04_perancangan pembangkit listrik berpenggerak air tenaga gravitasi

SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK BERPENGGERAK AIR TENAGA
GRAVITASI EMPAT INLET SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR
A. Sofwan dan Paranto WS. Putro
Jurusan Teknik Elektro, Institut Sains dan Teknologi Nasional
Jl. Moh. Kahfi II, Jagakarsa, Jakarta 12640, Indonesia
E-mail : [email protected], [email protected]
ABSTRAK Pembangkit listrik berpengerak air tenaga gravitasi empat inlet sebagai penggerak
generator dipaparkandalam paper ini sebagaisuatu kajian di bidang konversi energi listrik sebagai
sumber tenaga listrik yang terbarukan. Dalam hadapi krisis energi dunia maka konversi energi air
menjadi energi listrik merupakan solusi yang ideal untuk menghasilkan energi yang bersih dan
murah. Namun sekarang ini harga penghasil energi listrik alternatif yang mendominasi pasar, masih
relatif mahal dan membutuhkan teknologi yang tinggi dan proses produksi yang sulit. Untuk lebih
dapat memaksimalkan penggunaan listrik di seluruh pelosok tanah air maka dirancanglah suatu
system pembangkit tenaga listrik berskala kecil.Agar terfokus, obyek kajian yang diambil yaitu
alternator, rumah sudu, sudu penggerak dan mekanika fluida pada katup dan pipa alir.
Kata kunci : listrik alternatif, sudu, analisis dimensi, analisis CFD.
I.
PENDAHULUAN
Pelestarian lingkungan hidup dan iklim bumi
termasuk di antara tantangan global yang disadari
sepenuhnya oleh kalangan masyarakat secara
nasional
maupun
Internasional[1].
Sehingga
diperlukan strategi ganda untuk meningkatkan
efisiensi pemakaian energi dan sumber daya alam,
dan untuk menambah produksi energi terbarukan
serta bahan baku yang tumbuh kembali. Dengan
demikian terdoronglah usaha pengembangan
teknologi energi yang inovatif, baik di pihak
produsen, seperti pembangkit tenaga listrik dan
penghasil energi terbarukan, maupun di pihak
pemakai energi. Sumber daya alam dapat
dimanfaatkan untuk menghasilkan daya listrik,
olehkarenanya pemanfaatan tenaga gravitasi air
dengan 4 inlet akan dijadikan penggerak generator
guna menghasilkan energi listrik.
2.1.
KAJIAN ALTERNATOR
Generator adalah sebuah mesin listrik yang
dapat mengubah daya mekanis menjadi daya listrik.
Sedangkan alternator merupakan generator elektris
yang digerakan untuk menghasilkan arus bolak
balik. Pada alternator arus listrik dibangkitkan dalam
kumparan pada saat kumparan diputarkan dalam
medan magnet. Jenis arus listrik yang dibangkitkan
adalah arus bolak-balik yang arah alirannya secara
konstan berubah-ubah dan untuk merubahnya
menjadi arus searah, diperlukan sebuah komutator
dan brush (sikat-sikat).
Gambar 1: Magnet berputar di dalam
kumparan
Bagian-bagian utama dari alternator adalah
rotor yang membangkitkan elektromagnetik, stator
yang membangkitkan arus listrik dan diode yang
menyearahkan arus. Sebagai tambahan, terdapat
pula brush yang mengalirkan arus ke rotor coil untuk
memperhalus putaran rotor dan fan untuk
mendinginkan rotor, stator serta diode. Semua
bagian tersebut dipegang oleh front dan rear frame
sebagaimana terlihat pada gambar 1.
2.2
Pemodelan Sudu dan Rumah sudu
(Housing Impeller)
Sudu merupakan bagian dari sistem
penggerak berupa pelat yang disusun secara
melingkar pada suatu poros. Rumah sudu
digunakan untuk penempatan sudu penggerak
sekaligus tempat berputarnya sudu. Berputarnya
sudu digerakkan oleh energi kinetik yang dihasilkan
oleh air yang mengalir secara vertikal. Rumah sudu
dirancang sedemikian rupa sehingga air yang telah
masuk setelah memutar sudu akan keluar dan
mengalir kembali menuju bejana penampung utama.
