi 80% digunakan sebagai target desain awal dan bukan sebagai klaim performa aktual. Literatur menunjukkan bahwa efisiensi Cross-flow sangat bergantung pada geometri runner dan nozzle.

---

G. METHODS & PROCEDURES

1. Metode Perancangan

Metode perancangan dilakukan melalui tahapan:

1. Menentukan data awal.
2. Menghitung energi hidrolik.
3. Menentukan daya target.
4. Menentukan parameter aliran.
5. Menentukan dimensi utama runner.
6. Menentukan rasio diameter runner.
7. Menentukan jumlah sudu.
8. Menentukan sudut sudu.
9. Menentukan kecepatan putar.
10. Menghitung torsi.
11. Menentukan kebutuhan generator.
12. Mengevaluasi efisiensi.
13. Melakukan verifikasi hasil.
14. Melakukan evaluasi dan iterasi.

---

2. IDEALIZATION

Agar perhitungan dapat dilakukan dengan model yang sederhana, digunakan beberapa asumsi.

Asumsi desain

1. Air dianggap incompressible.
2. Massa jenis air dianggap konstan sebesar 1000 kg/m³.
3. Gravitasi dianggap 9,81 m/s².
4. Head efektif sebesar 20 m telah memperhitungkan kehilangan utama pada sistem penyaluran air.
5. Debit dianggap konstan pada kondisi desain.
6. Efisiensi turbin awal ditetapkan sebesar 80%.
7. Efisiensi generator ditetapkan sebesar 90%.
8. Poros dianggap rigid pada perhitungan awal.
9. Gesekan mekanis tidak dihitung secara detail pada tahap awal.
10. Aliran dianggap steady-state.
11. Tidak terjadi kebocoran signifikan pada casing.
12. Analisis tegangan detail pada sudu dan poros berada di luar perhitungan awal dan perlu dilakukan pada tahap validasi mekanik.

Asumsi tersebut digunakan untuk menghasilkan model desain awal yang sederhana dan dapat dihitung secara analitis.

---

3. Perhitungan Daya Hidrolik

Energi potensial air dapat dihitung menggunakan:$$P_h=\rho g Q H$$

Dengan:$$\rho=1000\ kg/m^3$$$$g=9,81\ m/s^2$$$$Q=0,10\ m^3/s$$$$H=20\ m$$

Maka:$$P_h=(1000)(9,81)(0,10)(20)$$$$\boxed{P_h=19.620\ W}$$

atau:$$\boxed{P_h=19,62\ kW}$$

Dengan demikian, potensi daya hidrolik yang tersedia adalah 19,62 kW.

---

4. Estimasi Daya Turbin

Daya mekanik turbin dihitung menggunakan:$$P_t=\eta_t P_h$$

Dengan:$$\eta_t=0,80$$

maka:$$P_t=(0,80)(19,62)$$$$\boxed{P_t=15,696\ kW}$$

Sehingga daya mekanik target turbin adalah sekitar:$$\boxed{P_t\approx15,70\ kW}$$

---

5. Estimasi Daya Listrik

Jika efisiensi generator:$$\eta_g=0,90$$

maka:$$P_e=P_t\eta_g$$$$P_e=(15,696)(0,90)$$$$\boxed{P_e=14,1264\ kW}$$

atau sekitar:$$\boxed{P_e\approx14,13\ kW}$$

Efisiensi keseluruhan:$$\eta_{overall}=\eta_t\eta_g$$$$\eta_{overall}=0,80(0,90)$$$$\boxed{\eta_{overall}=72\%}$$

---

6. Kecepatan Jet

Kecepatan teoritis air dari head dapat dihitung:$$V_j=\sqrt{2gH}$$$$V_j=\sqrt{2(9,81)(20)}$$$$V_j=19,81\ m/s$$

Karena terdapat kerugian pada nozzle, digunakan koefisien kecepatan:$$C_v=0,98$$

sehingga:$$V_j=C_v\sqrt{2gH}$$$$V_j=(0,98)(19,81)$$$$\boxed{V_j\approx19,42\ m/s}$$

Nilai ini merupakan estimasi kecepatan jet pada kondisi desain.

