A. JUDUL PROYEK

Perancangan dan Analisis Turbin Impuls Jenis Turgo sebagai Pembangkit Listrik Skala Kecil Untuk Peternakan Menggunakan Kerangka DAI5

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Muhammad Rafah Syakur

C. AFILIASI

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. ABSTRAK

بِسْمِ اللّٰهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحِيْمِ

Tugas Besar ini membahas perancangan dan analisis turbin impuls jenis Turgo sebagai pembangkit listrik skala kecil untuk peternakan. Permasalahan yang diangkat adalah bagaimana merancang turbin yang mampu memanfaatkan energi potensial air pada kondisi head menengah dan debit yang relatif kecil sehingga dapat menghasilkan daya mekanik dan energi listrik untuk memenuhi kebutuhan beban peternakan yang telah ditentukan.

Perancangan dilakukan dengan menetapkan kebutuhan daya listrik sebagai dasar penentuan kapasitas sistem. Sistem dirancang untuk memenuhi kebutuhan listrik dasar sebesar 8 kW, yang diperoleh dari penjumlahan beban peternakan berupa penerangan kandang, pompa air, ventilasi, pencacah pakan, pendingin susu, dan peralatan lainnya. Dengan mempertimbangkan cadangan terhadap lonjakan beban sebesar 25%, target daya generator ditetapkan sebesar 10 kW.

Metode perancangan menggunakan kerangka DAI5 yang meliputi Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set. Parameter utama yang digunakan dalam perancangan adalah head efektif sebesar 60 m, debit sebesar 0,023 m³/s, efisiensi turbin sebesar 82%, dan efisiensi generator sebesar 90%. Berdasarkan parameter tersebut, daya hidrolik yang tersedia diperkirakan sebesar 13,54 kW, sedangkan daya mekanik turbin sekitar 11,11 kW. Setelah mempertimbangkan efisiensi generator, daya listrik yang dihasilkan diperkirakan mencapai sekitar 10 kW. Perhitungan juga menghasilkan kecepatan jet sekitar 33,6 m/s, diameter nozzle sekitar 30 mm, diameter runner sekitar 300 mm pada putaran 1000 rpm, dan torsi sekitar 106 N·m.

Analisis dan simulasi dilakukan menggunakan MATLAB untuk mengetahui pengaruh perubahan head dan debit terhadap daya generator serta melihat hubungan antara head, debit, dan efisiensi sistem. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan head dan debit menyebabkan peningkatan daya generator. Pada kondisi desain dengan head 60 m dan debit 0,023 m³/s, daya generator yang diperoleh sekitar 10 kW dengan efisiensi total sistem sebesar 73,8%. Analisis sensitivitas menunjukkan bahwa kebutuhan beban 8 kW masih dapat dipenuhi selama debit tidak turun di bawah sekitar 18,4 L/s, atau sekitar 80% dari debit desain.

Hasil perancangan dan simulasi menunjukkan bahwa turbin impuls jenis Turgo secara teoritis sesuai untuk kondisi desain yang digunakan dan mampu mencapai target daya generator sebesar 10 kW. Namun, hasil tersebut masih merupakan hasil perancangan dan simulasi awal sehingga diperlukan pengujian serta pengukuran kondisi aktual, terutama terhadap head efektif, debit musiman, rugi-rugi aliran pada penstock, karakteristik nozzle, runner, generator, dan komponen pendukung lainnya untuk memperoleh hasil yang lebih mendekati kondisi nyata.

E. DEKLARASI PENULIS

1. Deep Awareness of I

Ungkapan Syukur

بِسْمِ اللّٰهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحِيْمِ

Alhamdulillahirabbil’alamin, segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala nikmat, rahmat, kesehatan, kesempatan, dan kemudahan yang diberikan sehingga proyek perancangan Turbin Turgo untuk peternakan ini dapat diselesaikan dengan baik.

Melalui proyek ini, penulis memperoleh kesempatan untuk memahami bagaimana prinsip-prinsip konversi energi dapat diterapkan pada kebutuhan nyata, yaitu penyediaan listrik bagi kegiatan peternakan. Setiap proses perhitungan, analisis, dan simulasi menjadi sarana pembelajaran untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis, pemecahan masalah, dan pengambilan keputusan berbasis data.

Penulis menyadari bahwa ilmu pengetahuan merupakan amanah yang harus dimanfaatkan untuk memberikan manfaat bagi masyarakat. Hasil proyek ini diharapkan tidak hanya memenuhi tugas akademik, tetapi juga menjadi kontribusi dalam memahami solusi energi berkelanjutan bagi usaha peternakan skala kecil.

[Kriteria 1 – Consciousness of Purpose]
Tujuan utama proyek ini adalah merancang Turbin Turgo sebagai turbin impuls yang mampu mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik dan energi listrik secara efektif pada kondisi head menengah dan debit relatif kecil untuk memasok kebutuhan listrik peternakan.

[Kriteria 2 – Self Awareness]
Penulis menyadari bahwa rancangan yang dibuat masih merupakan desain konseptual yang dibangun berdasarkan asumsi-asumsi teknik tertentu. Hasil yang diperoleh belum sepenuhnya merepresentasikan kondisi aktual lapangan.

[Kriteria 3 – Ethical Considerations]
Dalam perancangan, penulis mempertimbangkan keselamatan operasi, efisiensi pemanfaatan energi, dan dampak lingkungan. Pengambilan air untuk turbin harus dilakukan secara bertanggung jawab agar tidak mengganggu ekosistem sungai maupun kebutuhan air pihak lain di hilir, serta limbah peternakan tidak boleh mencemari sumber air yang digunakan.

[Kriteria 4 – Integration of CCIT]
Perancangan dilakukan dengan kesadaran bahwa sumber daya alam merupakan amanah yang perlu dikelola secara bijaksana. Pemanfaatan energi terbarukan melalui turbin impuls diharapkan memberikan manfaat bagi peternak sekaligus menjaga keberlanjutan lingkungan.

[Kriteria 5 – Critical Reflection]
Setiap hasil perhitungan dan simulasi dievaluasi secara kritis untuk memastikan kesesuaiannya dengan teori konversi energi dan karakteristik kerja Turbin Turgo.

[Kriteria 6 – Continuum of Awareness]
Kesadaran terhadap tujuan proyek, manfaat sosial-ekonomi bagi peternak, dampak lingkungan, dan kualitas desain diterapkan secara berkelanjutan sejak tahap identifikasi masalah hingga evaluasi hasil rancangan.

F. NIAT KEGIATAN PROYEK

[Kriteria 7 – Clarity of Intent]
Niat utama proyek ini adalah menghasilkan rancangan awal Turbin Turgo yang mampu memanfaatkan energi air secara optimal untuk menghasilkan listrik pada sistem pembangkit skala kecil di lokasi peternakan.

[Kriteria 8 – Alignment of Objectives]
Tujuan proyek diselaraskan dengan kebutuhan listrik peternakan yang ramah lingkungan serta karakteristik sumber air yang tersedia, yaitu head menengah (sekitar 60 m) dengan debit kecil.

[Kriteria 9 – Relevance of Intent]
Peternakan di daerah perbukitan sering berada jauh dari jaringan listrik PLN atau memiliki biaya listrik yang tinggi, sementara aliran air dengan beda elevasi yang cukup sering tersedia di sekitarnya. Perancangan turbin impuls menjadi relevan untuk memanfaatkan potensi tersebut.

[Kriteria 10 – Sustainability Focus]
Proyek ini berfokus pada pemanfaatan energi terbarukan yang berkelanjutan sehingga dapat mengurangi ketergantungan peternakan terhadap genset berbahan bakar fosil.

[Kriteria 11 – Focus on Quality]
Kualitas perancangan dijaga melalui penerapan teori konversi energi, analisis hidrolika, perhitungan parameter turbin, serta simulasi numerik untuk mengevaluasi performa sistem.

