BAB II LANDASAN TEORI 2.1 PENDAHULUAN Pembangkitan listrik

7
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
PENDAHULUAN
Pembangkitan listrik Mikro Hidro adalah pembangkitan listrik dihasilkan oleh generator
listrik DC atau AC. Mikro Hidro berasal dari kata mikro yang berarti kecil dan hydro
artinya air, arti keseluruhan adalah pembangkitan listrik daya kecil yang digerakkan oleh
tenaga air. Tenaga air besaral dari aliran sungai kecil atau danau yang dibendung dan
kemudian dari ketinggian tertentu dan memiliki debit yang sesuai akan menggerakkan
turbin yang dihubungkan dengan generator listrik.
Generator yang digunakan untuk Mikro Hidro dirancang mudah untuk dioperasikan
dan dipelihara, didesain menunjang keselamatan, tetapi peralatan dari listrik akan menjadi
berbahaya bila tidak digunakan dengan baik. Beberapa point dari pedoman ini, instruksinya
menunjukan hal yang wajib diperhatikan dan harus diikuti seperti ditunjukkan berikut ini.
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik
skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran
irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan
jumlah debit air. Pada sungai Air Anak terdapat potensi ketersediaan air yang cukup
sepanjang tahun, debit yang dapat diandalkan, memiliki kontur yang sesuai dan telah
dimanfaatkan untuk PLTMH. Namun PLTMH sungai Air Anak ini mengalami penurunan
daya listrik yang dihasilkan. Oleh karena itu, pada PLTMH sungai Air Anak ini perlu
dilakukan analisis dan menghitung kembali daya listrik yang dihasilkan PLTMH sungai
Air Anak ini.
Mikro Hidro biasanya dibangun pada daerah yang memiliki potensi pembangkit
energi listrik dalam kapasitas kecil lebih kecil dari 10 kW. Dalam pemilihan jenis turbin
yang digunakan untuk pembangkit mikro hidro, untuk kapasitas lebih kecil dari 10 kW
maka turbin yang dapat dipilih diantaranya turbin jenis turbin hydrocoil dan turbin ulir
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
8
dalam penelitian. Hal ini ditentukan oleh potensi dari lokasi yang direncanakan air
dengan debit air (Q) yang berkisar antara 1-10m3/s dengan ketinggian (H) berkisar 1 –
30m/s.
2.2
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala kecil
(kurang dari 100 kW), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil
energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut sumber energi
karena ramah lingkungan. Tenaga air berasal dari aliran sungai kecil atau danau yang
dibendung dan kemudian dari ketinggian tertentu dan memiliki debit yang sesuai akan
menggerakkan turbin yang dihubungkan dengan generator listrik. Semakin tinggi jatuhan
air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik.
Pembangkit tenaga air merupakan suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan
ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan
generator.
Sistem tenaga air mikro adalah bentuk efisien dan dapat diandalkan energi di saat ini.
Sistem ini populer di negara dunia ketiga (negara berkembang), terutama daerah-daerah
pedesaan yang tidak terhubung dengan listrik. Sebagian besar yang mengoperasikan dalam
bentuk terisolasi, karena penduduk di daerah pedesaan kecil dan jarang didistribusikan dan
perluasan sistem grid tidak layak secara finansial karena biaya investasi yang tinggi
diperlukan untuk saluran transmisi.
Sistem tenaga mikro hidro adalah sumber relatif kecil yang sesuai dalam banyak
kasus untuk pengguna individu atau kelompok pengguna yang independen dari jaringan
pasokan listrik. Meskipun teknologi ini bukan baru, aplikasi yang luas untuk air terjun kecil
dan lokasi potensial lainnya yang baru. Hal ini paling cocok untuk tinggi jatuh dengan
volume rendah, seperti yang terjadi di lembah yang tinggi di pegunungan. Sebuah sistem
listrik tenaga mikro hidro adalah penerapan listrik tenaga air pada skala komersial yang
melayani komunitas kecil dan diklasifikasikan oleh kekuasaan dan ukuran air terjun;
biasanya yang memiliki kurang dari kapasitas 100kW.
Sebuah sistem mikro hidro merupakan energi terbarukan yang lebih ramah lingkungan. Hal
ini karena hidrolik dapat dibuat konstruksi sederhana dan besar seperti bendungan biasanya
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
9
tidak diperlukan. MHPS ini sederhana untuk diinstal karena bagian-bagian seperti pipa,
generator dan lain-lain biasanya murah dan mudah untuk menemukannya.
Sistem listrik tenaga air ini telah menjadi lebih dan lebih penting karena beberapa
alasan. Hal yang pertama adalah sistem ini dekat dengan tempat demander, maka
membangun biaya cara yang jauh lebih murah dan uang disimpan. Selain itu, sistem tenaga
Mikro Hidro telah menjadi lebih dilunasi karena meningkatnya harga energi di seluruh
dunia.