Desain nozzle sangat penting karena nozzle bertugas mengubah head menjadi energi kinetik dan mengarahkan aliran menuju runner. Penelitian menunjukkan bahwa perubahan desain nozzle dapat memberikan pengaruh besar terhadap efisiensi Cross-flow.

---

7. Penentuan Parameter Runner

Dalam desain awal digunakan rasio diameter dalam terhadap diameter luar:$$\frac{D_i}{D_o}=0,68$$

Rasio sekitar 0,68 telah digunakan dalam berbagai studi Cross-flow dan termasuk parameter penting dalam desain runner.

Untuk tahap awal, digunakan:$$D_o=0,30\ m$$

sehingga:$$D_i=0,68D_o$$$$D_i=0,68(0,30)$$$$\boxed{D_i=0,204\ m}$$

Jadi:

• Diameter luar runner = 300 mm
• Diameter dalam runner = 204 mm

Nilai ini merupakan rancangan awal dan dapat diiterasikan setelah perhitungan kecepatan spesifik dan rasio kecepatan selesai.

---

8. Penentuan Kecepatan Putar

Kecepatan putar runner berkaitan dengan kecepatan keliling runner.

Kecepatan keliling:$$U=\frac{\pi D_oN}{60}$$

Untuk desain awal digunakan rasio kecepatan sekitar:$$\phi=\frac{U}{V_j}=0,50$$

Nilai sekitar 0,5 sesuai dengan rentang rasio kecepatan yang banyak digunakan dalam studi desain Cross-flow.

Maka:$$U=0,50(19,42)$$$$U=9,71\ m/s$$

Sehingga:$$N=\frac{60U}{\pi D_o}$$$$N=\frac{60(9,71)}{\pi(0,30)}$$$$\boxed{N\approx618\ rpm}$$

Dengan demikian, kecepatan putar desain awal runner adalah sekitar:$$\boxed{618\ rpm}$$

---

9. Jumlah Sudu

Jumlah sudu merupakan salah satu parameter penting karena memengaruhi interaksi antara jet dan runner.

Literatur menunjukkan bahwa nilai optimal jumlah sudu dapat berbeda bergantung pada konfigurasi turbin. Beberapa penelitian melaporkan performa tinggi pada kisaran sekitar 20–35 sudu.

Untuk desain awal dipilih:$$\boxed{Z=24\ sudu}$$

Pemilihan 24 sudu memberikan kompromi antara:

• jumlah interaksi aliran dengan sudu,
• kompleksitas manufaktur,
• massa runner,
• kemungkinan gangguan aliran,
• dan kemudahan pembuatan.

Jumlah sudu ini nantinya dapat diuji melalui analisis iteratif.

---

10. Sudut Sudu

Sudut sudu memiliki pengaruh langsung terhadap arah relatif aliran.

Sebagai desain awal digunakan:$$\beta_1=30^\circ$$

untuk sudut masuk sudu dan:$$\beta_2=90^\circ$$

untuk sudut keluar.

Nilai sudut sekitar 30° untuk sudut luar dan konfigurasi sudut keluar mendekati 90° telah digunakan pada penelitian Cross-flow.

Pemilihan sudut tersebut bertujuan agar aliran dapat memasuki runner dengan arah yang sesuai dan keluar dengan kehilangan energi yang relatif rendah.

---

11. Torsi Turbin

Hubungan daya, torsi, dan kecepatan sudut adalah:$$P=T\omega$$

Kecepatan sudut:$$\omega=\frac{2\pi N}{60}$$

Dengan:$$N=618\ rpm$$

maka:$$\omega=\frac{2\pi(618)}{60}$$$$\omega\approx64,72\ rad/s$$

Dengan daya turbin:$$P=15.696\ W$$

maka:$$T=\frac{P}{\omega}$$$$T=\frac{15696}{64,72}$$$$\boxed{T\approx242,5\ Nm}$$

Dengan demikian, torsi desain awal pada poros sekitar:$$\boxed{242,5\ Nm}$$

Nilai tersebut akan digunakan sebagai salah satu parameter untuk desain poros dan pemeriksaan mekanis.