G. PENDAHULUAN

1. Pemikiran Awal Tentang Masalah

Menganalisis Masalah Secara Sistematis

[Kriteria 12 – Problem Understanding]
Usaha peternakan membutuhkan listrik yang andal untuk penerangan kandang, pompa air minum ternak, ventilasi, pencacah pakan, dan pendingin susu. Di sisi lain, banyak lokasi peternakan memiliki potensi energi air yang belum dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.

Salah satu solusi adalah penggunaan Turbin Turgo, yaitu turbin impuls yang memanfaatkan energi kinetik jet air berkecepatan tinggi. Berbeda dengan Turbin Pelton, jet pada Turbin Turgo diarahkan miring (sekitar 20°) terhadap bidang runner, masuk dari satu sisi bucket dan keluar dari sisi lainnya, sehingga runner dapat menerima debit lebih besar dan berputar lebih cepat pada diameter yang sama.

Permasalahan yang dikaji adalah bagaimana merancang Turbin Turgo yang mampu menghasilkan daya listrik sesuai kebutuhan peternakan dengan memanfaatkan sumber air yang tersedia secara efektif dan efisien.

Stakeholder

[Kriteria 13 – Stakeholder Awareness]
Stakeholder yang terlibat dalam proyek ini meliputi:

1. Peternak dan pekerja kandang sebagai pengguna energi listrik.
2. Pengelola atau operator sistem pembangkit.
3. Pemerintah, dinas peternakan, dan regulator energi.
4. Masyarakat sekitar dan pengguna air di hilir.
5. Lingkungan sekitar sumber air.
6. Akademisi dan pengembang teknologi energi terbarukan.

Masing-masing stakeholder memiliki kepentingan yang berbeda, sehingga desain perlu mempertimbangkan aspek teknis, ekonomi, sosial, dan lingkungan.

Analisis Kontekstual

[Kriteria 14 – Contextual Analysis]
Turbin Turgo termasuk turbin impuls yang sesuai untuk head menengah dan debit relatif kecil hingga sedang. Prinsip kerjanya dimulai dari air yang dialirkan melalui penstock menuju nozzle. Nozzle mengubah energi tekanan menjadi energi kinetik berupa jet air berkecepatan tinggi. Jet menumbuk bucket pada runner dengan sudut miring sehingga menghasilkan gaya impuls yang memutar runner.

Energi mekanik dari poros turbin diteruskan ke generator untuk dikonversi menjadi energi listrik. Karena putarannya relatif tinggi, Turbin Turgo dapat dikopel langsung dengan generator tanpa gearbox pada kondisi tertentu, sehingga sistem lebih sederhana dan perawatannya lebih mudah, hal yang menguntungkan bagi lokasi peternakan yang jauh dari bengkel.

Analisis Akar Masalah

[Kriteria 15 – Root Cause Analysis]
Akar masalah yang diidentifikasi adalah belum optimalnya pemanfaatan energi potensial air menjadi listrik yang dapat digunakan secara berkelanjutan oleh peternakan. Pemilihan jenis turbin yang kurang sesuai dengan kondisi sumber air juga dapat menyebabkan efisiensi rendah dan performa pembangkit menurun.

Oleh karena itu, diperlukan analisis yang tepat untuk menentukan parameter desain Turbin Turgo sehingga mampu bekerja pada kondisi operasi yang diinginkan.

Relevansi Analisis

[Kriteria 16 – Relevance of Analysis]
Analisis difokuskan pada parameter utama yang mempengaruhi performa Turbin Turgo:

• Head air
• Debit aliran
• Daya hidrolik
• Kecepatan jet
• Diameter nozzle
• Diameter runner
• Putaran turbin
• Torsi
• Efisiensi sistem

Parameter tersebut dipilih karena berhubungan langsung dengan kemampuan turbin menghasilkan energi listrik.

Data dan Bukti

[Kriteria 17 – Use of Data and Evidence]
Data pada tahap awal perancangan berasal dari asumsi desain serta persamaan dasar mekanika fluida dan konversi energi. Parameter seperti head, debit, efisiensi turbin, efisiensi generator, dan kebutuhan daya peternakan digunakan sebagai dasar perhitungan dan simulasi.

Meskipun masih konseptual, pendekatan ini memberikan gambaran awal performa sistem. Pada pengembangan selanjutnya, data aktual lapangan (pengukuran head, debit, dan beban listrik) diperlukan untuk memvalidasi desain.

2. Tinjauan Pustaka dan Dasar Teori

Klasifikasi Turbin Air dan Posisi Turbin Turgo

Turbin air dibagi menjadi dua kelompok besar berdasarkan cara energi air diubah menjadi energi mekanik. Pada turbin reaksi (misalnya Francis dan Kaplan), runner terendam penuh oleh air dan sebagian energi tekanan diubah menjadi energi mekanik di dalam runner. Pada turbin impuls (Pelton, Turgo, dan Cross-flow), seluruh energi tekanan diubah lebih dulu menjadi energi kinetik di nozzle, sehingga runner hanya menerima jet bertekanan atmosfer dan berputar di udara.

Turbin Turgo dikembangkan sebagai pengembangan dari Pelton untuk head menengah. Karena jet masuk miring dari satu sisi runner dan keluar dari sisi yang lain, air yang sudah memberikan energinya tidak menabrak jet yang datang berikutnya. Hal ini membuat runner Turgo dapat menerima debit lebih besar daripada runner Pelton dengan diameter yang sama, sehingga putarannya lebih tinggi pada head yang sama. Putaran tinggi ini memudahkan kopling langsung ke generator.

Prinsip Kerja dan Komponen Utama

Aliran energi pada sistem yang dirancang berjalan melalui urutan berikut:

1. Intake dan bak penenang (forebay): mengambil air dari sungai atau saluran, menyaring sampah, dan mengendapkan pasir.
2. Penstock: pipa bertekanan yang menyalurkan air dari forebay menuju turbin dengan rugi gesek serendah mungkin.
3. Nozzle dengan spear valve: mengubah energi tekanan menjadi jet berkecepatan tinggi dan mengatur debit tanpa mengubah kecepatan jet secara berarti.
4. Runner dan bucket: menerima jet pada sudut sekitar 20° terhadap bidang runner dan mengubah momentum jet menjadi torsi poros.
5. Casing dan tailrace: melindungi dari percikan air dan membuang air keluaran kembali ke sungai.
6. Poros, bantalan, dan kopling: meneruskan torsi ke generator.
7. Generator, panel, dan kontrol beban: mengubah energi mekanik menjadi listrik dan menjaga tegangan serta frekuensi pada beban kandang.

Perbandingan Turbin Pelton dan Turgo

Aspek	Turbin Pelton	Turbin Turgo
Arah jet terhadap runner	Tegak lurus bidang runner, masuk di tengah bucket	Miring sekitar 20°, masuk dari satu sisi dan keluar dari sisi lain
Bentuk bucket	Mangkuk ganda dengan splitter di tengah	Mangkuk tunggal berbentuk seperti sendok
Debit pada diameter runner sama	Lebih kecil	Lebih besar
Putaran runner pada head sama	Lebih rendah	Lebih tinggi
Kebutuhan gearbox ke generator	Sering diperlukan pada daya kecil	Lebih mungkin dikopel langsung
Kondisi head yang sesuai	Head tinggi, debit kecil	Head menengah, debit kecil sampai sedang
Kerumitan pembuatan runner	Relatif rumit karena bucket ganda	Relatif lebih sederhana dalam bentuk bucket

Perbandingan di atas bersifat kualitatif. Angka kinerja aktual kedua jenis turbin bergantung pada desain dan kualitas pembuatan, sehingga perlu diverifikasi melalui pengujian.

