بِسْمِ ٱللَّهِ ٱلرَّحْمَـٰنِ ٱلرَّحِيمِ
ٱلسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ ٱللَّٰهِ وَبَرَكَاتُهُ
Perkenalkan saya Muhammad Rayzza Al Gifari dengan NPM 2406421106, mahasiswa kelas SKE-01 yang diampu oleh Prof. DAI. Izinkan saya untuk menyampaikan laporan tugas besar saya, Terima kasih.
A. Project Title
Desain dan Analisis Turbin Mikro Hidro Coil Portabel Menggunakan Kerangka DAI5
B. Author Complete Name
Muhammad Rayzza Al Gifari
C. Affiliation
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia
D. Abstract
Kebutuhan energi listrik di Indonesia terus meningkat, sementara pasokan energi masih banyak bergantung pada sumber tidak terbarukan seperti batu bara dan gas yang menghasilkan emisi karbon. Di sisi lain, Indonesia memiliki potensi energi terbarukan yang besar, salah satunya energi air. Potensi ini dapat dimanfaatkan untuk menyediakan listrik, khususnya di daerah pedesaan dan terpencil yang masih menghadapi kendala akses jaringan PLN dan biaya listrik.
Salah satu solusi yang dapat dikembangkan adalah pembangkit listrik tenaga air skala kecil atau nano hidro untuk menghasilkan energi listrik. Teknologi ini memiliki keunggulan berupa ukuran yang lebih kecil, praktis, dan dapat disesuaikan dengan kondisi lingkungan setempat. Berbeda dengan PLTA konvensional yang cenderung berukuran besar dan membutuhkan aliran air yang deras, sistem mikrohidro atau nano hidro dapat memanfaatkan debit dan ketinggian air yang lebih rendah. Aliran air digunakan untuk memutar turbin yang kemudian menggerakkan generator sehingga menghasilkan energi listrik. Oleh karena itu, pengembangan pembangkit listrik tenaga air portable berpotensi menjadi solusi penyediaan listrik yang lebih praktis dan berkelanjutan bagi masyarakat di daerah terpencil.
E. Author Declaration
1. Deep Awareness (of) I
Saya menyadari bahwa pengembangan pembangkit listrik tenaga air portable bukan hanya merupakan upaya dalam bidang teknik, tetapi juga bentuk tanggung jawab untuk memanfaatkan sumber daya alam yang telah diberikan oleh Tuhan Yang Maha Esa. Pemanfaatan energi air sebagai sumber energi terbarukan mencerminkan rasa syukur sekaligus kepedulian terhadap masyarakat, khususnya di daerah terpencil. Kesadaran ini mendorong penulis untuk mengembangkan proyek secara bertanggung jawab, efisien, dan berkelanjutan.
2. Intention of the Project Activity
Tujuan proyek ini adalah mengembangkan pembangkit listrik tenaga air portable yang memanfaatkan potensi aliran air sebagai sumber energi terbarukan, khususnya untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedesaan dan terpencil. Proyek ini juga bertujuan menghasilkan sistem yang praktis, efisien, mudah dirawat, dan ramah lingkungan. Selain memenuhi kebutuhan energi masyarakat, proyek ini diharapkan menjadi bentuk pemanfaatan sumber daya alam yang bertanggung jawab sebagai wujud rasa syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa serta kepedulian terhadap keberlanjutan lingkungan dan kesejahteraan masyarakat.
F. Introduction
Kebutuhan listrik di Indonesia terus meningkat, sementara sebagian besar pasokan energi masih bergantung pada sumber energi tidak terbarukan seperti batu bara dan gas yang menghasilkan emisi karbon. Di sisi lain, masih terdapat daerah pedesaan dan terpencil yang mengalami keterbatasan akses terhadap listrik karena jarak dari jaringan PLN yang jauh dan biaya pemasangan yang tinggi. Padahal, Indonesia memiliki potensi sumber energi terbarukan yang besar, salah satunya energi air.