2.3
PRINSIP KERJA PEMBANGKIT LISTRIK MIKRO HIDRO (PLTMH)
Pembangkit listrik tenaga air skala mikro pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian
dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun.
Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi
ini selanjutnya menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik. Sebuah skema
mikro hidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk
menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Hal ini adalah sebuah sistem konversi
energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) kedalam bentuk energi mekanik
dan energi listrik (Donald, 1994).
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) pada prinsipnya memanfaatkan
beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi,
sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan
energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik
Gambar 2.1 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro
(Sumber : pembangkit-energi-listrik-tenaga-mikrohidro, 2008)
Pada Gambar 2.1 menjelaskan bahwa Mikro hidro adalah istilah yang digunakan
untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air dalam skala mikro hidro.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
10
Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik
adalah memiliki kapasitas aliran dan ketiggian tertentu diinstalasi. Semakin besar kapasitas
aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa
dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Biasanya Mikro hidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang
mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas
mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda
ketingglan daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikro hidro juga
dikenal sebagai (white resources) dengan terjemahan bebas bisa dikatakan (energi putih).
Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber
daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam
memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi
sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah
tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik,
Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya Mikro hidro hanyalah sebuah istilah.
Mikro artinya kecil sedangkan hydro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak
merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikro hidro, pasti
mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikro hidro
dengan Mini hidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikro hidro menghasilkan daya
lebih rendah dari 100 W, sedangkan untuk mini hidro daya keluarannya berkisar antara 100
sampai 5000 W. Secara teknis, Mikro hidro memiliki tiga komponen utama yaitu air
(sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu
disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Dirumah
instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan
menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa
berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke
generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihaslikan energi listrik yang
akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau
keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses Mikro hidro merubah energi
aliran dan ketinggian air menjadt energi listrik.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
11
Terdapat sebuah peningkatan kebutuhan suplai daya ke daerah-daerah pedesaan di
sejumlah negara, sebagian untuk mendukung industri-industri, dan sebagian untuk
menyediakan penerangan di malam hari. Kemampuan pemerintah yang terhalang oleh
biaya yang tinggi dari perluasan jaringan listrik, sering membuat Mikro Hidro memberikan
sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan. Ini karena Skema Mikro Hidro yang mandiri
menghemat biaya dari jaringan transmisi, dan karena skema perluasan jaringan sering
memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal. Dalam kontrak, Skema Mikro Hidro
dapat didisain dan dibangun oleh pegawai lokal dan organisasi yang lebih kecil dengan
mengikuti peraturan yang lebih longgar dan menggunakan teknologi lokal seperti untuk
pekerjaan irigasi tradisional atau mesin-mesin buatan lokal. Pendekatan ini dikenal sebagai
Pendekatan Lokal. menunjukkan betapa ada perbedaan yang berarti antara biaya
pembuatan dengan listrik yang dihasilkan.
Gambar 2.2 Menunjukan beberapa komponen yang digunakan untuk Pembangkit
Listrik Tenaga Mikro hidro baik komponen utama maupun bangunan penunjang antara lain
(Energiterbarukan. net, 2008)
1.
Dam/Bendungan Pengalih (intake). Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air
melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai ke dalam sebuah bak pengendap.
2.
Pipa Pesat (Penstock). Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah
ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah turbin.
3.
Turbin. Turbin berfungsi untuk mengkonversi energi aliran air menjadi energi putaran
mekanis.
4.
Generator berfungsi untuk menghasilkan listrik dari putaran mekanis.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
12
Gambar 2.2. Komponen-Komponen Besar Dari Sebuah Skema Mikro Hidro (Rompas
dkk 2011)
Penggunaan beberapa komponen disesuaikan dengan tempat instalasi (kondisi
geografis, baik potensi aliran air serta ketinggian tempat) serta budaya masyarakat.
Sehingga terdapat kemungkinan terjadi perbedaan desain mikro hidro serta komponen yang
digunakan antara satu daerah dengan daerah yang lain.
2.4 PERHITUNGAN PARAMETER DI PENSTOCK
Eva cahyaning Tyas dkk (n.d) Penstock berfungsi sebagai pipa penyalur atau mengarahkan
aliran fluida antara bak penampung atau reservoir dengan turbin. Aliran fluida itu akan
menggerakkan turbin sehingga generator berputar dan menghasilkan listrik. Diameter pipa
penstock dipilih dengan pertimbangan keamanan, dan tingkat rugi seminimal mungkin.