Persamaan Dasar yang Digunakan

Kecepatan teoritis jet diturunkan dari persamaan Bernoulli antara permukaan air di forebay dan keluaran nozzle. Dengan koefisien kecepatan nozzle C_v untuk memperhitungkan gesekan, kecepatan jet nyata adalah:

V_j = C_v × √(2 g H)

Kontinuitas aliran menghubungkan debit, luas nozzle, dan kecepatan jet:

Q = A_n × V_j = (π d² / 4) × V_j

Gaya yang bekerja pada runner diperoleh dari hukum impuls-momentum, dan daya yang diserap runner dari persamaan Euler turbin, dengan V_w adalah komponen kecepatan absolut dalam arah tangensial dan u adalah kecepatan linier runner:

F = ρ Q (V_w1 − V_w2), P_runner = ρ Q u (V_w1 − V_w2)

Efisiensi hidrolik runner adalah perbandingan kerja per satuan massa yang diserap runner terhadap energi per satuan massa yang tersedia:

η_h = u (V_w1 − V_w2) / (g H)

Kecepatan spesifik (dalam satuan metrik, daya dalam kW) digunakan untuk memeriksa kesesuaian jenis turbin dengan kondisi head dan daya:

N_s = N √P / H^(5/4)

Pada proyek ini, persamaan-persamaan tersebut digunakan berurutan: daya dan efisiensi menentukan debit, debit dan head menentukan jet dan nozzle, speed ratio dan putaran menentukan diameter runner, dan segitiga kecepatan digunakan untuk memeriksa kewajaran efisiensi yang diasumsikan.

3. Kerangka DAI5 pada Proyek Ini

Kerangka DAI5 digunakan sebagai alur berpikir proyek, mulai dari kesadaran diri penulis hingga langkah teknis yang dapat dihitung. Tabel berikut memetakan setiap fase ke bagian laporan dan isi yang dihasilkan.

Fase DAI5	Bagian Laporan	Kriteria	Hasil pada Proyek Turbin Turgo
Deep Awareness of I	E. Deklarasi Penulis	1–6	Kesadaran akan tujuan, keterbatasan desain konseptual, etika pemanfaatan air, dan tanggung jawab terhadap lingkungan peternakan
Intention	F. Niat Kegiatan Proyek	7–11	Niat merancang turbin impuls Turgo 10 kW untuk peternakan dengan fokus keberlanjutan dan kualitas desain
Initial Thinking	G. Pendahuluan	12–17	Pemahaman masalah, stakeholder, analisis konteks dan akar masalah, parameter yang dianalisis, serta data yang digunakan
Idealization	H. Metode: Idealisasi	18–23	Asumsi beban peternakan, parameter hidrolik, efisiensi, dan batas model
Instruction Set	H. Metode: Instruksi, serta Hasil dan Pembahasan	24–32	Langkah perhitungan 1–11, analisis lanjutan, simulasi MATLAB, dan verifikasi hasil

Keterkaitan Antarfase

Setiap fase memberi masukan bagi fase berikutnya. Kesadaran bahwa rancangan masih konseptual (fase pertama) menjadi alasan mengapa asumsi dinyatakan eksplisit pada fase Idealization dan mengapa hasil simulasi tidak diklaim sebagai kinerja aktual. Niat menjaga ekosistem sungai (fase kedua) diterjemahkan menjadi pertimbangan debit lingkungan pada analisis dampak. Analisis akar masalah (fase ketiga) menjelaskan mengapa parameter head, debit, dan efisiensi dipilih sebagai fokus perhitungan.

Cara DAI5 Dipakai untuk Memeriksa Kualitas Desain

Fase Instruction Set tidak berdiri sendiri. Setiap hasil perhitungan diperiksa kembali terhadap fase sebelumnya dengan tiga pertanyaan:

1. Apakah hasilnya masih sesuai dengan niat awal, yaitu mencukupi beban peternakan 8 kW dengan margin cadangan?
2. Apakah asumsi yang dipakai sudah dinyatakan dan dapat diubah, misalnya head, efisiensi, dan profil beban?
3. Apakah dampak terhadap stakeholder dan lingkungan, terutama pengguna air di hilir dan kualitas air sungai, sudah dipertimbangkan?

Pemeriksaan ini dilakukan pada bagian analisis sensitivitas, perkiraan energi, dan manajemen risiko di bagian Hasil dan Pembahasan.

H. METODE DAN LANGKAH-LANGKAH SOLUSI

1. Idealisasi

[Kriteria 18 – Assumption Clarity]
Agar perancangan sistematis, beberapa asumsi awal digunakan sebagai dasar perhitungan. Asumsi dipilih berdasarkan karakteristik umum pembangkit skala kecil dengan turbin impuls. Beban listrik peternakan diasumsikan sebagai berikut:

Beban Peternakan	Daya
Penerangan kandang (LED)	1,0 kW
Pompa air minum dan sanitasi	1,5 kW
Kipas ventilasi kandang	1,0 kW
Mesin pencacah pakan	2,0 kW
Pendingin susu / penyimpan hasil ternak	1,5 kW
Peralatan lain dan rumah pekerja	1,0 kW
Total kebutuhan listrik	8,0 kW

Parameter desain yang digunakan:

Parameter	Nilai
Total kebutuhan listrik	8 kW
Target daya generator (margin 25%)	10 kW
Head efektif	60 m
Massa jenis air	1000 kg/m³
Percepatan gravitasi	9,81 m/s²
Efisiensi turbin	82%
Efisiensi generator	90%
Koefisien nozzle	0,98
Speed ratio	0,46
Putaran runner	1000 rpm
Jumlah jet	1
Sudut jet terhadap bidang runner	20°

Asumsi tersebut digunakan untuk memperoleh gambaran awal dimensi dan performa Turbin Turgo yang dirancang. Putaran 1000 rpm dipilih karena sesuai dengan putaran sinkron generator 6 kutub pada frekuensi 50 Hz sehingga memungkinkan kopling langsung.

[Kriteria 19 – Creativity and Innovation]
Pendekatan yang digunakan memadukan teori konversi energi dengan simulasi numerik menggunakan MATLAB, sehingga berbagai kondisi operasi dapat dianalisis tanpa membangun prototipe fisik. Pemilihan Turbin Turgo didasarkan pada keunggulannya: runner yang lebih kompak, putaran lebih tinggi, serta kemampuan menerima debit lebih besar dibanding Pelton berdiameter sama, sehingga cocok untuk peternakan di wilayah perbukitan.

[Kriteria 20 – Physical Realism]
Model didasarkan pada prinsip konservasi energi dan hubungan fisik antara energi potensial air, energi kinetik jet, energi mekanik turbin, dan energi listrik generator. Seluruh parameter yang dihitung tetap memiliki makna fisik yang dapat dihubungkan dengan kondisi operasi nyata.

[Kriteria 21 – Alignment with Intent]
Seluruh parameter desain dipilih agar memenuhi target daya generator 10 kW. Perhitungan dilakukan mulai dari kebutuhan listrik peternakan hingga diperoleh dimensi utama turbin sehingga desain selaras dengan tujuan awal proyek.

[Kriteria 22 – Scalability and Adaptability]
Model bersifat fleksibel dan dapat digunakan pada sumber air berbeda. Apabila head, debit, jumlah beban, atau efisiensi berubah (misalnya peternakan bertambah besar), seluruh parameter desain dapat dihitung ulang dengan metode yang sama.

[Kriteria 23 – Simplicity and Elegance]
Perancangan difokuskan pada parameter yang paling berpengaruh: head, debit, kecepatan jet, diameter nozzle, diameter runner, torsi, dan efisiensi sistem. Pendekatan ini menjaga desain tetap sederhana namun memberikan gambaran performa yang menyeluruh.

2. Instruksi (Instruction Set)

Tahapan Perhitungan Perancangan

Perancangan dilakukan bertahap, dimulai dari penentuan kebutuhan daya listrik hingga evaluasi performa sistem.

1. Menentukan Kebutuhan Listrik

Kebutuhan listrik peternakan merupakan jumlah daya seluruh beban pada tabel idealisasi:

P = 1,0 + 1,5 + 1,0 + 2,0 + 1,5 + 1,0

P = 8,0 kW

Untuk meningkatkan keandalan dan memberi cadangan terhadap lonjakan beban (misalnya arus start motor), daya generator direncanakan 25% lebih besar:

P_generator = 8 × 1,25 = 10 kW

2. Menentukan Daya Turbin

Karena generator memiliki rugi-rugi, daya mekanik turbin harus lebih besar daripada daya keluaran generator.