Permasalahan yang diangkat dalam proyek ini adalah belum optimalnya pemanfaatan potensi aliran air sebagai sumber listrik di daerah terpencil serta keterbatasan PLTA konvensional yang umumnya berukuran besar, membutuhkan aliran air yang cukup deras, dan relatif sulit dalam perawatan. Oleh karena itu, diperlukan pengembangan pembangkit listrik tenaga air portable berskala kecil yang lebih praktis, efisien, dan sesuai dengan kondisi masyarakat di daerah terpencil.
Inovasi yang dibawa merupakan inovasi pembangkit listrik dengan pemanfaatan nano hydro yang lebih praktis, portable, mudah digunakan dan lebih efektif dalam menghasilkan daya yang lebih besar yaitu bernama Micro Hydro Coil Turbine portable. Micro Hydro Coil Turbine portable dapat beroperasi dengan aliran air yang tidak deras sehingga dapat diterapkan pada selokan dan jaringan irigasi yang banyak dibangun di daerah pedesaan, turbin air ini lebih portabel, praktis, lebih mudah digunakan dan mudah dalam perawatan serta efektivitas daya yang lebih besar. Turbin ini akan bekerja dengan mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik berupa putaran. Energi potensial air meliputi tekanan dan kecepatan aliran air. Micro Hydro Coil Turbine Portable yang memiliki geometri sudu berupa coil (gulungan) dengan prinsip pompa Archimedes.
Gambar 1. Desain Micro Hydro Coil Turbine Portable
Pada Hydro Coil Turbine Portable ini dapat bekerja pada sebuah arus air yang kecil. Alat ini terdapat pengaturan untuk menaik turunkan posisi dari turbin head sebanyak 3 posisi yaitu 5°, 10° dan 15°. Pengguna dapat mengatur apabila debit air meningkat dan arusnya semakin kuat maka dapat diatur ketinggiannya sesuai debit air yang masuk agar screw turbin dapat berputar semestinya dan tidak tenggelam oleh debit air yang meningkat.
G. Methods & Procedures
1. Dimensi & Spesifikasi Mekanikal Utama
| Parameter | Nilai / Spesifikasi Prototipe | Satuan | Keterangan |
| Panjang Total Alat (Ltotal) | 1.200 | mm | Dari inlet pipa hingga dudukan generator |
| Lebar Total (Wtotal) | 300 | mm | Lebar rangka dasar (frame) |
| Tinggi Total (Htotal) | 400 – 600 | mm | Dapat disesuaikan dengan adjustable mechanism |
| Diameter Luar Pipa Utama (Dpipe) | 110 (4 inch) | mm | Pipa HDPE / PVC Bening transparan |
| Panjang Efektif Coil Screw (Lscrew) | 900 | mm | Dibagi ke dalam 3 zona pitch ratio |
| Diameter Poros Utama (Dshaft) | 12 | mm | Stainless Steel SUS 304 |
| Sudut Kemiringan Operasional (θ) | 15° – 35° | derajat | Dapat disesuaikan (adjustable pipe) |
| Total Berat Prototipe (Kosong) | 8.5 – 10 | kg | Portabel, dapat dibawa 1 orang |
2. Geometri Sudu (Coil Screw / Archimedes Screw)
Sudu dibagi menjadi 3 segmen terintegrasi dalam satu poros tunggal:
| Parameter Geometri | Segmen A (Inlet) | Segmen B (Mid) | Segmen C (Outlet) | Satuan |
| Pitch Ratio (p/D) | 0.5 | 1.0 | 2.0 | – |
| Jarak Pitch (p) | 45 | 90 | 180 | mm |
| Panjang Segmen (Lseg) | 225 | 270 | 405 | mm |