Pipa penstock dibagi menjadi dua yaitu yang tertanam dan tidak tertanam dalam tanah.
Menurut Simanungkalit dan Hazwi (2012) dalam hukum bernaulli “dimana
kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika
kecepatan aliran fluida rendah, tekanan menjadi tinggi”.
Menurut Luthfie (2016) Persamaan bernoulli pada persamaan (2.1) bisa digunakan jika
semua rugi-rugi aliran diabaikan.
+
2𝑔+ 𝑧1 = 𝑃2 𝜌𝑔+
2𝑔+ 𝑧2 +ET+ ℎ1
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
(2.1)
13
Dimana:
P = tekanan (N/m^2)
𝜌 = massa jenis fluida (kg/m^3)
𝑔 = percepatan gravitasi (m/s^2)
h = ketinggian pipa diukur dari bidang acuan (m)
v = kecepatan aliran (m/s)
z = ketinggian (m)
ET = parameter turbin (m)
Persamaan (2.1) adalah persamaan bernoulli dalam bentuk head. Parameter P1 dan
P2 adalah tekanan di kondisi 1 dan kondisi 2. Kedua tekanan ini bernilai sama, yaitu 1 atm
(tekanan atmosfer) karena kedua kondisi terbuka ke atmosfer. Parameter v1 dan v2 adalah
kecepatan rata-rata fluida di kondisi 1 dan kondisi 2. Parameter ET adalah parameter yang
memungkinkan jika tekanan turbin turun, kecepatan juga ikut turun.
Parameter h1 adalah parameter yang mempresentasikan rugi-rugi yang diakibatkan oleh
gesekan antara fluida dengan dinding pipa dan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan Dary-Weisbach sebagaimana Persamaan.
(2.2)
Dimana:
h = tinggi pada pipa (m)
D = diameter (m)
f = Faktor Darcy-Weisbach
ɡ = percepatan gravitasi (m/s^2)
L = panjang pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata (m/s^2)
Parameter
adalah parameter kecepatan rata-rata yang dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (2.3)
Qopt= A2√
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
(2.3)
14
Dimana:
Qopt = debit optimum (m3/s)
H = tinggi permukaan (m)
A2 = luas penampang (m)
Persamaan(2.3) adalah parameter yang digunakan untuk menghitung debit optimal
penstock (Qopt). Parameter A2 adalah luas penampang pipa di inlet, parameter g adalah
percepatan gravitasi, parameter head gross (Hg) adalah tinggi dari permukaan bak
penampang sampai inlet, dan CL adalah sebuah faktor rugi-rugi pada penstock.
Parameter CL adalah faktor rugi-rugi yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
(2.4)
CL= f
+ Ʃ KL1-2 + ( )
(2.4)
Dimana:
CL = faktor rugi-rugi pipa
f = faktor gesekan
D2 = diameter dalam pipa (m)
A = luas penampang aliran (m)
Nilai parameter CL dapat diketahui dengan beberapa parameter, parameter tersebut
adalah koefisien gesek (f), panjang pipa dari dasar bak penampung sampai inlet (L),
diameter pipa bagian inlet (D2), parameter KL adalah koefisien rugi-rugi minor, luas
penampang pipa bagian inlet (A2), luas penampang pipa bagian draft tube (A3).
Tetapi karena tidak ada belokan dan tidak ada perubahan kecepatan dan tidak ada belokan,
maka pada persamaan (2.4) parameterƩ KL tidak digunakan, dan juga tidak menggunakan
draft tube sebagai pipa buangan, sehingga rumus ( ) tidak digunakan sehingga hanya
menggunakan persamaan (2.5)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
15
CL= f
(2.5)
Pada persamaan (2.5) parameter f adalah Darcy-Weisbach factor, L adalah panjang pipa
dari dasar penampung sampai inlet, D2 adalah diameter pipa dalam penstock.
Menurut Kijarvi (2011), parameter f pada persamaan (2.5) dapat dihitung dengan
persamaan Swamee-Jain dapat digunakan untuk mendapatkan nilai f (kekasaran pipa) pada
sebagian kasus aliran didalam pipa dengan batasan bilangan Reynolds antara 5000 sampai
108. Persamaan ini memiliki eror yang signifikan pada aliran transisi. Parameter ԑ pada
persamaan (2.6) adalah konstanta kekasaran pipa. Nilai ini dapat ditunjukkan oleh tabel
(2.1)
(2.6)
⌈(
(
)⌉
Tabel 2.1 Kekasaran ԑ (Cengel dan Cimbala, 2006)
Roughness,
Material
ft
Glass, Plastic
mm
0 (smooth)
Concrete
0.003-0.03
0.9-0
Wood Stave Rubber
0.0016
0.5
Smoothed
0.000033
0.01
Cooper or brass tubing
0.000005
0.0015
Cast iron
0.00085
0.26
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
16
Galvanized iron
0.0005
0.15
Wrought iron
0.00015
0.046
Stainless steel
0.000007
0.002
Commercial steel
0.00015
0.045
Dari tabel (2.1) parameter ԑ dinyatakan nilainya 0 karena pipa dianggap tidak memiliki
kekasaran. Sehingga F menjadi
(2.7)
⌈(
(
)⌉
Pada persamaan (2.7) Nilai Darcy-Weisbach factkeor (f) bergantung pada nilai Reynolds
(Re) yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.8). Nilai Reynolds akan
mempengaruhi pola aliran didalam pipa. Jika nilai reynolds kurang dari 2.300 maka aliran
dikatakan laminar, jika diantara 2.300 dan 4.000 maka aliran dikatan aliran transisi dan
jika diatas 4.000 maka dikatakan aliran turbulen.