A1-15
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
A1-16
Fluid Dynamic) dibutuhkan pemodelan persamaanpersamaan aliran fluida pada rumah turbin,
diantaranya :
a) Persamaan kontinuitas
Persamaan kontinuitas (konservasi massa)
secara umum dapat dituliskan, sebagai berikut [4]:
∂ρ
+ ∇ ( ρU ) = 0
∂t
Gambar 2: Konsep Rumah Sudu Penggerak dan
Bagiannya.
2.3
Pemodelan Katup tipe Ball Valve
Katup sebagai control-gate memiliki fungsi
untuk mengatur besar kecilnya debit air yang akan
mengalir didalam pipa menuju penstock sebelum
akhirnya air mengalir menuju rumah sudu. Penstock
dipasang dan diletakkan secara kolinier dengan
lubang outlet pada katup sehingga debit dan
kecepatan air yang mengalir pada penstock di
pengaruhi oleh besar kecilnya katup yang terbuka
pada ball valve (lihat gambar 3).
Gambar 3 Ball valve
2.4
Pemodelan aliran fluida pada penstock
Teori dasar yang digunakan untuk analisis
turbin air, menyangkut perilaku fluida cair
(hidrostatika) yang meliputi teori hidrostatika dan
hidrodinamika. Basaran fluida yang terlibat dalam
perhitungan turbin air adalah tekanan (p), massa
jenis (ρ) dan viskositas (v atau µ). Viskositas
dibedakan menjadi dua yaitu viskositas kinematik v
dan viskositas absolut dinamik µ.
Jumlah energi listrik yang dihasilkan
tergantung dari volume aliran air dari head (beda
ketinggian permukaan air pada bejana dan
penstock). Semakin besar aliran yang masuk ke
dalam penstock, maka makin besar energi listrik
yang dapat dihasilkan. Persamaan untuk mengukur
energi listrik yang dihasilkan oleh system pada
turbin Kaplan adalah sebagai berikut [2]:
P = ρgQHη
P adalah tenaga listrik yang dihasilkan
3
2
[Watt], Q aliran rata-rata (m /s), gravitasi g (m/s ),
3
kerapatan air ρ (kg/m ), head statis H (m) dan
efisiensi η. Simulasi CFD digunakan sebagai salah
satu cara untuk menganalisis aliran fluida pada
penstock. Analisis menggunakan CFD (Computional
Dimana ρ adalah kerapatan dan U adalah
kecepatan aliran. Pada fluida inkompresibel (ρU) = 0
pada keadaan steady.
b) Persamaan momentum
Persamaan gerak fluida, dimana memenuhi
persamaan konservasi momentum, sebagai berikut
[2]:
∂ρU
+ ∇ • ( ρUU ) = ∇(− Pδ ) + ∇ • ( µ (∇U + (∇U ) T )) + S m
∂t
Dimana P adalah tekanan statik, µ dinamik
viscositas dan Sm adalah sumber momentum.
Sumber momentum diakibatkan gaya diakibatkan
gerakan fluida akibat gravitasi.
III.
FORMULASI MASALAH DAN SIMULASI
CFD
3.1
Deskripsi masalah
Katup (Control Gate) adalah tempat dimana
fluida mengalir dari bejana ke penstock sebelum
akhirnya mengalir ke rumah sudu dan memutar
sudu penggerak. Katup disusun secara kolinier
dengan penstock sehingga aliran fluida pada tempat
masuk
(water inlet) katup dan penstock
mempengaruhi aliran yang masuk pada rumah
sudu. Dimensi katup mempengaruhi aliran fluida
yang masuk ke dalam penstock. Oleh karena itu
diperlukan analisis katup agar didapatkan profil
katup dan penstock yang optimal.
