bab ii landasan teori

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang mengandalkan
energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang
dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.
Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang
dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air. Namun, secara luas,
pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air
terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam
bentuk lain seperti tenaga ombak.
2.1.1 Prinsip Kerja
Prinsip dasar mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki
oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik.
Sebuah skema mikrohidro 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) ke dalam bentuk
energi mekanik dan energi listrik. Daya yang masuk (Pgross) merupakan penjumlahan
dari daya yang dihasilkan (Pnet) ditambah dengan faktor kehilangan energi (loss) dalam
bentuk suara atau panas. Daya yang dihasilkan merupakan perkalian dari daya yang
masuk dikalikan dengan efisiensi konversi (Eo).
Pnet = Pgross ×Eo kW
……………………………………… pers 2.1
Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga
dikalikan dengan sebuah faktor gravitasi (g = 9.8), sehingga persamaan dasar dari
pembangkit listrik adalah :
Pnet = g ×Hgross × Q ×Eo kW
………………………………pers 2.2
Dimana head dalam meter (m), dan debit air dalam meter kubik per detik (m/s3).
4
5
2.2 Turbin
Air
Turbin
air atau pada mulanya kincir air adalah suatu alat yang sudah sejak lama
digunakan untuk keperluan 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
(putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal
"whirling"
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).
Dalam Perkembanganya turbin air mengalami beberapa perubahan sebagai
berikut:
1. Arah Arus air lewat sudu berubah dari tangensial (Pelton) menjadi radial (Francis) lalu
mengalami perubahan lagi menjadi aksial (Turbin Kaplan)
2. Cincin Bawah (Pada Turbin Francis) makin lama menghilang (menjadi turbin Propplere)
3. Jumlah Sudu makin Berkurang (Turbin Pelton : Banyak Sudu menjadi Turbin Francis lalu
Propeller dengan jumlah sudu 2 s.d 3 buah sudu.
2.3 Jenis – Jenis Turbin Air
Pada prinsipnya aliran air yang menuju turbin diarahkan langsung menuju sudusudu melalui pengarah, sehingga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar,
gaya yang dihasilkan bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam
proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin.Turbin air dibedakan menjadi dua
kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.
6
2.3.1 Turbin
reaksi
Yang
dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin yang prinsip kerjanya
dilakukan dengan merubah seluruh energi air menjadi energi puntir.Turbin reaksi
digerakkan dengan air, akan merubah tekanan sehingga melewati turbin danmenaikkan
energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka
harus sepenuhnya
terendam dalam aliran air.Hukum ketiga Newton menggambarkan
transfer energi untuk turbin reaksi. Beberapa contoh turbin reaksi diantaranya :
 Francis
 Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo
 Tyson
 Kincir air 2.3.2 Turbin Impuls
Turbin impuls merupakan turbin yang merubah aliran semburan air. Semburan air
akan membentuk sudut yang membuat aliran putaran pada turbin. Hasil perubahan
momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sebelum mengenai sudu
turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel
dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin
tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Turbin impuls ini paling sering digunakan
pada aplikasi turbin dengan tekanan yang sangat tinggi.
Hukum
kedua
Newton
menggambarkan
transfer
energi
untuk
impuls.Beberapa contoh dari turbin impuls adalah :
 Pelton
 Turgo
 Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger).
Tabel 2.1 Perbandingan Impuls dan Reaksi
Jenis
Turbin
Turbin Impulse
Turbin Reaksi
Keunggulan
Efisien pada head tingi
Tidak terpengaruh oleh
pengotor air
Hasil lebih besar
Efisiean pada head
rendah
Kelemahan
Tidak optimal pada head
yang rendah
Perawatan susah dan
mahal
turbin
7
2.3.3 Kecepatan
Spesifik
Kecepatan
spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah
skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan
spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat
berdasarkan
karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan
ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan
head.
Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang
lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan
tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
(Luktanto, 1999).
n = rpm
P
ns  n
H 5/ 4
………………………………… pers 2.3
Ω = kecepatan sudut (radian/detik)
Ns 
 P/ 
gH 5 / 4
………………………………… pers 2.4
Kecepatan spesifik merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin
baru. Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagianbagian turbin dapat dihitung dengan mudah.
Hukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari
test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki
(0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai
kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Hukum Affinity didapatkan dari
penurunan yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya.
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu
gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat
dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menghasilkan diagram yang menunjukkan
efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.
8
2.4 Turbin
Pelton
Turbin
ini merupakan jenis impuls karena energi potensial air mengalir melalui
penstock diubah menjadi energi kinetik melalui sebuah jet air. Turbin jenis ini juga
disebut turbin
tekanan sama karena aliran air yang ke luar dari nosel, tekanannya adalah
sama dengan tekanan atmosfer. Bentuk sudu terbelah menjadi dua bagian yang simetris,
dengan maksud adalah agar dapat membalikan pancaran air dengan baik dan
membebaskan sudu dari gaya-gaya samping Tidak semua sudu menerima pancaran air,
hanya sebagaian – jarum katup air tekanan tinggi bagaian saja scara bergantian
bergantung
posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya bergantung kepada besarnya kapasitas
air, tiap roda turbin dapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6.Ukuran-ukuran utama
turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena pancaran air, disingkat diameter
lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan
kecepatan dari turbin.
Gambar 2.1 Runner Turbin Pelton
Gambar 2.2 Bucket Turbin Pelton
9
Turbin Pelton
2.4.1 Tipe
Turbin
poros horizontal, Turbin ini digunakan untuk head terkecil hingga menengah
makin banyak nozel yang digunakan makin tinggi pula kecepatan turbin, Sedangkan
makin cepat putaran turbin makin murah juga harga generatornya. Untuk dapat
menghasilkan daya yang sama 1 grup turbin dengan 2 roda akan lebih murah dibanding
dengan 2 buah turbin dengan masing masing roda.
Gambar 2.3 Tipe Poros Horizontal
Tipe turbin pelton poros vertikal, dengan bertambahnya daya yang harus
dihasilkan turbin, maka untuk turbin pelton dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nozel,
sedangkan penggunaan 1 atau 2 buah pipa saluran utama tergantung pada keadaan tempat
dan keterbatasan biaya.
Gambar 2.4 Tipe poros Vertikal
10
2.4.1 Nozel
Dalam Turbin Pelton, Nosel merupakan hal penting dalam proses kerjanya,
karena nozel mempunya prinsip utama dalam meningkatkan daya turbin karena turbin
pelton memperoleh daya hidrolis dari pancaran air dari nozel tersebut, Seperti yang telah
dijelaskan sebelumnya semakin banyak nozel akan dapat meingkatkan daya yang
turbin tersebut.Suatu nozel mempunyai ukuran tertentu (diameter). Dalam hal
dihasilkan
ini diameter nozel sangat berpengaruh pada konstruksi turbin pelton itu sendiri secara
umum rumus nozel adalah sebagai berikut
= 0.54
………………………………… pers 2.5
√
Dimana :
d = Diameter Nozel (mm)
Q = debit air (m3/detik )
H = efektif head
(m)
Gambar 2.5 Nozzle dan Bucket
2.5 Parameter Perhitungan
Parameter Perhitungan adalah besaran yang digunakan untuk mengetahui performansi
turbin. Berikut adalah parameter-parameter yang digunakan untuk mengetahui
performansi turbin.
1. Debit Air
Debit air adalah jumlah air yang mengalir dari suatu penampang tertentu (sungai, saluran,
mata air) persatuan waktu (ltr/dtk, m3/dtk, dm3/dtk). Debit air dapat diketahui dengan
persamaan :
= vxA
……………………………………………………pers.2,6
11
Dimana : Q = debit air
(m3/detik )
v = Kecepatan air
(m/s)
A = Luas Penampang (A = πr ) (m )
2. Kecepatan Air
Kecepatan air adalah perpindahan molekul air per satuan waktu, untuk menentukan
kecepatan air dapat menggunakan beberapa persamaan sebagai berikut :
v = …..…………………………………..pers 2.7
atau
v= 2
………………………………………..pers 2.8
3. Head
Head Total dibutuhkan untuk mengalirkan air pada pipa, Head total pompa dapat
diketahui dengan menggunakan persamaan :
H= ∆ +∆
+ ∆
+
……………………………..pers 2.9
Dimana untuk mengetahui Head total dibutuhkan beberapa parameter seperti pada
persamaan diatas diantaranya adalah