Re =
=
(2.8)
Pada penelitian yang dilakukan oleh Leon dan Zhu (2014), persamaan yang digunakan
untuk menghitung daya turbin optimal yang dapat dihasilkan oleh sistem pembangkit listrik
tenaga air, dapat dirumuskan sebagai berikut
Dengan menggunakan parameter-parameter yang telah dihitung, maka parameter
terdapat pada Persamaan dapat dihitung pada Persamaan.
(2.9)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
yang
17
Dimana:
Qopt = Debit air (m3/s)
A = luas penampang (m)
V = kecepatan rata-rata fluida (m/s)
Aliran yang melalui pipa akan mengikuti hukum konservasi masa yang menyatakan
bahwa laju alir masa yang masuk sistem akan sama dengan laju alir masa yang keluar
sistem dan yang tersimpan didalam sistem. Dengan ρin dan ρout masing-masing adalah
massa jenis fluida disisi masukan pipa dan sisi keluaran pipa, Ain dan Aout masing-masing
adalah penampang sisi masukan pipa dan luas penampang sisi keluaran pipa, serta vin dan
vout masing-masing adalah kecepatan air masuk pipa dan kecepatan air keluar pipa. Dapat
dilihat dari persamaan (2.10)
ṁin= ṁout + ṁstorage
ρin.Qin= ρout.Qout + ṁstorage
ρin.Ain.Vin= ρout.Qout. Aout.Vout + ṁstorage
Dimana:
ṁin
= Laju Aliran Massa fluida yang masuk (kg/s)
ṁin
= Laju Aliran Massa fluida yang keluar (kg/s)
ṁstorage = Laju Aliran Massa fluida yang tersimpan (kg/s)
ρ
= kerapatan fluida cair (kg/m3)
Qin
= Debit fluida yang masuk (kg/m3)
Qout
= Debit fluida yang keluar (kg/m3)
Ain
= Luas penampang pipa pada sisi masuk fluida (m3)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
(2.10)
18
Aout
= Luas penampang pipa pada sisi keluar fluida (m3)
Vin
= Kerapatan fluida pada saat masuk ke pipa (m/s)
Vout
= Kerapatan fluida pada saat masuk ke pipa (m/s)
Setelah didapat nilai parameter pada persamaan (2.9) maka parameter (Ptot) dapat dihitung
dengan persamaan sebagai berikut (2.11)
Ptot= Pstat + Pdyn
(2.11)
Pada persamaan (2.11) parameter Ptot adalah tekanan total, parameter Pstat adalah tekanan
statik, dan parameter Pdyn adalah tekanan dynamic.
Parameter Pstat pada persamaan (2.11) adalah tekanan statik yang dapat dihitung dengan
persamaan (2.12)
Pstat= ρgh
(2.12)
Pada persamaan (2.12) parameter ρ adalah massa jenis fluida, parameter g adalah
percepatan gravitasi, dan parameter h adalah tinggi dari permukaan air pada bak
penampung sampai inlet.