---

12. Perkiraan Lebar Runner

Debit dapat dihubungkan dengan luas penampang aliran:$$Q=A V$$

Pada desain awal, luas penampang jet dapat diestimasi:$$A_j=\frac{Q}{V_j}$$$$A_j=\frac{0,10}{19,42}$$$$A_j=0,00515\ m^2$$

Jika tinggi bukaan jet awal dipilih:$$h_j=0,10\ m$$

maka lebar nozzle:$$B_n=\frac{A_j}{h_j}$$$$B_n=\frac{0,00515}{0,10}$$$$\boxed{B_n\approx0,0515\ m}$$

atau:$$\boxed{B_n\approx52\ mm}$$

Lebar runner kemudian perlu disesuaikan dengan geometri nozzle dan distribusi aliran sehingga tidak seluruh lebar runner menerima aliran secara tidak seragam.

---

13. Parameter Desain Awal

Hasil perancangan awal dirangkum sebagai berikut:

Parameter	Nilai
Jenis turbin	Cross-flow / Banki
Head efektif	20 m
Debit	0,10 m³/s
Daya hidrolik	19,62 kW
Efisiensi turbin target	80%
Daya mekanik turbin	15,70 kW
Efisiensi generator	90%
Daya listrik estimasi	14,13 kW
Efisiensi keseluruhan	72%
Kecepatan jet	19,42 m/s
Diameter luar runner	300 mm
Diameter dalam runner	204 mm
Rasio diameter	0,68
Kecepatan putar	±618 rpm
Jumlah sudu	24
Sudut masuk sudu	30°
Sudut keluar sudu	90°
Torsi desain	±242,5 Nm
Lebar nozzle awal	±52 mm

---

14. Instruction Set

Tahapan implementasi rancangan adalah:

Tahap 1 — Penentuan data

Menentukan:

• head,
• debit,
• massa jenis,
• gravitasi,
• target daya.

Tahap 2 — Analisis energi

Menghitung:$$P_h=\rho gQH$$

Kemudian menentukan target daya turbin dan generator.

Tahap 3 — Analisis aliran

Menentukan:

• kecepatan jet,
• koefisien nozzle,
• arah aliran,
• luas penampang nozzle.

Tahap 4 — Perancangan runner

Menentukan:

• diameter luar,
• diameter dalam,
• jumlah sudu,
• sudut sudu,
• lebar runner,
• kecepatan putar.

Tahap 5 — Analisis mekanik

Menentukan:

• torsi,
• daya poros,
• diameter poros,
• material,
• faktor keamanan.

Tahap 6 — Pemilihan generator

Generator dipilih berdasarkan:

• daya minimal,
• kecepatan putar,
• torsi,
• karakteristik beban.

Tahap 7 — Validasi

Hasil analitis dibandingkan dengan:

• literatur,
• simulasi CFD,
• atau pengujian prototipe apabila tersedia.

---

15. Error Minimization

Beberapa langkah untuk mengurangi kesalahan adalah:

1. Menggunakan satuan SI secara konsisten.
2. Melakukan pemeriksaan dimensi pada setiap persamaan.
3. Menggunakan sumber literatur yang relevan.
4. Melakukan perhitungan ulang menggunakan spreadsheet.
5. Membandingkan hasil dengan rentang parameter yang dilaporkan dalam penelitian.
6. Melakukan sensitivity analysis terhadap head, debit, diameter, dan kecepatan.
7. Melakukan simulasi apabila perangkat lunak tersedia.

---

16. Verification and Validation

Verifikasi dilakukan dengan memastikan bahwa persamaan dan prosedur perhitungan telah diterapkan dengan benar.

Contoh verifikasi:$$P_h=\rho gQH$$

harus menghasilkan satuan:$$\frac{kg}{m^3} \frac{m}{s^2} \frac{m^3}{s} m = \frac{kg\,m^2}{s^3} =W$$

Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil desain terhadap penelitian terdahulu.

Literatur menunjukkan bahwa Cross-flow memiliki rentang performa yang cukup luas tergantung konfigurasi. Salah satu studi review menyatakan efisiensi maksimum tipikal sekitar 80%, sementara penelitian tertentu dengan optimasi nozzle dan runner dapat memperoleh nilai yang lebih tinggi.

Oleh karena itu, efisiensi 80% dalam proyek ini diperlakukan sebagai target desain awal, bukan sebagai hasil eksperimen.

---

17. Iterative Approach

Rancangan tidak dianggap sebagai hasil final pada iterasi pertama.