Head Statis
Head statis adalah penjumlahan dari head elevasi dengan head tekanan. Head statis terdiri
dari head statis sisi masuk (head statis hisap) dan sisi ke luar (head statis hisap).
Persamaanya adalah sebagai berikut :
H=
2+
− 1+
……………………………..pers 2.10
12
Dimana : Z1 – Z2 = Beda tinggi permukaan ( m )
p
g
ρ

= Tekanan
= gravitasi ( m /
= massa jenis air (kg/
)
)
Head Kerugian (Loss)
Head kerugian yaitu head untuk mengatasi kerugian kerugian yang terdiri dari kerugian
gesek aliran di dalam perpipaan, dan head kerugian di dalam belokan-belokan (elbow),
percabangan,
dan perkatupan (valve)
h loss = Hgesekan + Hsambungan

Head kerugian gesek di dalam pipa [Hgesekan ]
Aliran fluida cair yang mengalir di dalam pipa adalah fluida viskos sehingga faktor
gesekan fluida dengan dinding pipa tidak dapat diabaikan, untuk menghitung kerugian
gesek dapat menggunakan perumusan sebagai berikut :
hf =
Dimana:
……………………………..pers 2.11
v = kecapatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
C,p,q = Koefesien – koefesien
λ = Koefesien kerugian gesek
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
L = Panjang pipa (m)
D = Diameter dalam pipa (m)

Kerugian head dalam jalur pipa [Hsambungan]
Kerugian head jenis ini terjadi karena aliran fluida mengalami gangguan aliran sehingga
mengurangi energi alirnya, secara umum rumus kerugian head ini adalah:
Hf = f.
……………………………..pers 2.12
13
4. Daya Hidrolik
Daya Hidrolik adalah Daya/kemampuan air yang mengalir pada penstock atau sungai
yang mampu menggerakan turbin. Untuk menentukan daya masukan/hidrolik ditentukan
dengan persamaan
sebagai berikut.
Ph = ρ x g x H x Q
……………………………..pers 2.13
Dimana : P = Daya Hidrolik
Q = debit air,
(m3/detik )
H = head
total,
(watt)
(m)
g = Gravitasi
(m/
ρ = massa jenis air
(N/
)
)
5. Kecepatan Keliling
Kecepatan keliling merupakan kecepatan putaran suatu roda yang dicapai dalam satuan
meter per detik. Untuk menentukan kecepatan keliling turbin digunakan persamaan
sebagai berikut:
U=ϕ 2
ϕ
……………………………..pers 2.14
= 0,43 sampai dengan 0,48 (Finnemore dan Franzini,2006).
Dimana : U = Kecepatan Keliling (m/s)
6. Kecepatan Sudut
Selain kecepatan keliling, Untuk menghitung daya turbin perlu diketahui kecepatan sudut
yang dihasilkan oleh turbin, ω adalah sudut suatu objek berputar dimana 1 rad = 1 Phi = 180'
= 180'/360' putaran = 1/2 putaran = 1/2 rotasi Dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
ω=
……………………………..pers 2.15
14
7. Torsi
Konsep torsi dalam fisika, juga disebut momen, diawali dari kerja Archimedes. Analogi
rotational dari gaya, masa, dan percepatan adalah torsi, momen inersia dan percepatan .
Gaya yang bekerja dikalikan dengan jarak dari titik tengah roda, adalah torsi. Torsi bisa
diketahui dengan persamaan sebagai berikut.
T=rxF
Dimana :
……………………………..pers 2.16
r = jari jari roda
F = vektor gaya
8. Daya Turbin
Daya turbin dapat diketahui dengan persamaan :
Pt = T x ω
Dimana :
……………………………..pers 2.17
T = Torsi (Nm)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
Pt = Daya Turbin (watt)
9. Effisiensi
Efisiensi adalah perbandingan antar input dan output, untuk Pembangkit listrik tenaga air
daya hidrolik adalah daya input dan daya turbin adalah daya turbin. Untuk mneghitung
efisensi dapat digunakan dengan persamaan sebagai berikut.
Ƞ=
x 100 %
Dimana : Ƞ = Efisiensi (%)
Ph = Daya Hidrolik (watt)
Pt = Daya Turbin (watt)
……………………………..pers 2.18