Paramter Pdyn pada persamaan (2.11) adalah tekanan dinamik yang dapat dihitung dengan
persamaan (2.13)
Pdyn =
(2.13)
Suatu titik di dalam pipa berhubungan dengan tekanan statis titik tersebut dan
kecepatan aliran air yang melewati titik tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan
total dengan ρ dan c masing-masing adalah massa jenis air dan kecepatan rata-rata air yang
melewati titik tersebut. Tekanan statis (Ptot) dapat dihitung dengan g dan h, masing-masing
adalah percepatan gravitasi dan kedalaman titik tersebut:
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
19
Ptot= Pstat + ρv2
(2.11)
Pstat= ρgh
(2.12)
Pdyn= ρv2`
(2.13)
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Leon dan Zhu (2014), persamaan
yang dapat digunakan untuk menghitung daya turbin optimal yang dapat dihasilkan oleh
pembangkit listrik tenaga air ditunjukan pada Persamaan
√𝑔
(2.14)
Dimana:
Popt = daya optomal (W)
ᵞ = Berat spesifik fluida (kg/m2s2)
Hg = head gross (m)
ρ = masa jenis (kg/m3)
A = luas penampang (m2)
CL = faktor rugi-rugi pipa
Dari Persamaan parameter Popt adalah daya optimal yang mampu dihasilkan oleh
turbin,η adalah efisiensi total turbin dan generator, ᵞ adalah berat air spesifik yang nilainya
sama dengan ρ (massa jenis air) dikali dengan g (percepatan gravitasi), Hg adalah head
gross atau tinggi dari permukaan bak penampung sampai pipa inlet. A2 adalah luas
penampang pipa penstock dan CL adalah sebuah faktor rugi-rugi yang nilainya dapat
dihitung pada Persamaan.
Untuk mengetahui hasil nilai parameter daya turbin (PT)
Persamaan
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
dapat digunakan dengan
20
PT = T.ω
(2.15)
Dari Persamaan parameter T adalah torsi, dan parameter ω adalah kecepatan angular
Parameter (ω) dapat dihitung dengan Persamaan
ω =
(2.16)
Dari Persamaan paramter (N) adalah jumlah putaran turbin per menit. setelah
ditemukan nilai T pada simulasi dan hasil ω, lalu T. ω sehingga didapatkan nilai P T yang
nanti nilai . PT dimasukan pada rumus persamaan efisiensi.
Untuk mendapatkan hasil efisiensi dapat dihitung dengan Persamaan
η=
x100%
(2.17)
2.5 TURBIN AIR
Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang
dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat
dimanfaatkan.
Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang
cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan
metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode
produksi baru pada saat itu.
Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude
Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling"
(putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir
air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar.
Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar
dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih
cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan
turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air).
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
21
P=E/t
(2.3)
Dimana :
P = Tekanan (Pa)
E = Energi dengan satuan Joule (J)
t = waktu dengan satuan detik (m/s)
Daya yang dibangkitkan generator ini yang akan disalurkan ke pengguna. Dalam
perencanaan jumlah kebutuhan daya di pusat beban harus di bawah kapasitas daya
terbangkit, sehingga tegangan listrik stabil dan sistem menjadi lebih handal (berumur
panjang)
Air yang mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju tempat yang lebih rendah,
hal ini air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran didalam pipa, energi potensial
tersebut berlangsung berubah menjadi energi mekanis, dimana air memutar roda turbin.
Roda turbin dihubungkan dengan generator yang mengubah energi mekanis (gerak)
menjadi energi listrik.
Gambar 2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin (Rahmanta dkk 2011)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
22
Dapat dilithat pada Gambar 2.3 terlihat pada turbin kaplan adalah turbin yang
beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas air yang tinggi atau bahkan beroperasi
pada kapasitas yang rendah. Hal ini sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual
atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.
Berkebalikan dengan turbin Kaplan turbin pelton adalah turbin yang beroperasi
dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin karateristik yang berbeda
dengan yang lainnya yaitu turbin francis bisa beroperasi pada head yang tinggi.
Adapun tipe penggunaan head yang berlaku pada beberapa macam turbin
diantaranya:
- Kaplan
: 2 < H < 40 m
- Francis
: 10 < H < 350 m
- Pelton
: 50 < H <1300 m
- Crossflow
: 6 < H < 100 m
- Turgo
: 50 < H < 250 m
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran, antara lain sebagai berikut:
- Turbin pelton
:12 < Ns < 25
- Turbin francis
:60 < Ns < 300
- Turbin crossflow
:40 < Ns < 200
- Turbin propeller
:250 < Ns < 1000
Cara menghitung turbin air maka harus menggunakan rumus sebagai berikut:
(2.4)
√𝑔
Dimana:
Popt = daya optomal (W)
ᵞ = berat spesifik fluida (kg/m2s2)
Hg = head gross (m)
ρ = masa jenis air (kg/m3)
A = luas penampang (m)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
23
CL = faktor rugi-rugi
Untuk mendapatkan nilai daya maka dapat dihitung dengan menggunakan rumus dibawah
ini:
P = T.W
(2.5)
Dimana:
P = tekanan (Pa)
T = torsi
W = engergi listrik (watt)
Perhitungan untuk daya torsi
PT = T. ˘ . = T =
(2.6)
Dimana:
PT = daya turbin (W)
W = energy daya listrik (watt)
N = kecepatan putar (rpm)
2.6 TURBIN IMPULS
Ciri utama dari turbin jenis impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap dan
tidak terjadi pada sudu berputar. Pada turbin air jenis impuls, misalkan turbin Pelton, air
tidak memenuhi saluran. Oleh karena itu persamaan kontinuitas tidak dapat diterapkan.
Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk energi kinetik pancaran air yang dihasilkan
oleh nosel. Pada bucket, energi air diubah menjadi energi mekanis putaran poros dan
sebagian hilang antara lain karena perubahan arah aliran, gesekan serta sisa kecepatan yang
keluar bucket dan tidak dapat dimanfaatkan.
Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudu gerak
beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah dibuat,
namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin Pelton dengan
bentuk bucket yang terbelah ditengah seperti pada gambar 2.4. Posisi poros dapat dibuat
tegak (vertikal) atau mendatar (horizontal). Selain itu ada juga jenis turbin Banki.
Turbin impuls sesuai untuk pemanfaatan sumber air yang memiliki ketinggian
permukaan yang besar, tetapi dengan debit yang kecil. Menurut sumber beda ketinggian
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
24
yang paling sesuai berkisar diantara 350 meter sampai maksimum beda ketinggian yang
ada, sekiar 1800 meter. Tetapi secara teoritis mampu untuk beda ketinggian yang lebih
besar lagi.
Gambar 2.4 Turbin Pelton
Turbin Flow Through atau turbin Banki biasanya digunakan untuk pembangkit yang
menghasilkan kapasitas daya yang relatif kecil. Sedangkan turbin Pelton biasanya
digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan daya relatif besar. Jumlah nozel biasanya
berjumlah 1 atau lebih dari 1 nozel dan posisi porosnya dapat tegak atau mendatar.
Turbin Banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air jenis impuls.
Turbin Banki dengan roda aliran radial bertekanan atmosfer, menghasilkan daya dari energi
kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis ini berada di antara turbin air
tangensial jenis Pelton dan turbin Francis aliran campuran. Seperti
turbin air pada
umumnya, turbin Banki terdiri dari dua bagian, yaitu nosel dan runner.
2.7 TURBIN REAKSI
Ciri turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas, maupun turbin air
adalah bahwa sebagian dan tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi pada
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
25
sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran melalui
sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu. Karena fluida
masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi masuk, maka untuk daya dan putaran yang
sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan dengan turbin impuls.
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan
merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Hampir semua dari jenis
turbin ini beroperasi didalam air, oleh karena itu pada bagian masuk dan keluar turbin
mempunyai tekanan yang lebih besar dari tekanan udara luar.
Arah aliran masuk runner dapat diatur oleh sudu pengatur dan disebut juga sebagai
sudu pengarah atau stationary blade untuk memperoleh arah yang sebaik-baiknya untuk
menghasilkan efisiensi yang maksimal.
Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis, turbin Propeller, dan turbin Kaplan. Turbin
Francis mengalami perkembangan dari bentuk semula yang berupa turbin aliran
radial masuk yang murni. Tepi seksi masuk dan seksi keluar sejajar sumbu rotasi. Turbin
ini mempunyai kelemahan bahwa diameter dalam terlalu besar. Turbin Francis yang
dimodifikasi dan masih bertahan sampai saat sekarang adalah turbin Francis dikenal ada
tiga jenis yaitu turbin putaran rendah (beda ketinggian antara 280 sampai 400 meter), turbin
putaran sedang (beda ketinggian antara 100 sampai 280 meter), dan turbin dengan putaran
tinggi (beda ketinggian antara 35 sampai 100 meter).
Turbin Propeller yang sesuai untuk beda ketinggian rendah (dibawah 35 meter),
mempunyai sudu gerak yang dapat berjumlah 3, 4, 5, 6, atau 8. Sudu gerak ini sering
disebut wing, fin, propeller atau rotary blade. Turbin propeller sebenarnya sama dengan
turbin Kaplan, hanya ada sedikit perbedaan, yaitu bahwa turbin Propeller mempunyai wing
yang tetap sedangkan turbin Kaplan mempunyai wing yang dapat diatur. Pengaruh dari
wing yang dapat diatur posisinya ini adalah bahwa turbin Kaplan mempunyai efisiensi yang
tidak banyak berubah pada beban parsial. Namun tentu saja lebih mahal harganya.
Pada umumnya turbin reaksi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan
dengan turbin impuls. Tetapi bila ukuran turbin terlalu kecil (< 0,5m) maka turbin impuls
menjadi yang lebih baik efisiensinya. Hal ini disebabkan karena kebocoran relatif yang
menjadi besar dan juga kerugian gesek pada saluran yang kecil akan meningkat.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
26
2.8 TURBIN HYDROCOIL
Menurut Luthfie (2016) Turbin adalah suatu peralatan yang mampu mengubah energi
hidraulis menjadi energi mekanik. Fungsi turbin ini berkebalikan dengan fungsi pompa.