Parameter yang dapat dioptimasi meliputi:

• diameter runner,
• rasio diameter,
• jumlah sudu,
• sudut sudu,
• lebar nozzle,
• sudut nozzle,
• kecepatan putar.

Sebagai contoh, dapat dilakukan tiga variasi jumlah sudu:

Model	Jumlah sudu
A	20
B	24
C	28

Kemudian setiap konfigurasi dibandingkan berdasarkan:

• daya,
• torsi,
• efisiensi,
• distribusi aliran,
• dan kemudahan manufaktur.

Pendekatan seperti ini sejalan dengan penelitian yang menunjukkan bahwa perubahan jumlah sudu dan geometri runner dapat memberikan perubahan terhadap efisiensi dan daya Cross-flow.

---

H. RESULTS & DISCUSSION

1. Hasil Utama

Berdasarkan perhitungan awal, sistem memiliki potensi energi hidrolik sebesar:$$\boxed{19,62\ kW}$$

Dengan efisiensi turbin 80%, diperoleh:$$\boxed{15,70\ kW}$$

daya mekanik.

Setelah memperhitungkan efisiensi generator 90%, daya listrik teoritis menjadi:$$\boxed{14,13\ kW}$$

Hasil tersebut menunjukkan bahwa sebagian besar energi yang tersedia secara teoritis dapat dikonversi menjadi energi mekanik dan kemudian listrik.

---

2. Interpretasi Fisik

Head sebesar 20 m menunjukkan adanya energi potensial gravitasi air yang cukup untuk menghasilkan jet dengan kecepatan sekitar 19,42 m/s setelah memperhitungkan koefisien kecepatan nozzle.

Jet tersebut diarahkan menuju runner. Ketika air mengenai sudu, momentum aliran berubah sehingga menghasilkan gaya tangensial pada runner. Gaya tersebut menghasilkan torsi dan menyebabkan runner berputar.

Pada turbin Cross-flow, air melewati runner dalam dua tahap. Karakteristik tersebut menjadi salah satu keunikan turbin Cross-flow dibandingkan beberapa konfigurasi turbin lainnya.

---

3. Pengaruh Nozzle

Nozzle merupakan komponen penting karena menentukan bagaimana energi head diubah menjadi energi kinetik dan bagaimana jet diarahkan ke runner.

Jika arah jet tidak sesuai dengan sudut sudu, sebagian energi dapat hilang sehingga torsi dan efisiensi berkurang.

Penelitian mengenai desain nozzle Cross-flow menunjukkan bahwa optimasi nozzle dapat memberikan peningkatan efisiensi yang signifikan.

Dengan demikian, rancangan nozzle tidak boleh dianggap hanya sebagai saluran air biasa.

---

4. Pengaruh Jumlah Sudu

Jumlah sudu memengaruhi frekuensi interaksi antara air dengan runner.

Jumlah sudu yang terlalu sedikit dapat menyebabkan interaksi aliran tidak optimal, sedangkan jumlah yang terlalu banyak dapat meningkatkan kompleksitas runner dan berpotensi meningkatkan gangguan aliran.

Karena itu, 24 sudu digunakan sebagai nilai awal dan sebaiknya dibandingkan dengan beberapa variasi melalui analisis iteratif.

Studi sebelumnya menunjukkan adanya pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi Cross-flow, dengan hasil optimum yang berbeda bergantung pada geometri dan kondisi operasi.

---

5. Pengaruh Rasio Diameter

Rasio:$$\frac{D_i}{D_o}=0,68$$

dipilih berdasarkan rentang parameter yang banyak digunakan dalam literatur.

Perubahan rasio diameter dapat mengubah karakteristik aliran di dalam runner dan distribusi torsi antara tahap pertama dan kedua. Penelitian sebelumnya juga menunjukkan bahwa rasio diameter merupakan salah satu parameter penting dalam menentukan performa runner.

---

6. Analisis Efisiensi

Efisiensi keseluruhan sistem diperkirakan:$$\eta_{overall}=72\%$$

Nilai tersebut berasal dari:$$80\%\times90\%=72\%$$

Nilai aktual dapat lebih rendah karena adanya:

• kehilangan nozzle,
• kehilangan akibat turbulensi,
• gesekan pada bearing,
• windage,
• kebocoran,
• losses pada generator,
• dan ketidaksesuaian kondisi operasi dengan kondisi desain.