3.2
Model geometri
Pada pemodelan geometri menggunakan
bentuk dan ukuran yang sebenarnya dari model
yang akan disimulasikan [3]:. Pada umumnya,
pemodelan geometri dilakukan secara 3 (tiga)
dimensi dengan skala 1 :11, digambarkan pada
gambar 4.
Ukuran geometri simulasi : millimeter (mm)
Gambar 4: Model konsep geometri katup alir
3.3
Model aliran
Pada pemodelan aliran diasumsi bahwa
kecepatan aliran fluida memiliki kecepatan rendah
atau dengan kata lain viskositas kinematiknya tinggi.
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
1005
0.002
1000
0.0018
995
0.0016
Dynamic viscosity[Pa*s]
990
985
980
975
970
965
0.0014
0.0012
0.001
0.0008
0.0006
0.0004
0.0002
960
0
955
0
50
100
150
200
250
300
350
0
400
50
100
200
250
300
350
400
Temperature[K]
Temperature[K]
4230
0.7
4220
0.68
Thermal conductivity[W/(m*K)]
Specific heat (Cp)[J/(kg*K)]
150
4210
4200
4190
4180
4170
0.66
0.64
0.62
0.6
0.58
0.56
0
50
100
150
200
250
Temperature[K]
300
350
400
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Temperature[K]
Gambar 5: Parameter air pada temperature
o
293,3 Kelvin
IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Permasalahan yang diambil pada kajian
analisis ini adalah bentuk aliran fluida pada katup
berdimensi 1:11 dengan menggunakan teknologi
simulasi CFD Cosmos Floworks2007 dengan
pemodelan aliran turbulen k − ε . Untuk kecepatan
air pada water inlet, nilai tersebut merupakan hasil
simulasi dari air yang turun dari penampung utama
menuju penampung sekunder hingga mengalir
melalui pipa hingga menuju inlet pada katup.
Jika jarak head dengan katup penstock 3
meter, kecepatan air yang masuk pada water inlet
o
sebesar 20m/s, suhu air 293 K, disipasi turbulensi
( ε ) 1W/kg, energi turbulensi (k) 1J/kg, dan tekanan
hidrostatis pada water outlet adalah 101325Pa.
Sedangkan parameter yang ingin dicari adalah debit
ait pada outlet, tekanan total pada inlet, tekanan
total pada outlet, kecepatan minimum pada outlet,
kecepatan maksimum pada outlet, dan kecepatan
rata-rata pada outlet, maka didapatkan hasil analisis
CFD disimulasikan pada gambar 6.
Tabel 1 Parameter hasil simulasi CFD pada Katup
terbuka penuh.
Name
Outlet
Min
Velocity
Outlet
Mass
Flow
Rate
Outlet
Max
Velocity
OutletV
olume
Flow
Rate
Outlet
Av
Velocity
Inlet Av
Total
Pressur
e
Outlet
Max
Total
Pressur
e
Value
Prog
ress
Use in
conver
gence
Delta
Criteria
m/
s
0.30801
4
100
On
0.3754317
01
2.34527
973
Kg/
s
6.24409
100
On
0.0002679
46029
0.00624
408597
m/
s
49.1434
100
On
0.7752364
33
2.86022
986
M3/
s
0.00625
526
100
On
3.8034392
6e-007
3.13463
064e005
m/
s
17.7604
100
On
0.0256130
317
0.24226
9379
Pa
1.43888
e+006
100
On
27363.798
1
34706.2
762
Pa
1.30673
e+006
100
On
37799.745
5
112115.
601
Un
it
Tabel 2 Parameter Min/Max hasil simulasi CFD
pada katup terbuka penuh.