Turbin terbagi menjadi 2 tipe, yaitu impulse turbine (turbin impuls) dan reaction turbine
(turbin reaksi). Pada turbin impuls, air ditembakkan ke sudu-sudu turbin. Air yang
ditembakkan terekspos ke tekanan atmosfer. Pada turbin ini, tidak semua bagian turbin
terisi penuh dengan air. Pada turbin reaksi, aliran air berada di dalam ruang tertutup dan
semua bagian turbin terisi penuh dengan air, sehingga air tidak terekspos ke tekanan
atmosfer. Pada turbin impuls, energi yang ditransfer oleh air semuanya adalah energi
kinetik, sementara pada turbin reaksi, energi yang ditransfer oleh air adalah energi kinetik
dan energi tekanan. Namun demikian, kedua jenis turbin bekerja berdasarkan perubahan
momentum air sehingga gaya dinamis berkerja pada turbin (sudu-sudu turbin).
Komponen utama turbin adalah stasioner dan runner. Sebagaimana telah disebutkan
sebelumnya, stasioner adalah bagian turbin yang diam sementara runner adalah bagian
turbin yang berputar. Sudu-sudu turbin yang berguna untuk menangkap gaya yang
didapatkan dari aliran air dipasang pada bagian runner turbin. Hal inilah yang
menyebabkan runner turbin dapat berputar.
Jenis turbin yang digunakan pada penelitian ini adalah turbin reaksi yang dinamakan
Turbin Hydrocoil. Turbin Hydrocoil juga dikenal sebagai Helical Drive Power Generator
karena turbin tersebut memiliki sudu yang berbentuk helical coil. Sebagaimana telah
disebutkan di subbab 2.1, bentuk Turbin Hydrocoil dapat ditunjukkan oleh Gambar 2.5.
Secara skematis, bentuk Turbin Hydrocoil ditunjukkan oleh Gambar 2.6
Gambar 2.5 Skematis Turbin Hydrocoil (Aprilliyanto dkk, 2013)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
27
Gambar 2.6 Kurva Kecepatan Daya Putar Pada Turbin Hydrocoil (Aprilliyanto dkk, 2013)
Gambar 2.6 kecepatan putar pada efisiensi pada turbin hydrocoil (Aprilliyanto dkk, 2013)
Pada Gambar 2.5 dan 2.6 ini gafik di atas ini menjelaskan tentang korelasi antara kecepatan
putaran terhadap daya keluaran mekanik turbin hydrocoil dan tren ini adalah dibandingkan
dengan penelitian. (Aprilliyanto dkk, 2013)
Turbin Hydrocoil mampu bekerja pada head dan laju alir yang rendah. Turbin air
jenis lain, misalnya Turbin Pelton, Turbin Francis, dan Turbin Kaplan, tidak mampu
bekerja pada kondisi tersebut, karena turbin-turbin tersebut memerlukan head yang tinggi
atau debit yang tinggi. Gambar 2.5 menunjukkan karakteristik Turbin Hydrocoil serta
perbandingan turbin tersebut dengan ketiga turbin lainnya. Dari gambar tersebut, tampak
bahwa turbin pelton, francis, dan kaplan hanya mampu bekerja pada head atau debit yang
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
28
tinggi. Turbin kaplan mampu bekerja pada head yang relatif rendah tetapi turbin tersebut
membutuhkan debit yang tinggi. Hal ini berkebalikan dengan turbin pelton. Sementara itu,
Berdasarkan gambar tersebut, tampak bahwa Turbin Hydrocoil mampu bekerja pada head
yang relatif rendah dan juga debit yang relatif rendah.
Gambar 2.8 Karakteristik Turbin Hydrocoil Serta Perbandingannya Dengan Turbin Pelton,
Francis, dan Kaplan (Hydrocoil Power, Inc, 2011)
2.9 TURBIN ULIR
Ulir Archimedes merupakan teknologi yang sejak zaman kuno telah ditemukan dan
diterapkan sebagai pompa, dimana pada konstuksinya terdiri dari satu atau beberapa sudu
berbentuk heliks yang terpasang pada poros dan berfungsi sebagai bucket bergerak untuk
membawa air ke atas. Kemudian seiring dengan kebutuhan pemanfaatan sumber potensi
energi air dengan head rendah, penggunaan ulir Archimedes diterapkan sebagai turbin air
Prinsip kerja turbin ulir Achimedes ialah (lihat Gambar 2.6)
1.
Air dari ujung atas mengalir masuk ke ruang di antara kisar sudu ulir (bucket) dan
keluar dari ujung bawah
2.
Gaya berat air dan beda tekanan hidro statik dalam bucket di sepanjang rotor
mendorong sudu ulir dan memutar rotor pada sumbunya dan
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
29
3.