P_generator = η_g × P_turbin

P_turbin = P_generator / η_g

P_turbin = 10.000 / 0,90

P_turbin = 11.111 W ≈ 11,11 kW

3. Menentukan Debit Air

Debit diperoleh dari persamaan daya turbin:

P_turbin = η_t × ρ × g × Q × H

Q = P_turbin / (η_t × ρ × g × H)

Q = 11.111 / (0,82 × 1000 × 9,81 × 60)

Q ≈ 0,023 m³/s

Q ≈ 23 L/s

Jadi diperlukan debit sekitar 23 liter per detik untuk menghasilkan daya yang diinginkan.

4. Menghitung Daya Hidrolik

P_h = ρ g Q H

P_h = 1000 × 9,81 × 0,023 × 60

P_h ≈ 13.538 W ≈ 13,54 kW

Nilai ini adalah daya air sebelum mengalami konversi pada turbin.

5. Menentukan Kecepatan Jet Air

V_j = C_v √(2gH)

V_j = 0,98 √(2 × 9,81 × 60)

V_j = 0,98 × 34,31

V_j ≈ 33,6 m/s

6. Menentukan Diameter Nozzle

Q = A × V_j, sehingga A = Q / V_j

A = 0,023 / 33,62 ≈ 0,000684 m²

d = √(4A/π)

d ≈ 0,0295 m ≈ 29,5 mm

Diameter nozzle ditetapkan sekitar 30 mm.

7. Menentukan Kecepatan Runner

u = K_u × V_j

u = 0,46 × 33,62

u ≈ 15,47 m/s

8. Menentukan Diameter Runner

u = (π D N) / 60, sehingga D = (60 u) / (π N)

D = (60 × 15,47) / (π × 1000)

D ≈ 0,295 m ≈ 295 mm

Diameter runner (pitch circle diameter) hasil desain ditetapkan sekitar 300 mm. Rasio D/d ≈ 10, yang masih wajar untuk turbin impuls jet tunggal.

9. Menentukan Kecepatan Sudut

ω = (2 π N) / 60

ω = (2 π × 1000) / 60 ≈ 104,72 rad/s

10. Menentukan Torsi Turbin

T = P_turbin / ω

T = 11.111 / 104,72

T ≈ 106,1 N·m

Torsi desain dibulatkan menjadi 106 N·m.

11. Verifikasi Kinerja Sistem

[Kriteria 24 – Clarity of Steps]
Setelah seluruh parameter diperoleh, dilakukan verifikasi terhadap aliran energi dari sumber air hingga generator. Sebagai tambahan, kecepatan spesifik dihitung untuk memeriksa kesesuaian jenis turbin:

N_s = N √P / H^1,25 = 1000 × √11,11 / 60^1,25 ≈ 20 (satuan metrik, P dalam kW)

Nilai ini berada di sisi bawah kisaran yang umumnya dikaitkan dengan Turbin Turgo, sehingga pemilihan turbin impuls pada kondisi ini masih dapat diterima. Nilai pastinya perlu dicek ulang dengan literatur yang digunakan di mata kuliah.

[Kriteria 25 – Comprehensiveness]
Verifikasi mencakup daya hidrolik, daya mekanik turbin, daya generator, debit, kecepatan jet, diameter nozzle, diameter runner, torsi, dan efisiensi sistem.

[Kriteria 26 – Physical Interpretation]
Hasil menunjukkan bahwa energi potensial air berhasil dikonversi menjadi energi listrik melalui tahapan konversi yang sesuai dengan prinsip kerja Turbin Turgo: energi potensial → energi kinetik jet → energi mekanik poros → energi listrik.

[Kriteria 27 – Error Minimization]
Penggunaan MATLAB membantu mengurangi kesalahan perhitungan manual dan mempercepat evaluasi desain.
*pengujian matlab ada dipembahasan berikutnya

[Kriteria 28 – Verification and Validation]
Hasil verifikasi menunjukkan:

• Daya hidrolik = 13,54 kW
• Daya turbin = 11,10 kW (η_t = 82%)
• Daya generator ≈ 10 kW (η_g = 90%)
• Efisiensi sistem = 0,82 × 0,90 = 0,738 (73,8%)

Nilai tersebut sesuai dengan target awal perancangan dan mampu menutup kebutuhan beban 8 kW dengan margin cadangan.

[Kriteria 29 – Iterative Approach]
Apabila kondisi sumber air atau beban peternakan berubah, perhitungan dapat diulang dengan parameter baru sehingga desain dapat diperbarui dengan cepat.

[Kriteria 30 – Sustainability Integration]
Pemanfaatan energi air memberikan keuntungan berupa emisi karbon rendah, ketersediaan energi yang berkelanjutan, serta berkurangnya konsumsi bahan bakar genset di peternakan.

[Kriteria 31 – Communication Effectiveness]
Seluruh hasil simulasi disajikan dalam bentuk tabel, grafik, dan interpretasi teknis sehingga mudah dipahami pembaca.

[Kriteria 32 – Alignment with DAI5 Framework]
Tahap perhitungan dan simulasi ini merupakan implementasi fase Instruction Set dalam kerangka DAI5 yang menerjemahkan tujuan proyek menjadi solusi teknik yang dapat dianalisis secara kuantitatif.

3. Analisis Perancangan Lanjutan: Runner dan Bucket

Langkah 1–11 menentukan dimensi utama dengan persamaan daya dan speed ratio. Pada bagian ini, kewajaran hasil tersebut diperiksa dengan segitiga kecepatan dan persamaan momentum.

12. Segitiga Kecepatan pada Sisi Masuk

Jet masuk pada sudut α₁ = 20° terhadap bidang runner dengan kecepatan V₁ = 33,62 m/s, sedangkan kecepatan linier runner u = 15,47 m/s. Komponen jet dalam arah tangensial dan aksial adalah:

V_w1 = V₁ cos 20° = 33,62 × 0,9397 = 31,59 m/s

V_a1 = V₁ sin 20° = 33,62 × 0,3420 = 11,50 m/s

Kecepatan relatif jet terhadap bucket pada sisi masuk diperoleh dari selisih komponen tangensial terhadap u:

w₁ = √((V_w1 − u)² + V_a1²) = √(16,12² + 11,50²) ≈ 19,80 m/s

13. Kondisi pada Sisi Keluar

Pada asumsi awal, gesekan di permukaan bucket mengurangi kecepatan relatif sebesar 10%, sehingga w₂ = 0,90 × 19,80 = 17,82 m/s. Aliran meninggalkan bucket pada sudut relatif β₂ = 30° terhadap arah tangensial (berlawanan arah putaran). Komponen tangensial kecepatan absolut keluar adalah:

V_w2 = u − w₂ cos 30° = 15,47 − 17,82 × 0,866 ≈ 0,03 m/s

Nilai V_w2 yang mendekati nol berarti air meninggalkan runner dengan hampir tanpa energi kinetik tangensial, yaitu kondisi yang diinginkan agar energi jet terserap maksimal. Sudut 30° dan faktor gesekan 0,90 adalah asumsi awal; nilai sebenarnya ditentukan oleh bentuk bucket.

14. Gaya Impuls, Torsi, dan Daya Runner

Besaran	Persamaan	Hasil
Gaya tangensial pada runner	F = ρQ (V_w1 − V_w2) = 23 × 31,56	≈ 726 N
Torsi pada jari-jari 147,5 mm	T = F × R = 726 × 0,1475	≈ 107 N·m
Kerja per satuan massa	u (V_w1 − V_w2) = 15,47 × 31,56	≈ 488 J/kg
Daya runner	ρQ × kerja = 23 × 488	≈ 11,2 kW
Efisiensi hidrolik runner	488 / (9,81 × 60)	≈ 82,9%

Hasil pemeriksaan ini konsisten dengan hasil langkah 1–11. Torsi 107 N·m mendekati torsi desain 106 N·m, dan efisiensi hidrolik runner sebesar 82,9% mendekati efisiensi turbin yang diasumsikan, yaitu 82%. Kecocokan ini menunjukkan bahwa asumsi efisiensi tidak berlebihan untuk jenis turbin impuls. Namun, karena sudut keluar dan faktor gesekan merupakan asumsi, hasil ini hanya konfirmasi kewajaran dan bukan pembuktian kinerja.