Name
Minimum
Maximum
Pressure [Pa]
1.17362e+0
06
1.41183e+0
06
292.833
293.268
Density [kg/m ]
998.184
998.262
Velocity [m/s]
0
59.4003
X-velocity [m/s]
-59.4003
9.15527
Y-velocity [m/s]
-25.4031
25.4509
Z-velocity [m/s]
Heat Transfer Coefficient
[w/m2K]
-25.3361
25.4289
0
1.93838e005
0
Surface Heat Flux [W/m ]
0
0
Water SP Mass Fraction [ ]
1
1
Water SP Volume Fraction [ ]
1
1
Fluid Temperature [K]
292.833
293.268
Temperature [K]
3
Shear Stress [Pa]
2
(a)
8809.83
(b)
70
1400000
60
1200000
50
1000000
800000
Velocity (m/s)
40
Pressure (Pa)
Density[kg/m^3]
Fluida kerja adalah fluida inkompresibel yaitu air.
Berdasarkan asumsi tersebut digunakan pemodelan
untuk aliran turbulen. Parameter air pada temperatur
o
293,3 K, dinyatakan pada gambar 5 berikut:
A1-17
30
600000
400000
20
(c)
(d)
200000
10
0
0
0
Gambar 6: (a) Distribusi kecepatan air saat katup
terbuka penuh, (b) Distribusi kecepatan air saat
katup terbuka setengah, (c) Distribusi tekanan air
saat katup terbuka penuh (d) Distribusi tekanan
fluida saat katup terbuka setengah.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
-10
0.05
0.06
0.07
0.08
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
-200000
-400000
Length (m)
Length (m)
(a)
(b)
Gambar 7 (a) Diagram kecepatan air di dalam katup,
(b) Diagram tekanan air di dalam katup.
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Hasil analisis CFD tersebut dimasukkan ke dalam
rumus P = ρgQHη , dengan nilai ρ = 998,262
kg/m , g = 9,81 m/s , Q = 0.00625526 m /s. Jika
dianggap efisiensi kerja system keseluruhan adalah
60%, dan jarak ketinggian dari bejana hingga katup
adalah H = 3meter . Maka potensi daya yang
didapat adalah
3
2
3
P = ρgQHη
P = 998,262 x9,81x0,00625526 x3 x0,6
P = 110,26Watt
Dengan menggunakan perbandingan dimensi 1:11
diasumsikan bahwa sistem dapat menghasilkan
110,26Watt pada satu inlet, dengan syarat air
mengalir dari bejana penampung utama menuju ke
penampung sekunder.
V.
KESIMPULAN
Dari analisa tersebut diatas dapat diambil
beberapa kesimpulan diantaranya:
1. Pengaplikasian rumah sudu empat inlet dalam
hal ini sebagai penggerak mula alternator dapat
digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air
pikohidro, meskipun output yang dihasilkan
dipengaruhi oleh faktor kecepatan air, debit air,
ketinggian head dan dimensi alat dengan
menghasilkan
110,26
watt
dengan
perbandingan 1:11 .
2. Dari analisis katup, didapatkan perbedaan
distribusi kecepatan dari inlet sampai dengan
outlet pada pikohidro, dikarenakan terjadi
perbedaan kecepatan antara fluida yang dekat
dinding dan di tengah penstock
3. Dari analisis katup, tekanan aliran di dalam
katup terjadi perubahan bilangan reynold dari
inlet hingga outlet dikarenakan pada inlet aliran
fluida pikohidro masih berupa aliran transisi
sedangkan
pada
outlet
telah
berubah
sepenuhnya menjadi aliran turbulen.
DAFTAR PUSTAKA
1. Wille, Joachim,Jln Menuju Kebijakan Iklim &
Energi Modern Bersinambung.
2. Alamsyah, Heri, Pemanfaatan Turbin Angin Dua
Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada
Pembangkit Listrik Tenaga Angin, Universitas
Negeri Semarang, Semarang, 2007.
3. Sonief, A As’ad, Diktat Metode Elemen Hingga,
Unibraw, Malang, 2003.
4. Paryatmo, Wibowo, Turbin Air, Graha Ilmu,
Yogyakarta, 2007.
A1-18