Oleh karena itu, hasil 14,13 kW harus dipandang sebagai estimasi teoritis pada kondisi desain.

---

7. Sustainability Analysis

Turbin Cross-flow memiliki potensi untuk digunakan pada sistem pembangkit skala kecil karena konstruksinya relatif sederhana dan dapat dibuat dengan teknologi manufaktur yang lebih sederhana dibandingkan beberapa turbin hidro berukuran besar.

Pemanfaatan energi air dapat mengurangi kebutuhan penggunaan sumber energi fosil selama sumber air dikelola dengan baik.

Namun, keberlanjutan tidak hanya ditentukan oleh efisiensi turbin. Sistem harus mempertimbangkan:

• kontinuitas debit,
• kondisi ekosistem sungai,
• sedimentasi,
• kebutuhan masyarakat sekitar,
• umur komponen,
• perawatan,
• dan biaya siklus hidup.

Kajian literatur juga menempatkan Cross-flow sebagai salah satu teknologi yang menarik untuk lokasi hidro skala kecil karena kombinasi kesederhanaan dan fleksibilitasnya.

---

8. Scalability and Adaptability

Konsep rancangan dapat dikembangkan untuk kondisi operasi berbeda dengan mengubah:

• diameter runner,
• lebar runner,
• diameter nozzle,
• jumlah nozzle,
• kecepatan putar,
• atau rasio diameter.

Dengan demikian, konsep dasar tidak hanya dapat digunakan untuk satu sistem, tetapi dapat dikembangkan untuk kondisi head dan debit yang berbeda.

---

I. CONCLUSION, CLOSING REMARKS, RECOMMENDATIONS

1. Conclusion

Berdasarkan proses perancangan awal, turbin Cross-flow dipilih sebagai sistem konversi energi karena memiliki konstruksi yang relatif sederhana dan sesuai untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga mikrohidro.

Dengan data desain berupa head efektif 20 m dan debit 0,10 m³/s, diperoleh potensi daya hidrolik sebesar:$$\boxed{19,62\ kW}$$

Dengan asumsi efisiensi turbin sebesar 80%, diperoleh daya mekanik sekitar:$$\boxed{15,70\ kW}$$

dan dengan efisiensi generator sebesar 90%, diperoleh estimasi daya listrik:$$\boxed{14,13\ kW}$$

Rancangan awal menggunakan diameter luar runner 300 mm, diameter dalam 204 mm, jumlah sudu 24, rasio diameter 0,68, dan kecepatan putar sekitar 618 rpm.

Hasil tersebut menunjukkan bahwa rancangan Cross-flow secara teoritis mampu digunakan untuk sistem PLTMH dengan spesifikasi yang ditetapkan.

Namun, nilai tersebut masih merupakan hasil perhitungan awal berdasarkan asumsi. Performanya harus divalidasi melalui simulasi atau eksperimen sebelum dapat digunakan sebagai desain final.

---

2. Closing Remarks

Proyek ini menunjukkan bahwa proses perancangan mesin energi tidak hanya membutuhkan kemampuan menghitung, tetapi juga membutuhkan kesadaran terhadap asumsi, keterbatasan model, dampak lingkungan, keselamatan, serta manfaat teknologi bagi masyarakat.

Pemanfaatan energi air merupakan salah satu bentuk pemanfaatan sumber daya alam yang perlu dilakukan secara bertanggung jawab. Oleh karena itu, desain yang baik tidak hanya mengejar daya maksimum, tetapi juga mempertimbangkan efisiensi, keandalan, kesederhanaan, keberlanjutan, dan keselamatan.

Kesadaran tersebut menjadi bagian dari penerapan DAI5 dalam keseluruhan proses perancangan.

---

3. Recommendations

Untuk pengembangan selanjutnya, disarankan:

1. Menggunakan data head dan debit aktual dari lokasi.
2. Melakukan desain nozzle secara lebih detail.
3. Melakukan analisis segitiga kecepatan.
4. Melakukan analisis tegangan pada runner dan poros.
5. Melakukan simulasi CFD.
6. Melakukan optimasi jumlah dan sudut sudu.
7. Melakukan analisis variasi debit.
8. Melakukan pemilihan generator berdasarkan karakteristik aktual turbin.
9. Membuat model CAD tiga dimensi.
10. Melakukan pengujian prototipe untuk mendapatkan efisiensi aktual.