15. Jumlah dan Ukuran Bucket

Jumlah bucket diperkirakan dengan rumus empiris yang lazim dipakai untuk runner impuls sebagai titik awal:

Z ≈ D / (2d) + 15 = 295 / (2 × 29,5) + 15 = 20

Dengan rasio D/d = 10, runner direncanakan memiliki sekitar 20 bucket. Lebar bucket diperkirakan sekitar 3 kali diameter jet, yaitu ± 90 mm. Kedua angka ini hanya perkiraan awal dan perlu disesuaikan dengan gambar teknik, hasil simulasi CFD, atau data pabrikan.

16. Pemilihan Material dan Pembuatan

Bucket dan runner perlu tahan terhadap abrasi pasir halus dan benturan jet berkecepatan 33,6 m/s. Untuk skala peternakan, pilihan material yang realistis adalah stainless steel (misalnya seri 304 atau 316) atau baja karbon dengan pelapis anti-abrasi. Pengecoran dalam satu bagian memberikan permukaan bucket yang halus dan mengurangi rugi gesek, sedangkan bucket yang dilas ke cakram lebih murah dibuat di bengkel lokal tetapi menuntut ketelitian sudut dan kehalusan permukaan. Runner juga harus diseimbangkan secara dinamis karena beroperasi pada 1000 rpm.

4. Analisis Perancangan Lanjutan: Penstock, Generator, Kontrol, dan Proteksi

17. Perancangan Penstock

Head efektif 60 m adalah head bersih di nozzle, yaitu sudah memperhitungkan rugi pada pipa. Karena itu, diameter penstock harus dipilih agar rugi gesek kecil. Perhitungan memakai persamaan Darcy–Weisbach dengan asumsi panjang penstock 150 m, faktor gesek f = 0,015 (pipa HDPE atau PVC yang halus), dan debit 0,023 m³/s:

h_f = f × (L / D) × (v² / 2g)

Diameter dalam (mm)	Kecepatan aliran (m/s)	Rugi gesek h_f (m)	Persentase terhadap 60 m
100	2,93	9,8	16,4%
125	1,87	3,2	5,4%
150	1,30	1,3	2,2%

Pipa 100 mm tampak lebih murah, tetapi rugi head hampir 10 m akan menurunkan daya secara signifikan. Pipa 150 mm dipilih karena rugi gesek hanya sekitar 1,3 m. Dengan rugi minor (saringan, belokan, katup) sekitar 0,13 m, total rugi sekitar 1,4 m. Dengan demikian, head bruto yang dibutuhkan di lokasi intake adalah sekitar 60 + 1,4 ≈ 61,4 m, dibulatkan menjadi 62 m.

18. Tekanan dan Water Hammer

Tekanan statis di bagian terendah penstock adalah ρgH = 1000 × 9,81 × 62 ≈ 608 kPa atau sekitar 6,1 bar. Penutupan katup yang terlalu cepat menimbulkan lonjakan tekanan (water hammer). Estimasi lonjakan untuk penutupan seketika memakai persamaan Joukowsky:

Δh = a v / g = (300 × 1,30) / 9,81 ≈ 40 m

Kecepatan gelombang tekanan a = 300 m/s adalah asumsi untuk pipa HDPE; nilai pada PVC atau baja lebih tinggi. Lonjakan 40 m setara tekanan tambahan sekitar 3,9 bar, sehingga tekanan maksimum bisa mendekati 10 bar. Oleh karena itu, penstock minimal berkelas PN 12,5 atau lebih tinggi, dan katup utama harus ditutup perlahan. Periode kritis penutupan adalah 2L/a = 2 × 150 / 300 = 1 detik, sehingga waktu penutupan sebaiknya jauh lebih lama dari itu, misalnya lebih dari 10 detik.

19. Pemilihan Generator dan Kopling

Generator dipilih berdasarkan daya aktif 10 kW pada putaran 1000 rpm. Generator 6 kutub pada frekuensi 50 Hz memiliki putaran sinkron n = 120f/p = 120 × 50 / 6 = 1000 rpm, sesuai dengan putaran runner sehingga kopling langsung dapat digunakan. Dengan faktor daya 0,8, kapasitas semu generator adalah 10 / 0,8 = 12,5 kVA. Pada sistem tiga fasa 400 V, arus beban penuh adalah:

I = S / (√3 × V) = 12.500 / (1,732 × 400) ≈ 18 A

Parameter Generator	Spesifikasi Rencana
Daya aktif / daya semu	10 kW / 12,5 kVA
Putaran dan jumlah kutub	1000 rpm, 6 kutub
Frekuensi dan tegangan	50 Hz, 400 V tiga fasa
Arus beban penuh	≈ 18 A
Efisiensi	≥ 90%
Jenis	Sinkron tanpa sikat (brushless) atau induksi dengan eksitasi sendiri
Kopling	Kopling fleksibel, poros sejajar

Putaran lari (runaway) terjadi jika beban generator tiba-tiba hilang dan aliran tidak ditutup. Pada turbin impuls, putaran ini dapat mencapai sekitar dua kali putaran nominal, sehingga runner, bantalan, dan generator harus dipastikan mampu menahannya.

20. Sistem Kontrol Beban

Pada pembangkit kecil, pengaturan debit dengan governor mekanis relatif mahal. Alternatif yang umum adalah Electronic Load Controller (ELC) dengan beban ballast. Turbin dibiarkan menerima debit tetap dan ELC mengalihkan daya yang tidak terpakai ke ballast (misalnya pemanas air) sehingga beban total generator selalu mendekati 10 kW. Dengan cara ini frekuensi dan tegangan tetap stabil walaupun beban kandang naik turun. Ballast harus mampu menyerap daya penuh 10 kW karena beban kandang dapat turun mendekati nol di malam hari. Panas dari ballast dapat dimanfaatkan, misalnya untuk air hangat pembersihan kandang atau pemanas anak ternak, sehingga energi tidak terbuang.

21. Sistem Proteksi dan Keselamatan

1. Proteksi mekanis: katup penutup darurat di inlet penstock, pelindung putaran (overspeed), dan casing yang menahan percikan jet.
2. Proteksi listrik: pemutus arus berlebih, relay tegangan dan frekuensi (tegangan lebih dan kurang), serta pengaman arus bocor ke tanah.
3. Pembumian: seluruh rangka generator, panel, dan peralatan kandang dibumikan karena lingkungan kandang lembap dan korosif.
4. Kelas proteksi peralatan: panel dan kotak sambung di area kandang minimal IP54 atau lebih tinggi untuk menahan uap air, debu, dan amonia.
5. Keselamatan operator: area runner dipagari, ada prosedur penguncian (lock-out) sebelum perawatan, dan papan peringatan tekanan tinggi pada penstock.

H. HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Hasil Simulasi MATLAB

Simulasi dilakukan menggunakan MATLAB untuk mengetahui hubungan antara parameter hidrolik dengan kemampuan Turbin Turgo menghasilkan daya listrik. Pemodelan didasarkan pada persamaan konversi energi hidrolik dengan mempertimbangkan massa jenis air, percepatan gravitasi, efisiensi turbin, dan efisiensi generator.

Empat grafik utama digunakan: pengaruh head terhadap daya generator, pengaruh debit terhadap daya generator, hubungan head, debit, dan daya generator dalam bentuk tiga dimensi, serta efisiensi turbin, generator, dan sistem terhadap perubahan debit. Hasil simulasi digunakan untuk melihat kecenderungan performa dan kesesuaian kondisi desain terhadap target daya generator 10 kW.

2. Pengaruh Head terhadap Daya Generator

Gambar 1. Pengaruh Head terhadap Daya Generator

Simulasi dilakukan pada debit tetap 0,023 m³/s dengan head divariasikan dari 10 m hingga 100 m. Daya generator meningkat seiring bertambahnya head dengan kecenderungan linier, karena pada debit tetap, kenaikan head menambah energi potensial air yang dapat dikonversi menjadi energi listrik.