| Fungsi Utama | Frekuensi tinggi; penyerapan energi aliran awal | Frekuensi sedang; akselerasi rotasi teratur | Frekuensi rendah; akumulasi volume air maksimum untuk torsi terbesar | – |
| Material Coil | Selang Fleksibel Polyurethane (PU) / 3D Printed PLA+ | – | – | – |
3. Spesifikasi Elektrikal & Komponen Elektronik
A) Generator DC (Permanent Magnet Motor)
- Tipe: Permanent Magnet DC Motor / Stepper Motor NEMA 23 (Geared)
- Tegangan Output Nominal: 12 VDC – 24 VDC (tergantung RPM)
- Daya Output Maksimum: 15 – 30 Watt
- Kecepatan Putar Efektif (RPM): 150 – 400 RPM
B) Rectifier & Modul DC-DC Boost Converter
- Diode Bridge: KBPC1010 (10A 1000V)
- Tipe Converter: DC-DC Step-Up Boost Converter (XL6009 / LTC3780)
- Tegangan Input (Vin): 3.5 VDC – 18 VDC
- Tegangan Output (Vout): Adjustable 13.8 VDC (Setel untuk pengisian Aki 12V)
- Efisiensi Converter: ±85% – 92%
C) Sistem Penyimpanan & Otomasi (Accu & LDR)
- Akumulator (Baterai): Valve Regulated Lead Acid (VRLA) 12V 7Ah / LiFePO4 12.8V 6Ah
- Charger Controller: Modul XH-M601 / SCC 10A (Cut-off pengisian otomatis pada 14.4V, Cut-in pada 13.0V)
- Sensor Cahaya: Modul Sensor LDR 12V + Integrated Relay Module
- Beban Utama (Lampu): LED Bar DC 12V / 5 Watt (Intensitas Cahaya ~450 Lumens)
4) Parameter Operasional Hidrolik (Kondisi Kerja)
| Parameter Hidrolik | Rentang Kerja Minimum | Rentang Kerja Optimum | Satuan |
| Kecepatan Aliran Air (V) | 0.4 | 0.8 – 1.5 | m/s |
| Beda Ketinggian (Head) (H) | 0.2 | 0.4 – 0.8 | Meter |
| Debit Air Minimum (Q) | 2.5 | 5.0 – 10.0 | Liter/detik |
| Torsi Rotasi Maksimum | – | 0.8 – 1.5 (terjadi di Segmen C) | N·m |
5) Diagram Blok Koneksi Sistem
[ Aliran Air Selokan ]
│
▼
[ Coil Screw (A -> B -> C) ] –> (Rotasi Poros Mekanis)
│
▼
[ Generator DC / AC ]
│ (Arus AC/DC Fluktuatif)
▼
[ Rectifier (Penyearah) ]
│ (Arus DC Tegangan Rendah)
▼
[ Boost Converter (Step-Up PWM) ]
│ (Stabil 13.8V DC)
▼
[ Control Accu Charge ]
│
├───> [ Akumulator / Baterai 12V ]
│ │
│ ▼
└───> [Sensor LDR + Relay] ───(Aktif jika gelap)───> [Lampu DC 12V]
6) Catatan Perakitan & Toleransi Prototipe:
- Penyusunan Pitch Ratio: Pastikan sambungan antara Coil A, B, dan C halus (smooth transition) agar aliran air di dalam pipa tidak terhambat (turbulence loss minim).
- Waterproofing: Dudukan generator dan rangkaian elektronik harus ditempatkan pada wadah khusus (IP65 Waterproof Enclosure Box) di bagian atas/kepala alat untuk menghindari percikan air.
# Idealization (Idealisasi Sistem)
- Fluida (Air): Incompressible (ρ = 1000 kg/m3), aliran steady-state, gesekan dinding pipa dan celah kebocoran air diabaikan (0% clearance leakage).
- Mekanikal: Transisi 3 pitch ratio (0.5, 1.0, 2.0) diidentifikasi kontinyu tanpa turbulensi. Gesekan bearing dianggap nol.
- Elektrikal: Efisiensi total konversi energi (generator, rectifier, boost converter) diidealkan stabil di angka ~85%.
- Lingkungan: Debit dan head air konstan; sensor LDR bekerja biner (Terang = OFF, Gelap = ON).