---

J. ACKNOWLEDGMENTS

Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi yang telah memberikan arahan dan kesempatan untuk mengembangkan perancangan sistem konversi energi melalui tugas besar ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia serta seluruh pihak yang memberikan dukungan dalam proses pembelajaran dan penyusunan proyek.

---

K. REFERENCES — LITERATURE CITED

Adhikari, R. C., & Wood, D. H. (2018). A new nozzle design methodology for high efficiency crossflow hydro turbines. Energy for Sustainable Development, 41, 139–148. https://doi.org/10.1016/j.esd.2017.09.004

Elbatran, A. H., Yaakob, O. B., Ahmed, Y. M., & Shehata, A. S. (2018). Numerical and experimental investigations on efficient design of hydrokinetic Banki cross flow turbine for rural areas. Ocean Engineering, 159, 437–456. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.04.042

Quaranta, E., Perrier, J. P., & Revelli, R. (2022). Optimal design process of crossflow Banki turbines: Literature review and novel expeditious equations. Ocean Engineering, 257, 111582. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.111582

Du, J., Shen, Z., & Yang, H. (2020). Study on the effects of runner geometries on the performance of inline cross-flow turbine used in water pipelines. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 40, 100762.

Design and implementation of a crossflow turbine for pico hydropower electricity generation. (2020). Heliyon, 6(7), e04523. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04523

Numerical analysis and performance enhancement of a cross-flow hydro turbine. (2015). Renewable Energy, 80, 819–826. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.01.064

A comprehensive review on Crossflow turbine for hydropower applications. (2021). Ocean Engineering.

---

L. APPENDICES

Appendix A — Data Awal

Parameter	Nilai
Head	20 m
Debit	0,10 m³/s
ρ	1000 kg/m³
g	9,81 m/s²
η turbin	80%
η generator	90%

Appendix B — Hasil Perhitungan

$$P_h=19,62\ kW$$$$P_t=15,70\ kW$$$$P_e=14,13\ kW$$$$V_j=19,42\ m/s$$$$D_o=300\ mm$$$$D_i=204\ mm$$$$N\approx618\ rpm$$$$T\approx242,5\ Nm$$

Appendix C — Parameter Runner

• Diameter luar: 300 mm
• Diameter dalam: 204 mm
• Jumlah sudu: 24
• Sudut masuk: 30°
• Sudut keluar: 90°
• Rasio diameter: 0,68

Appendix D — Rencana Gambar Teknik

Gambar yang disarankan untuk dilampirkan:

1. Diagram sistem PLTMH.
2. Tampak depan runner.
3. Tampak samping turbin.
4. Detail geometri sudu.
5. Detail nozzle.
6. Poros dan bearing.
7. Housing/casing.
8. Assembly turbin.
9. Diagram aliran air.
10. Model CAD 3D.

Appendix E — Pemetaan 33 Kriteria DAI5

No.	Kriteria	Bagian laporan
1	Consciousness of Purpose	E
2	Self-awareness	E
3	Ethical Considerations	E
4	CCIT	E
5	Critical Reflection	E, H
6	Continuum of Awareness	E–H
7	Clarity of Intent	E.2
8	Alignment of Objectives	E.2
9	Relevance of Intent	E.2, F
10	Sustainability Focus	E, H, I
11	Focus on Quality	E, G
12	Problem Understanding	F
13	Stakeholder Awareness	F
14	Contextual Analysis	F
15	Root Cause Analysis	F
16	Relevance of Analysis	F
17	Use of Data and Evidence	F, H
18	Assumption Clarity	G
19	Creativity and Innovation	G
20	Physical Realism	G
21	Alignment with Intent	G
22	Scalability and Adaptability	G, H
23	Simplicity and Elegance	G
24	Clarity of Steps	G
25	Comprehensiveness	G
26	Physical Interpretation	H
27	Error Minimization	G
28	Verification and Validation	G
29	Iterative Approach	G, H
30	Sustainability Integration	H
31	Communication Effectiveness	G, H
32	Alignment with DAI5	E–H
33	Documentation Quality	seluruh laporan