Head (m)	10	30	50	60	80	100
Daya generator (kW)	1,67	5,00	8,33	9,99	13,32	16,65

Pada head 60 m, daya generator mencapai sekitar 10 kW, yang merupakan kondisi desain utama. Pada head 100 m, daya secara teoritis dapat mencapai sekitar 16,65 kW dengan asumsi debit dan efisiensi tetap.

Namun, peningkatan head pada kondisi nyata harus diikuti evaluasi terhadap kemampuan penstock, nozzle, runner, dan komponen lain. Kenaikan head secara teoritis tidak dapat langsung diterapkan tanpa mempertimbangkan batas operasi setiap komponen.

3. Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

Gambar 2. Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

Grafik kedua menunjukkan pengaruh debit pada head tetap 60 m, dengan debit divariasikan dari 0,01 m³/s hingga 0,06 m³/s.

Debit (m³/s)	0,01	0,02	0,023	0,03	0,04	0,06
Daya generator (kW)	4,34	8,69	9,99	13,03	17,38	26,06

Daya generator meningkat seiring bertambahnya debit. Secara matematis, hubungan ini dijelaskan oleh:

P_g = ρ g Q H η_t η_g

Dengan head dan efisiensi dianggap tetap, daya berbanding lurus dengan debit. Pada debit desain 0,023 m³/s, daya berada di sekitar 10 kW sesuai target.

Peningkatan debit tidak dapat dilakukan tanpa batas. Kapasitas nozzle, penstock, runner, dan saluran pembawa harus mampu menerima aliran lebih besar. Debit yang terlalu besar juga dapat menggeser kondisi operasi di luar titik desain. Pada peternakan, pengambilan debit juga harus memperhatikan ketersediaan air pada musim kemarau dan kebutuhan pengguna lain.

4. Hubungan Head, Debit, dan Daya Generator

Gambar 3. Hubungan Head, Debit dan Daya Generator

Grafik ketiga berupa permukaan tiga dimensi dengan sumbu horizontal head (m), sumbu lain debit (m³/s), dan sumbu vertikal daya generator (kW). Berbeda dengan dua grafik sebelumnya, grafik ini menunjukkan perubahan daya ketika head dan debit berubah bersamaan.

Permukaan semakin tinggi ketika head dan debit meningkat. Pada rentang simulasi, daya terendah sekitar 0,72 kW (H = 10 m, Q = 0,01 m³/s) dan tertinggi sekitar 43,44 kW (H = 100 m, Q = 0,06 m³/s). Titik desain (H = 60 m, Q = 0,023 m³/s) menghasilkan daya sekitar 10 kW.

Hasil ini menunjukkan bahwa kapasitas Turbin Turgo tidak dapat ditentukan dari satu parameter saja. Head dan debit harus dianalisis bersamaan karena keduanya menentukan energi hidrolik yang tersedia, dengan P_h = ρ g Q H dan P_g = ρ g Q H η_t η_g.

5. Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem

Gambar 4. Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem

Grafik keempat menunjukkan perubahan efisiensi turbin, generator, dan sistem terhadap debit berdasarkan nilai efisiensi yang ditentukan pada model MATLAB. Efisiensi turbin diberikan pada rentang 70% hingga 85%, sedangkan efisiensi generator pada rentang 84% hingga 90%. Efisiensi sistem dihitung dengan:

η_sistem = η_t × η_g

Debit (m³/s)	η turbin (%)	η generator (%)	η sistem (%)
0,010	70	84	58,8
0,020	80	88	70,4
0,025	82	90	73,8
0,035	85	90	76,5
0,040	85	90	76,5
0,060	79	87	68,7

Efisiensi turbin naik pada awal kenaikan debit, mencapai maksimum 85% pada bagian tengah rentang debit, lalu menurun hingga 79%. Pola ini menunjukkan bahwa turbin memiliki kondisi operasi dengan efisiensi tertinggi. Efisiensi generator lebih stabil, naik dari 84% hingga 90% lalu sedikit menurun pada debit tinggi.

Efisiensi sistem lebih rendah daripada efisiensi masing-masing komponen karena akumulasi rugi-rugi. Pada nilai desain (η_t = 82%, η_g = 90%), efisiensi sistem adalah 0,82 × 0,90 = 0,738 atau 73,8%. Perlu dicatat, debit desain 0,023 m³/s berada di antara titik 0,020 dan 0,025 pada grafik, sehingga nilai desain diambil sebagai representatif titik 0,025 m³/s. Titik efisiensi maksimum sistem (76,5%) berada pada debit 0,035–0,040 m³/s, sedikit di atas debit desain.

6. Pembahasan Keseluruhan Hasil Simulasi

Berdasarkan keempat grafik, performa rancangan Turbin Turgo sangat dipengaruhi oleh kondisi hidrolik dan efisiensi komponen. Grafik pertama menunjukkan kenaikan head meningkatkan daya generator pada debit 0,023 m³/s, dengan daya sekitar 10 kW pada head 60 m. Grafik kedua menunjukkan kenaikan debit meningkatkan daya pada head 60 m. Grafik ketiga memperlihatkan pengaruh kombinasi keduanya, sedangkan grafik keempat menunjukkan perubahan efisiensi terhadap debit.

Dengan demikian, kondisi desain yang dipilih, yaitu head 60 m, debit 0,023 m³/s, efisiensi turbin 82%, dan efisiensi generator 90%, menghasilkan efisiensi sistem 73,8% dan daya generator sekitar 10 kW. Secara teoritis rancangan mampu memenuhi target daya serta kebutuhan beban peternakan sebesar 8 kW.

Namun, hasil MATLAB ini masih merupakan perhitungan teoritis, bukan hasil pengujian fisik. Nilai efisiensi pada simulasi berasal dari data yang ditentukan dalam model, sehingga hasil aktual dapat berbeda apabila turbin dibuat dan diuji langsung. Hasil ini dapat menjadi dasar pengembangan desain berikutnya, terutama pada nozzle, runner, bucket, penstock, poros, dan generator.

7. Analisis Sensitivitas dan Kondisi Musim Kemarau

Daya generator masih mencukupi beban 8 kW selama debit tidak turun di bawah sekitar 18,4 L/s, atau sekitar 80% dari debit desain. Angka ini diperoleh dari hubungan P_g = 9,81 × H × Q × η_t × η_g yang pada head 60 m dan efisiensi 0,738 menjadi P_g ≈ 434,4 × Q (kW, Q dalam m³/s), sehingga Q minimum untuk 8 kW adalah 8 / 434,4 ≈ 0,0184 m³/s.

Debit sungai pada peternakan nyata tidak konstan sepanjang tahun, sehingga perlu diketahui seberapa besar penurunan debit atau head yang masih dapat ditoleransi.

Pengaruh Perubahan Debit dan Head

Skenario	Head (m)	Debit (L/s)	Daya generator (kW)	Diameter nozzle (mm)	Status terhadap beban 8 kW
Desain	60	23,0	9,99	29,5	Tercukupi, cadangan 2 kW
Debit turun 10%	60	20,7	8,99	28,0	Tercukupi
Debit turun 20%	60	18,4	7,99	26,4	Batas kecukupan
Debit turun 30%	60	16,1	6,99	24,7	Kurang sekitar 1 kW
Debit turun 50%	60	11,5	5,00	20,9	Kurang sekitar 3 kW
Debit naik 20%	60	27,6	11,99	32,3	Melebihi kapasitas generator 10 kW
Head turun 10%	54	23,0	8,99	30,3	Tercukupi
Head naik 10%	66	23,0	10,99	28,8	Melebihi kapasitas generator 10 kW

Diameter nozzle pada skenario debit dihitung dengan kecepatan jet tetap (head 60 m), sehingga luas nozzle berubah sebanding dengan debit. Hal ini menunjukkan perlunya spear valve atau nozzle yang dapat disetel. Pada skenario debit naik 20% atau head naik 10%, daya teoritis melebihi 10 kW sehingga bukaan nozzle harus dibatasi agar generator tidak kelebihan beban.