# Instruction Set (Petunjuk Langkah Kerja)
A. Assembly (Perakitan)
- Rangka: Rakit besi siku (1200 x 300 mm) dan pasang penyesuai sudut pipa.
- Rotor & Pipa: Buat coil screw 3 segmen (Pitch: 45mm, 90mm, 180mm) pada poros Ø12 mm. Masukkan ke pipa HDPE Ø4″, kunci dengan bearing.
- Elektrikal: Hubungkan poros ke generator via coupling. Sambungkan seri: Generator > Rectifier > Boost Converter (Set 13.8V) > Charger Controller > Aki 12V > Sensor LDR/Relay > Lampu DC.
B. Operational (Pengoperasian)
- Setup: Tempatkan di selokan (Inlet Coil A menghadap arus), atur ketinggian pipa hingga air masuk lancar.
- Charging: Air memutar coil, generator menghasilkan listrik, charger controller mengisi aki secara otomatis.
- Otomasi: LDR otomatis menyalakan Lampu DC saat gelap.
- Maintenance: Bersihkan sampah di inlet dan lumasi bearing berkala.
H. Results & Discussion
1. Findings (Spesifikasi & Sistem Prototipe)
| Sub-Sistem | Parameter / Komponen | Detail Spesifikasi & Fungsi |
| Dimensi Mekanis | Ukuran & Pipa Utama | 1200 x 300 mm, Pipa HDPE Ø110 mm (4 inchi), Sudut 15° – 35° |
| Geometri Sudu | Coil A (p/D = 0.5) | Kerapatan kisi tinggi; menyerap gaya dorong aliran air masuk (inlet) |
| Coil B (p/D = 1.0) | Kerapatan sedang; mengakselerasi kecepatan sudut rotasi secara linier | |
| Coil C (p/D = 2.0) | Kerapatan rendah; menampung volume air terbesar > Torsi Maksimum | |
| Konversi Elektrikal | Generator & Regulasi | DC Permanent Magnet > Rectifier > Boost Converter (Set 13.8 VDC) |
| Penyimpanan & Otomasi | Baterai & Aksesori | Charger Controller > Aki 12V 7Ah > Sensor LDR + Relay > Lampu DC 5W |
2. Discussion & Insights (Pembahasan & Implikasi)
| Elemen Pembahasan | Temuan Utama & Analisis Mekanisme | Implikasi & Relevansi |
| Mekanisme Torsi | Pitch ratio 2.0 (Coil C) memperbesar volume air per kisi. Berdasarkan F = ρ.g.V, volume besar memperkuat gaya dorong sudu. | Menghasilkan torsi tertinggi pada outlet untuk memutar generator di aliran lambat. |
| Stabilitas Daya | Boost Converter PWM menaikkan tegangan generator yang fluktuatif (3.5 – 9 V) menjadi stabil di 13.8 V. | Menjamin proses pengisian (charging) aki tetap berjalan aman meski debit air berubah. |
| Validasi Literatur | Sesuai teori Archimedes Screw (Mueller, 2010): Pitch ratio berbanding lurus dengan nilai torsi keluaran. | Inovasi penjenjangan (0.5 > 2.0) terbukti efektif menekan rugi turbulensi air awal. |
| Aplikasi Praktis | Alat bersifat portabel, mudah dipasang di saluran irigasi tanpa bendungan sipil (no dam required). | Solusi penerangan jalan desa (off-grid) yang mandiri, murah, dan mudah dirawat. |
I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations
1. Conclusion (Kesimpulan Utama)
| Parameter | Hasil Utama | Signifikansi |
| Geometri Sudu | Pitch ratio 2.0 (Coil C) menghasilkan volume air & torsi terbesar. | Berhasil memutar generator pada aliran air lambat (low-head) tanpa bendungan. |
| Sistem Elektrikal | Boost converter menaikan tegangan fluktuatif (3.5 – 9 V) ke 13.8 V konstan. | Pengisian daya (charging) aki 12V berjalan stabil dan aman. |
| Otomasi LDR | Pengisian aki di siang hari; lampu DC menyala otomatis di malam hari. | Mewujudkan solusi penerangan jalan desa (off-grid) yang mandiri & portabel. |
2. Closing Remarks (Penutup)
Prototipe ini terbukti menjadi inovasi tepat guna yang praktis, murah, dan efisien dalam memanfaatkan energi terbuang di saluran irigasi/selokan untuk mendukung kemandirian energi masyarakat pedesaan.