Rotor turbin memutar generator listrik yang disambungkan dengan ujung atas poros
turbin ulir.
Gambar 2.9 Skematik Turbin Ulir (Herman dkk 2014)
Gambar 2.10 Desain Turbin Ulir menggunakan Solidwork (2013)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
30
Oleh karena itu volume air dalam bucket harus dimaksimumkan agar menghasilkan
efisiensi pembangkitan daya tertinggi. Adapun keuntungan turbin ulir dibandingkan dengan
jenis turbin lain adalah :
1. Dapat dioperasikan pada head sangat rendah, hingga 1 meter
2. Dapat dioperasikan tanpa saringan dan tidak menganggu ekosistem sungai
3. Umur turbin lebih tahan lama terutama jika dioperasikan pada putaran rendah
4. Mudah dalam pengoperasian dan murah dalam perawatan
2.10 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
Komputasi dinamika Fluida biasanya disingkat sebagai CFD (Computational
Dynamics Fluid), merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan anda untuk
mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. CFD adalah cabang
dari mekanika fluida yang menggunakan metode numeric dan algoritma untuk
memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut. Secara
definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan
panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan
matematika (model matematika). Pada analisis ini computer digunakan untuk melakukan
perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi tutbin air dengan permukaan
yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil
analisis yang lebih baik dapat dicapai. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut
dilakukan menggunakan pengujian pada air.
CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari
dinamika dari benda – benda atau zat – zat yang mengalir. Secara definisi CFD adalah ilmu
yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan
fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematika (model matematika). Pada
dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan
persamaan-persamaan differensial parsial yang mempresentasikan hukum–hukum konversi
massa, momentum, dan energi.
Menurut Jiyuan Tu (2008), software CFD memungkinkan penggunanya untuk membuat
sebuah simulasi dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan memerapkan
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
31
kondisi nyata di lapangan. Software CFD akan memberikan data–data, gambar–gambar,
atau kurva – kurva, yang menunjukan prediksi dari performansi keandalan sistem yang
akan didesain. Hasil analisis CFD pada umumnya berupa prediksi kualitatif meski
terkadang kuantitatif (bergantung pada data yang dimasukkan).
Dalam beberapa hal, CFD memiliki kelebihan dibandingkan EFD. Sebagai contoh,
CFD membutuhkan waktu lebih singkat dibandingkan EFD untuk memperoleh data-data
tentang turbulensi, medan tekanan, dan medan aliran 3D yang sangat komplek. Perhitungan
CFD akan memberikan suatu analisa medan aliran yang menyeluruh. Hal ini akan
memberikan analisa struktur aliran yang sangat sulit untuk diukur. Contoh lain kelebihan
CFD adalah instrumentasi yang sederhana dan murah dibandingkan EFD yang sangat
komplek dan mahal. Dengan ini maka akan ditambahkan cara perhitungannya melalui inlet
dan outlet adalah sebagai berikut:
1. Inlet
Parameter yang dapat digunakan pada boundary condition berupa inlet adalah kecepatan,
laju alir masa (mass flow), dan tekanan. Jika parameter berupa kecepatan digunakan pada
boundary condition ini, maka aliran akan diijinkan masuk dan juga akan diijinkan keluar
dari domain jika dalam perhitungan ANSYS CFX-Solver menemukan aliran keluar yang
melalui batas domain ini. Jika parameter yang digunakan adalah laju alir masa dan tekanan,
maka air hanya akan diijinkan masuk ke dalam domain dan tidak diijinkan keluar dari
domain, sehingga ANSYS CFX-Solver akan membentuk artificial walls untuk mencegah
aliran keluar dari domain melewati batas (domain).
Rumus perhitungan pada inlet:
Ptot = Pstat + Pdyn
(2.7)
Pstat = ρgH
(2.8)
Pdyn
ρv2
(2.9)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
32
2. Outlet
Sama seperti boundary condition berupa inlet, parameter yang dapat digunakan pada
boundary condition berupa outlet adalah kecepatan, laju alir masa (mass flow), dan
tekanan. Jika parameter berupa kecepatan digunakan pada boundary condition ini, maka
aliran akan diijinkan keluar dan juga akan diijinkan masuk ke dalam domain jika dalam
perhitungan ANSYS CFX-Solver menemukan aliran masuk yang melalui batas domain ini.
Jika parameter yang digunakan adalah laju alir masa dan tekanan, maka air hanya akan
diijinkan keluar dari domain dan tidak diijinkan masuk ke dalam domain, sehingga ANSYS
CFX-Solver akan membentuk artificial walls untuk mencegah aliran masuk kembali
kedalam domain melewati batas domain.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z