Perubahan head juga mengubah speed ratio karena putaran tetap 1000 rpm. Pada head 54 m kecepatan jet menjadi 31,9 m/s sehingga speed ratio naik menjadi sekitar 0,485, sedangkan pada head 66 m kecepatan jet 35,3 m/s dan speed ratio turun menjadi sekitar 0,44. Keduanya masih mendekati rentang kerja wajar turbin impuls, tetapi efisiensi dapat bergeser dari nilai desain.

Pengaruh Efisiensi

Sensitivitas terhadap efisiensi diperiksa pada head 60 m dan debit 0,023 m³/s dengan daya hidrolik 13,54 kW. Jika efisiensi turbin turun dari 82% menjadi 77%, daya generator menjadi 9,38 kW. Jika efisiensi generator turun dari 90% menjadi 85%, daya menjadi 9,44 kW. Bila keduanya turun bersamaan, daya generator tetap sekitar 8,86 kW dan masih di atas kebutuhan 8 kW. Hasil ini menunjukkan bahwa margin cadangan 25% cukup untuk menyerap ketidakpastian efisiensi sebesar lima poin persentase pada kedua komponen.

Strategi Menghadapi Musim Kemarau

Beban peternakan tidak semuanya bersifat wajib. Beban esensial (penerangan 1,0 kW, pompa air 1,5 kW, ventilasi 1,0 kW, dan pendingin susu 1,5 kW) berjumlah 5,0 kW, sedangkan pencacah pakan 2,0 kW dan peralatan lain 1,0 kW dapat dijadwalkan atau ditunda. Dengan pengelolaan beban ini:

1. Pada debit turun 30% (daya 6,99 kW), beban tanpa pencacah pakan sebesar 6,0 kW masih terpenuhi.
2. Pada debit turun 50% (daya 5,00 kW), hanya beban esensial 5,0 kW yang terpenuhi tanpa cadangan, sehingga pencacahan pakan dan kegiatan non-esensial harus dihentikan.
3. Jika penurunan debit lebih besar atau berlangsung lama, diperlukan sumber cadangan seperti baterai dengan inverter atau genset yang hanya dioperasikan saat darurat.
4. Bak penenang (forebay) yang lebih besar dapat menampung air pada malam hari untuk digunakan pada jam beban puncak, selama volume dan regulasi pengambilan air memungkinkan.

Strategi ini menunjukkan bahwa keandalan sistem ditentukan oleh data debit musiman, bukan hanya oleh debit desain. Karena itu, pengukuran debit selama minimal satu tahun menjadi rekomendasi utama sebelum investasi dilakukan.

8. Perkiraan Energi Tahunan, Dampak Lingkungan, dan Manajemen Risiko

Dengan beban rata-rata 4 kW dan ketersediaan 90%, sistem diperkirakan menghasilkan sekitar 31.500 kWh per tahun dan mengganti sekitar 9.500 liter solar yang akan dipakai genset. Perkiraan ini memakai asumsi di bawah dan perlu diganti dengan data beban dan harga bahan bakar yang sebenarnya.

Perkiraan Energi dan Manfaat

Besaran	Asumsi / Persamaan	Hasil
Beban rata-rata	50% dari beban total 8 kW	4 kW
Ketersediaan sistem	Perawatan, banjir, dan gangguan lain	90%
Energi tahunan	4 kW × 8.760 jam × 0,90	≈ 31.536 kWh
Solar yang digantikan	0,30 L/kWh (asumsi konsumsi genset)	≈ 9.461 L
Penghematan biaya bahan bakar	Rp 14.000/L (asumsi harga solar)	≈ Rp 132 juta per tahun
Emisi CO₂ yang dihindari	2,68 kg CO₂/L solar (faktor emisi umum)	≈ 25,4 ton per tahun

Angka biaya di atas hanya menunjukkan potensi penghematan bahan bakar. Biaya investasi (turbin, penstock, generator, kontrol, dan sipil) serta biaya operasi dan perawatan belum dihitung karena memerlukan rencana anggaran biaya (RAB), sehingga lama pengembalian modal belum dapat ditentukan pada tahap konseptual ini. Konsumsi genset pada beban parsial umumnya lebih boros per kWh, sehingga penghematan sebenarnya dapat lebih besar dari perkiraan.

Dampak Lingkungan dan Sosial

Turbin impuls bersifat non-konsumtif: air dikembalikan ke sungai melalui tailrace. Meski demikian, beberapa hal perlu diperhatikan:

1. Debit lingkungan: pada ruas sungai antara intake dan tailrace (sekitar panjang penstock) aliran berkurang. Sebagian debit harus tetap dialirkan agar kehidupan akuatik dan pengguna di hilir tidak terganggu; besarnya mengikuti ketentuan setempat.
2. Intake dan satwa air: saringan intake dipasang agar ikan dan sampah tidak terhisap ke penstock.
3. Erosi di tailrace: keluaran air berkecepatan tinggi perlu diredam dengan bak peredam atau batu pelindung agar tebing sungai tidak tergerus.
4. Kualitas air: limbah kandang (kotoran, urine, air cucian) tidak boleh masuk ke intake atau sungai. Pengelolaan limbah, misalnya biodigester, sejalan dengan tujuan proyek.
5. Kebisingan: putaran 1000 rpm dan hentakan jet menimbulkan suara, sehingga rumah turbin diletakkan jauh dari kandang yang sensitif terhadap gangguan.
6. Perizinan dan masyarakat: pengambilan air dan pembangunan pembangkit perlu mengikuti ketentuan perizinan yang berlaku dan dikomunikasikan dengan pengguna air lain di sekitar sungai.

Manajemen Risiko

Risiko	Penyebab	Dampak	Mitigasi
Debit turun	Musim kemarau, perubahan tutupan lahan	Daya di bawah 8 kW	Pengukuran debit setahun, manajemen beban, baterai atau genset cadangan
Intake dan nozzle tersumbat	Daun, sampah, pasir	Debit dan daya turun mendadak	Saringan berjenjang, bak pengendap pasir, pembersihan rutin
Abrasi bucket dan nozzle	Pasir halus dalam air	Efisiensi turun dan runner rusak	Bak pengendap, material tahan abrasi, inspeksi berkala
Water hammer	Penutupan katup terlalu cepat	Pipa pecah atau sambungan bocor	Katup ditutup perlahan, pipa PN 12,5 atau lebih tinggi
Putaran lari (runaway)	Beban generator lepas mendadak	Kerusakan runner, bantalan, dan generator	ELC dan ballast, proteksi overspeed, penutupan darurat
Banjir	Hujan deras	Intake dan rumah turbin rusak	Intake di posisi aman, pelindung tebing, rumah turbin di atas muka banjir
Korosi dan kelembapan	Uap air dan amonia kandang	Panel dan kabel cepat rusak	Panel IP54 atau lebih tinggi, pelapis anti-korosi

Jadwal Perawatan Rencana

Interval	Kegiatan
Harian	Periksa saringan intake, tekanan, suara dan getaran, serta tegangan dan frekuensi
Mingguan	Bersihkan bak pengendap dan saringan, periksa kebocoran sambungan penstock
Bulanan	Periksa suhu bantalan, kekencangan baut dan kopling, serta fungsi ELC dan ballast
Tahunan	Lepas runner untuk memeriksa bucket dan nozzle, ganti pelumas atau bantalan, uji sistem proteksi dan katup darurat

Keterbatasan Analisis

Analisis pada bagian ini bergantung pada asumsi panjang penstock 150 m, faktor gesek 0,015, kecepatan gelombang tekanan 300 m/s, sudut keluar bucket 30°, beban rata-rata 50%, dan harga serta konsumsi solar. Seluruh asumsi tersebut perlu diganti dengan data ukur dan data pabrikan sebelum desain dijadikan dasar pembangunan.