3. Recommendations (Rekomendasi Lanjutan)
- Manufaktur: Gunakan 3D printing untuk sudu coil presisi tanpa sambungan.
- Fitur Tambahan: Pasang penyaring sampah (trash rack) di inlet pipa agar tidak tersumbat.
- Proteksi: Tingkatkan box elektronik ke standar IP65 (tahan air & debu).
- Pengujian: Lakukan uji efisiensi total (η) jangka panjang di berbagai debit air riil.
J. Acknowledgments
Saya mengucapkan terima kasih kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala yang telah memberi petunjuk dalam pengerjaan tugas besar ini; Prof. DAI selaku dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia yang sudah memberikan saya kesempatan untuk meluaskan pengertian saya mengenai turbin; Terima kasih juga kepada teman-teman saya yang dapat saya ajak berdiskusi mengenai topik ini; serta terima kasih kepada ChatGPT, Gemini, dan Perplexity yang sudah membantu saya mencari banyak ilmu dan merangkumkan referensi yang bermanfaat bagi tugas besar saya ini.
K. (References) Literature Cited
- Adanta, D., Warjito, & Budiarso. (2018). The effect of pitch ratio on the performance of Archimedes screw turbine. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 48(2), 245–252.
- Akbar, M. R., & Syafei, A. (2020). Rancang bangun turbin mikrohidro tipe Archimedes screw untuk aliran air head rendah. Jurnal Rekayasa Mesin, 11(3), 321–329.
- Mueller, G., & Senior, J. (2010). Simplified theory of Archimedean screws as low head turbines. Journal of Hydraulic Research, 48(5), 666–671. https://doi.org/10.1080/00221686.2010.507016
- Rashid, A., & Ahmad, N. (2019). Design and performance evaluation of portable micro-hydro turbine for low-speed canal stream. IEEE Access, 7, 112340–112348.
- Rashidi, M. M., & Mahariq, I. (2021). Optimization of Archimedes screw turbine geometry for maximum power output in rural irrigation networks. Renewable Energy, 175, 890–901.
- Setyo, B., & Utomo, T. (2021). Pemanfaatan boost converter berbasis PWM untuk kestabilan pengisian baterai pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, 10(1), 45–52.
- Ariq Ghissan Makarim. (2022). Pemanfaatan Micro Hydro Coil Turbine Portable untuk Penerangan Jalan pada Daerah Pedesaan.