I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

Kesimpulan

Berdasarkan perancangan dan simulasi, Turbin Turgo dapat digunakan sebagai alternatif sistem konversi energi untuk memanfaatkan energi air pada head menengah dan debit kecil guna memasok listrik peternakan. Perancangan mempertimbangkan kebutuhan daya, kondisi hidrolik, efisiensi turbin, dan efisiensi generator.

Berdasarkan kebutuhan awal 8 kW, kapasitas generator ditentukan 10 kW. Dari perhitungan diperoleh kondisi desain berupa head 60 m dan debit sekitar 0,023 m³/s, dengan kecepatan jet 33,6 m/s, diameter nozzle sekitar 30 mm, diameter runner sekitar 300 mm pada 1000 rpm, dan torsi sekitar 106 N·m. Dengan efisiensi turbin 82% dan generator 90%, sistem secara teoritis mampu menghasilkan daya sekitar 10 kW dengan efisiensi total 73,8%.

Simulasi menunjukkan bahwa head dan debit berpengaruh langsung terhadap daya generator, baik secara terpisah maupun bersamaan, dan bahwa performa sistem juga dipengaruhi efisiensi turbin dan generator. Hasil tersebut masih bergantung pada asumsi model sehingga pengujian lebih lanjut diperlukan.

Analisis lanjutan memperkuat kesimpulan tersebut. Segitiga kecepatan menghasilkan efisiensi hidrolik runner sekitar 82,9% dan torsi sekitar 107 N·m, konsisten dengan asumsi desain. Penstock berdiameter 150 mm membatasi rugi gesek sekitar 1,4 m dari head 60 m, dan generator 6 kutub 12,5 kVA dapat dikopel langsung pada 1000 rpm. Analisis sensitivitas menunjukkan beban 8 kW masih terpenuhi selama debit tidak turun di bawah sekitar 18,4 L/s, dengan perkiraan energi tahunan sekitar 31.500 kWh yang dapat menggantikan sekitar 9.500 liter solar per tahun.

Penutup

Proyek ini memberikan gambaran penerapan prinsip Sistem Konversi Energi dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik dan kemudian energi listrik untuk kebutuhan peternakan. Proses dilakukan bertahap mulai dari menentukan kebutuhan daya, mengidentifikasi parameter hidrolik, menghitung komponen utama, hingga simulasi MATLAB.

Penulis memahami bahwa perancangan sistem konversi energi membutuhkan hubungan yang jelas antara kebutuhan pengguna, sumber energi, karakteristik turbin, dan kemampuan generator. Kondisi sebenarnya dapat dipengaruhi rugi-rugi aliran, kondisi penstock, bentuk nozzle, karakteristik bucket, gesekan mekanis, kondisi generator, serta fluktuasi debit musiman. Rancangan ini dapat menjadi dasar awal pengembangan Turbin Turgo yang lebih detail dan pengujian eksperimental.

Rekomendasi

Tahap berikutnya perlu memperoleh data lapangan yang lebih akurat: head efektif, debit air, variasi debit terhadap waktu (terutama musim kemarau), kondisi saluran air, profil beban harian peternakan, dan kondisi lingkungan sekitar sumber air.

Perancangan komponen perlu dikembangkan lebih detail, terutama runner, bucket, nozzle, penstock, poros, dan sistem kopling ke generator. Pemilihan generator, sistem kontrol, dan sistem proteksi perlu dianalisis agar sesuai dengan daya dan putaran turbin serta menjaga kestabilan operasi. Pertimbangkan pula penyimpanan energi (baterai) atau beban penyeimbang untuk menjaga mutu listrik bagi peralatan sensitif seperti pendingin susu.

Pengujian eksperimental sangat direkomendasikan; hasilnya dapat dibandingkan dengan simulasi MATLAB untuk memperbaiki asumsi dan model. Pengembangan juga perlu memperhatikan keberlanjutan sumber air, serta pengelolaan limbah peternakan agar tidak mencemari aliran air.

J. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan puji dan syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat, kesehatan, kesempatan, dan kemudahan selama penyelesaian proyek perancangan Turbin Turgo ini.

Penulis menyampaikan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi atas arahan, pengetahuan, dan kesempatan untuk mempelajari perancangan sistem konversi energi secara lebih mendalam. Terima kasih juga kepada teman-teman dan semua pihak yang telah memberikan bantuan, masukan, diskusi, dan dukungan selama perhitungan, simulasi MATLAB, dan penyusunan laporan.

Penulis menyadari proyek ini memiliki keterbatasan dari sisi data, asumsi, metode, dan simulasi. Kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk meningkatkan kualitas perancangan pada tahap selanjutnya. Semoga proyek ini bermanfaat dalam memahami penerapan prinsip konversi energi air menjadi energi listrik serta menjadi pengalaman berguna bagi penulis di bidang teknik energi.

K. REFERENSI YANG DIKUTIP

U.S. Department of Energy. Types of Hydropower Turbines. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

U.S. Department of Energy. Microhydropower Systems. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

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

Paish, O. (2002). Micro-hydropower: Status and prospects. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power Engineering, 216(1), 31–40.

Cobb, B. R., & Sharp, K. V. (2013). Impulse (Turgo and Pelton) turbine performance characteristics and their impact on pico-hydropower system design. Renewable Energy, 50, 959–964.

Williamson, S. J., Stark, B. H., & Booker, J. D. (2014). Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis. Renewable Energy, 61, 43–50.

Penche, C. (1998). Layman’s Handbook on How to Develop a Small Hydro Site. European Commission.

L. LAMPIRAN

Lampiran 1. Kode Program MATLAB

1. Kode Simulasi Pengaruh Head terhadap Daya Generator

clc
clear
close all
rho = 1000;
g = 9.81;
eta_t = 0.82;
eta_g = 0.9;
Q = 0.023;
H = 10:10:100;
Pg = rho*g*Q.*H*eta_t*eta_g/1000;
figure
plot(H,Pg,’-o’,’LineWidth’,2)
grid on
xlabel(‘Head (m)’)
ylabel(‘Daya Generator (kW)’)
title(‘Pengaruh Head terhadap Daya Generator’)

2. Kode Simulasi Pengaruh Debit terhadap Daya Generator

clc
clear
close all
rho = 1000;
g = 9.81;
eta_t = 0.82;
eta_g = 0.9;
H = 60;
Q = 0.01:0.005:0.06;
Pg = rho*g*Q*H*eta_t*eta_g/1000;
figure
plot(Q,Pg,’-s’,’LineWidth’,2)
grid on
xlabel(‘Debit (m^3/s)’)
ylabel(‘Daya Generator (kW)’)
title(‘Pengaruh Debit terhadap Daya Generator’)

3. Kode Simulasi Hubungan Head, Debit, dan Daya Generator

clc
clear
close all
rho = 1000;
g = 9.81;
eta_t = 0.82;
eta_g = 0.9;
H = 10:5:100;
Q = 0.01:0.0025:0.06;
[Hm,Qm] = meshgrid(H,Q);
Pg = rho*g.*Qm.*Hm*eta_t*eta_g/1000;
figure
surf(Hm,Qm,Pg)
xlabel(‘Head H (m)’)
ylabel(‘Debit Q (m^3/s)’)
zlabel(‘Daya Generator (kW)’)
title(‘Hubungan Head, Debit dan Daya Generator’)
colorbar
shading interp

4. Kode Simulasi Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem

clc
clear
close all
Q = 0.01:0.005:0.06;
eta_turbin = [70 75 80 82 84 85 85 84 83 81 79];
eta_generator = [84 86 88 90 90 90 90 90 89 88 87];
eta_sistem = eta_turbin.*eta_generator/100;
figure
plot(Q,eta_turbin,’-o’,’LineWidth’,2)
hold on
plot(Q,eta_generator,’-s’,’LineWidth’,2)
plot(Q,eta_sistem,’-^’,’LineWidth’,2)
grid on
xlabel(‘Debit (m^3/s)’)
ylabel(‘Efisiensi (%)’)
title(‘Efisiensi Turbin, Generator, dan Sistem’)
legend(‘Efisiensi Turbin’,’Efisiensi Generator’,’Efisiensi Sistem’)