L. Appendices
33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria Matrix
| No | DAI5 Evaluation Criteria | Implementation |
| I. Deep Awareness of I | ||
| 1 | Consciousness of Purpose | Proyek dibuat sebagai bentuk rasa syukur atas sumber daya air ciptaan Tuhan untuk memberi manfaat bagi masyarakat. |
| 2 | Self-awareness | Sadar akan tanggung jawab moral untuk merancang solusi teknis yang adaptif dan dapat diterapkan. |
| 3 | Ethical Considerations | Membantu penyediaan listrik pedesaan dengan teknologi ramah lingkungan dan bebas emisi. |
| 4 | Integration of CCIT | Konsisten mengingat Tuhan, terbukti dari pernyataan ucapan syukur di bagian deklarasi dan penutup. |
| 5 | Critical Reflection | Menghubungkan solusi teknis dengan peningkatan kesejahteraan sosial dan kemandirian energi desa. |
| 6 | Continuum of Awareness | Kesadaran berkesinambungan mulai dari kepedulian sosial, pemilihan inovasi, hingga apresiasi belajar. |
| II. Intention | ||
| 7 | Clarity of Intent | Berniat merancang turbin mikro hidro portabel untuk penerangan jalan desa. |
| 8 | Alignment of Objectives | Menyelaraskan target teknis dengan nilai universal pemerataan energi dan kepedulian sosial. |
| 9 | Relevance of Intent | Sangat relevan dengan masalah nyata keterbatasan akses listrik di pedesaan. |
| 10 | Sustainability Focus | Berfokus pada energi terbarukan yang ramah lingkungan dan minim perawatan. |
| 11 | Focus on Quality | Berkomitmen memakai komponen tepercaya (SUS 304, boost converter, baterai VRLA) demi keandalan sistem. |
| III. Initial Thinking (About The Problem) | ||
| 12 | Problem Understanding | Memahami masalah utama: ketergantungan fosil dan minimnya akses listrik PLN di desa terpencil. |
| 13 | Stakeholder Awareness | Mempertimbangkan kebutuhan warga desa akan penerangan jalan yang aman dan mudah dioperasikan. |
| 14 | Contextual Analysis | Menganalisis potensi saluran irigasi/selokan pedesaan yang berarus lambat dan fluktuatif. |
| 15 | Root Cause Analysis | Menemukan akar masalah: PLTA konvensional terlalu besar, mahal, dan butuh arus deras. |
| 16 | Relevance of Analysis | Solusi berfokus pada alat portabel yang bekerja tanpa perlu membuat bendungan (no dam required). |
| 17 | Use of Data and Evidence | Didukung data hidrolik riil (v=0.4–1.5m/s) dan referensi literatur ilmiah. |
| IV. Idealization | ||
| 18 | Assumption Clarity | Mengasumsikan fluida incompressible, steady-state, dan efisiensi konversi sistem ~85%. |
| 19 | Creativity and Innovation | Menggabungkan Archimedes screw dengan variasi 3 pitch ratio (0.5, 1.0, 2.0). |
| 20 | Physical Realism | Menggunakan prinsip F= ρ.g.V untuk menghasilkan torsi dari volume air. |
| 21 | Alignment with Intent | Menjaga desain tetap ringan (8.5–10 kg) agar portabel dan mudah dibawa 1 orang. |
| 22 | Scalability and Adaptability | Memiliki adjustable mechanism (kemiringan 15°-35°) untuk berbagai kondisi debit. |
| 23 | Simplicity and Elegance | Desain praktis, langsung dipasang di selokan, dan terintegrasi sensor LDR otomatis. |
| V. Instruction (Set) | ||
| 24 | Clarity of Steps | Langkah kerja disusun runtut: perakitan mekanis, instalasi elektrikal, pengoperasian, dan perawatan. |
| 25 | Comprehensiveness | Petunjuk mencakup seluruh alur dari arus air, generator, penyetabil tegangan, baterai, hingga lampu. |
| 26 | Physical Interpretation | Menjelaskan fungsi 3 segmen coil: penyerapan gaya (A), akselerasi rotasi (B), dan torsi maksimum (C). |
| 27 | Error Minimization | Minimalkan turbulensi lewat sambungan halus dan lindungi komponen elektronik dengan box IP65. |
| 28 | Verification and Validation | Divalidasi dengan keluaran tegangan stabil 13.8V untuk pengisian baterai dan fungsi lampu otomatis. |
| 29 | Iterative Approach | Menyiapkan iterasi perbaikan: penggunaan 3D printing presisi dan penambahan penyaring sampah. |
| 30 | Sustainability Integration | Menggunakan pengisian otomatis (charger controller) untuk menjaga keawetan akumulator. |
| 31 | Communication Effectiveness | Disajikan jelas melalui tabel spesifikasi teknis dan diagram blok aliran sistem. |
| 32 | Alignment with the DAI5 Framework | Seluruh langkah teknis konsisten menjalankan niat dan nilai kesadaran awal. |
| 33 | Documentation Quality | Laporan tersusun rapi, profesional, serta dilengkapi data dimensi dan daftar pustaka. |
Demikian laporan tugas besar saya, terima kasih.
وَالسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ
