Matakuliah Mesin Konversi Energi yang dibina oleh Bapak Sumarli
Oleh : Hasbi, Isa Muhammad Said
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Indonesia membutuhkan energi-energi terbarukan. Kurangnya pasokan energi menyebabkan konsumsi energi per kapita Indonesia masih jauh di bawah rata-rata dunia, hal ini adalah salah satu faktor kunci yang menyebabkan rakyatnya terjebak dalam kemiskinan. Sementara era energi modern (energi terbarukan) menyediakan sistem energi yang memenuhi kebutuhan dasar akan air bersih, fasilitas kesehatan, dan penerangan, serta pada saat yang sama mencegah Indonesia untuk membuang tiga kali lipat emisi gas rumah kaca dari bahan bakar fosil.
Meningkatnya penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak, batubara dan gas di negara berkembang seperti Indonesia akan meningkatkan masalah perubahan iklim, yang saat ini pun sudah menghancurkan kehidupan banyak masyarakat miskin. Tidak ada yang tidak mungkin untuk pengembangan energi terbarukan yang aman dan bersih di Indonesia. Indonesia merupakan negara kepulauan dengan potensi sumber daya alam yang luar biasa berlimpah. Tenaga angin, air dan matahari yang bisa dimanfaatkan sebagai energi alternatif, keberadaannya sangat mudah ditemui di berbagai pelosok negeri ini.
Kondisi saat ini menunjukan bahwa potensi energi terbarukan yang begitu berlimpah di Indonesia, masih belum dilirik dan dikembangkan secara serius oleh pemerintah. Saat ini dari total bauran energi (energy mix) Indonesia, kontribusi energi terbarukan baru sekitar 5%, sementara 95% lainnya, masih digantungkan pada bahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas, dan batubara, yang cadangannya semakin menipis dan tak begitu lama lagi akan segera habis. Begitu banyak hambatan dan tantangan yang harus dihadapi oleh energi terbarukan untuk bisa berkembang di negeri ini. Salah satu tantangan dan hambatan terbesarnya adalah masih lemahnya komitmen pemerintah untuk mengembangkan energi terbarukan, dan masih dipegangnya paradigma kuno yang menganggap bahwa bahan bakar fosil seperti batubara adalah “panasea” untuk masalah energi di Indonesia.
Indonesia merupakan negara kepulauan terbesar di dunia, yang memiliki jumlah pulau hingga kurang lebih 13.000 pulau. Luas wilayah Indonesia seluruhnya adalah 5.193.250 km2 dan dua pertiga wilayahnya merupakan perairan atau wilayah laut. Luas wilayah perairan di Indonesia mencapai 3.287.010 km2, sedangkan wilayah daratannya hanya 1.906.240 km2. Dengan kondisi geologis alam yang demikian, maka dalam rangka pemerataan pembangunan di seluruh tanah air Indonesia perlu ditunjang dengan penyediaan energi yang berkesinambungan dan juga ramah lingkungan. Untuk itu diperlukan suatu konsep yang tepat untuk pengembangan, pembangunan, dan pemeliharaan pusat tenaga listrik, khususnya yang menggunakan energi air dalam pembangkitan listriknya.
Total pembangkit kelistrikan yang dimiliki Indonesia saat ini adalah sebesar 25.218 MW, yang terdiri atas 21.769 MW milik PLN dan 3.450 MW milik swasta. Indonesia mempunyai potensi pembangkit listrik tenaga air (PLTA) sebesar 70.000 Mega watt (MW). Potensi ini baru dimanfaatkan sekitar 6 persen atau 3.529 MW atau 14,2 persen dari jumlah energi pembangkitan PT PLN. Kondisi tersebut sampai dengan saat ini masih menyisakan banyak persoalan.
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan salah satu pembangkit listrik yang menggunakan energi terbarukan berupa air. Salah satu keunggulan dari pembangkit ini adalah responnya yang cepat sehingga sangat sesuai untuk kondisi beban puncak maupun saat terjadi gangguan di jaringan.
Air selain sebagai sumber energi terbarukan, juga merupakan sumber energi yang bersih. Pembangkit listrik tenaga air biasanya mempunyai umur operasi yang relatif panjang dengan perawatan yang relatif mudah. Selain keuntungan-keuntungan utama tadi, dengan dibuatnya pusat pembangkit listrik tenaga air juga memberikan keuntungan sampingan yang cukup besar artinya, seperti terciptanya irigasi yang dapat memperbaiki sistem pengairan, pengembangan perikanan & pertanian dan juga pengembangan obyek parawisata.
Dari uraian di atas, maka dalam makalah ini akan dibahas tentang turbin air yang berfungsi sebagai pembangkit listrik, mulai dari pemanfaatan, prinsip kerja, hingga dengan perawatan-perawatan yang perlu dilakukan pada sistem turbin air tersebut.
B. RUMUSAN MASALAH
Adapun rumusan masalah dari penulisan makalah ini, yakni:
1. Bagaimanakah pemanfaatan turbin air sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air?
2. Bagaimanakah prinsip kerja dan perhitungan dari turbin air dalam menghasilkan energi listrik?
3. Bagaimanakah jenis-jenis dari turbin air yang umum digunakan saat ini?
4. Bagaimana cara pemilihan jenis turbin yang sesuai dengan potensi daerah yang ada?
B. TUJUAN
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini, yakni:
1. Menjelaskan tentang pemanfaatan turbin air dalam Pembangkit Listrik Tenaga Air.
2. Menjelaskan prinsip kerja dan perhitungan dari turbin air dalam menghasilkan energi listrik.
3. Menjelaskan jenis-jenis dari turbin air yang umum digunakan.
4. Mengetahui cara pemilihan jenis turbin yang sesuai dengan potensi daerah yang ada.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1. Pemanfaatan Turbin Air Sebagai Pembangkit Energi Listrik
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. 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).
Penemuan turbin merupakan kemajuan yang berarti bagi perkembangan penggunaan tenaga air. Turbin pertama, yang memanfaatkan semprotan air dirancang oleh J.A. Segner (1704-1777), yang digunakan di Sungai Leine (Jerman) dengan penjelasan yang diterbitkan tahun 1750. Kemudian beberapa sarjana, antara lain Fourneyron (1827), Zuppinger (1846), Schwamkrug (1850), de Girrard (1863), merancang beberapa turbin yang lebih baik dari sebelumnya, namun karena semakin berkembangnya ilmu pengetahuan tipe turbin tersebut tidak digunakan lagi.
Bentuk turbin modern yang sekarang digunakan ialah rancangan dari Francis (1849), Pelton (1890), dan Kaplan (1913). Turbin Kaplan merupakan turbin dengan kedudukan daun-daun turbin yang dapat diatur, sedangkan turbin yang berbentuk sama tetapi kedudukan daun-daunnya tetap dinamakan turbin propeller.
Kemajuan besar dalam perkembangan tenaga air yaitu dapat dihubungkannya turbin dengan generator (pembangkit energi listrik). Perencanaan turbin dalam pipa saluran oleh perusahaan turbin Escherwyss (Swiss), Neypric (Perancis), juga merupakan kemajuan dalam perkembangan Tenaga Air.
Pembangkitan tenaga listrik dengan menggunakan tenaga air secara intensif dilakukan pada abad ke-19 dan permulaan abad ke-20 setelah penghantaran tenaga listrik ke kota dapat diatasi. PLTA pertama di Eropa dengan kapasitas yang cukup besar terletak di Neuhausen pada Sungai Rhine dengan kapasitas 600 HP. Di Amerika, PLTA dengan kapasitas cukup besar didirikan pada Sungai Mernmack dekat Lowell (1822) dengan kapasitas 1000 HP.
Sedangkan di Indonesia, PLTA pertama terdapat di Sungai Catur Giringan Ponorogo Jawa Timur (1910). Pembangunan PLTA ini bertujuan untuk memberikan listrik kepada bengkel Jawatan Kereta Api Madiun. Walaupun demikian penelitian pembangkitan tenaga listrik dengan menggunakan tenaga air baru dilakukan pada tahun-tahun pertama sesudah pengakuan kedaulatan Rl (Desember 1949).
Seiring dengan kemajuan zaman, kebutuhan akan tenaga listrik merupakan hal yang permanen di era globalisasi ini. Penggunaan tenaga listrik oleh perusahaan-perusahaan besar sampai dengan rumah tangga menuntut adanya suplai energi listrik secara berkesinambungan, sehingga perlu diupayakan pembuatan PLTA baru yang dapat mengurangi ketergantungan suatu wilayah terhadap PLTA bagi wilayah lain.
2.2. Prinsip Kerja dan Perhitungan Turbin Air Dalam Menghasilkan Listrik
Pada abad 19 turbin air digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik.
Pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan turbin pada prinsipnya adalah dengan 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.
Pada saluran irigasi ini terdapat penyaringan sampah untuk menyaring kotoran yang mengambang diatas air, kolam pengendap untuk mengendapkan kotoran, saluran pembuangan untuk membuang kelebihan air yang mengalir melalui saluran akibat banjir melalui pintu saluran pembuangan. Akhir dari saluran ini adalah sebuah kolam penenang (forebay tank) yang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini berfungsi juga untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. Pipa pesat (penstock) ini akan mengalirkan
air ke rumah pembangkit (power house) yang terdapat turbin dan generator di dalamnya. Besar volume air yang masuk ke pipa pesat diatur melalui pintu pengatur.
Besarnya daya listrik sebelum masuk ke turbin secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
Pin turbin = ρ.Q.h.g
Sedangkan besar daya output turbin adalah sebagai berikut :
Pout turbin = ρ × Q × h × g × ηturbin
Sehingga secara matematis daya real yang dihasilkan dari pembangkit adalah sebagai berikut :
Preal = ρ × Q × h × g × ηturbin × ηgenerator
Dimana :
Pin turbin = daya masukan ke turbin (kW)
Pout turbin = daya keluaran dari turbin (kW)
Preal = daya sebenarnya yang dihasilkan (kW)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
Q = debit air (m3/s)
h = ketinggian efektif (m)
g = gaya gravitasi (m/s2)
Dari gambar di atas maka secara garis besar komponen-komponen dari pembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah sebagai berikut :
1. Bendungan (Weir) dan Intake
Konstruksi bangunan intake untuk mengambil air langsung dapat berupa bendungan (weir) yang melintang sepanjang lebar sungai atau langsung membagi aliran air sungai tanpa dilengkapi bangunan bendungan. Lokasi intake harus dipilih secara cermat untuk menghindarkan masalah di kemudian hari.
2. Saluran Pembawa (Head Race)
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:
Nilai ekonomis yang tinggi
Efisiensi fungsi
Aman terhadap tinjauan teknis
Mudah pengerjaannya
Mudah pemeliharaannya
Struktur bangunan yang memadai
Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil
3. Pipa Pesat (Penstock)
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter penstock, tebal dan jenis sambungan (coordination point). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugi-rugi (fiction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi.
4. Pintu Saluran Pembuangan
Pintu saluran pembuangan ini berfungsi untuk membuang air apabila terjadi kelebihan volume air pada saluran pembawa.
5. Kolam Penenang (Forebay Tank)
Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat.
6. Pintu Pengatur
Pintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang masuk dari kolam penenang ke pipa pesat.
7. Rumah Pembangkit (Power House)
Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan perlatan lainnya. Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya.
8. Saluran Buang (Tail Race)
Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin.
9. Turbin Air
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Kemudian Energi mekanis yang didapat tersebut akan diubah menjadi tenaga listrik dengan menggunakan generator.
10. Generator
Generator merupakan mesin listrik arus bolak-balik yang berfungsi untuk merubah energi mekaniks dalam membentuk putaran menjadi energi listrik arus bolak-balik. Generator mempunyai dua bagian pokok, yaitu bagian stator atau bagian dari generator yang tidak bergerak dan bagian rotor atau bagian generator yang berputar atau bergerak. Pada generator yang berukuran besar, bagian stator dipergunakan sebagai tempat belitan medan magnet.
2.3. Jenis-Jenis Turbin
Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air yang digunakan untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
Tabel 1.1 Pengelompokan Turbin
|
|
High Head |
Medium Head |
Low Head |
| Impulse Turbines | Cross-Flow | ||
| Reaction Turbines |
|
2.3.1 Turbin Impuls
Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Berikut ini merupakan jenis-jenis dari turbin impuls :
1. Turbin Pelton
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.
Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian pengarah pancran atau nosel.
Energi yang masuk ke roda jalan dalam bentuk ennnrgi kinetik. Pada waktu melewati roda turbin, energi kinetik dikonversikan menjadi kerja poros dan sebagian kecil energi terlepas dan sebagian lagi digunakan untuk melawan gesekan dengan permukaan sudu turbin.
Instalasi dan begian utama turbin pelton.
Turbin pelton biasanya berukuran besar. Hal ini dapat dimaklumi karena dioperasikan pada tekananyang tinggi danperubahan momentum yang diterima sudu-sudu sangat besar, dengan sendiri struktur turbin harus kuat. Pada turbin pelton semua energi tinggi tempet dan tekanan ketika masuk kesudu jalan turbin telah telah diubah menjadi energi kecepatan Seperti terlihat pada gambar dibawah ini:
Turbin pelton terdiri dari dua bagian utama yaitu :
- Nosel
- Roda jalan.
Nosel mempunyai beberapa fungsi yaitu:
- Mengarahkan pancaran air ke sudu turbin.
- Mengubah tekanan menjadi energi kinetik.
- Mengatur kapasitas air yang masuk turbin.
Jarum yang berada pada nosel bertujuan untuk mengatur kapasitas dan mengkonsentrasikan air yang terpancar di mulut nosel. Panjang jarum sangat menentukan tingkat konsentrasi air, makin panjang jarum air makin terkonsentrasi.
Untuk turbin pelton dengan daya kecil, debit bisa diatur dengan hanya menggeser kedudukan jarum sudu. Untuk instalasi yang lebih besar harus menggunakan dua buah sistem pengaturan atau lebih,
Tujuan pengaturan ini adalah untuk menghindari terjadinya tekanan tumbukan yang besar dalam pipa pesat yang timbul akibat penumpukkan nosel secara tiba-tiba ketika beban turbin berkurang dengan tiba-tiba. Untuk mengurangi putaran turbin pada kondisi atas, pembelokkan pancaran akan berayaun kedepan jarum nosel terlebihdahulu sehingga pancaran air dari nosel berbelok sebagian.
Jumlah nosel (n) tergantung pada bilangan-bilangan spesifik nq trubin pelton. Dimana nq dirumuskan :
Dimana : nq = putaran poros (rpm)
Q = Debit aliran air (m3/s)
H = Head total
Roda jalan berbentuk pelek (rim) dengan sejumlah sudu di sekelilinnya. Pelek ini dihubungkan dengan poros dan seterusnya menggerakkan generator. Sudu turbin pelton berbentuk elipsoida yang dibuat dengan bucket (sudu) dan di tengahnya mempunyai splitter (pemisah air). Bentuk sudu sedemikian dimaksudkan supaya bisa membalikkan putaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya samping.
2. Turbin Turgo
Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Pada Gambar 2.4 menunjukkan bentuk turbin turgo.
3. Turbin Cross-Flow
Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada 1922.
Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin crossflow yang terkemuka di dunia. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Gambar 2.5 merupakan bentuk turbin cross-flow.
2.3.2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.
1. T urbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat
merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Gambar 2.6 menunjukkan sketsa dari turbin francis.
Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari enrgi tinggi jatuh telah bekerja di dalam suddu pengarah diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimamfaatkan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin.
Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam dalm air. Air yang masuk kedalam turbin dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin (schact) atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarah dapat dilakuakan dengan tangan atau dengan pengatur dari oli tekan(gobernor tekanan oli), dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil.
Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai fungsi mengubah energi kecepatan menjadi energi tekan.
Daerah kerja turbin francis.
Jenis konstruksi turbin ini pertama kali dilaksanakan sekitar tahun 1950. Sekarang turbin francis adalah yang paling banyak dipakai, karena tinggi air jatuh dan kapasitasnya yang paling sesuai dengan kebutuhannya. Dari hasil penggunaan dan penelitian yang terus-menerus untuk pengembangan selanjutnya, turbin francis sekarang sudah bisa digunakan untuk tinggi air jatuh sampai 700m dengan kapasitas air dan kecepatan air serta kecepatan putar yang memenuhi harapan. Gambar berikut adalah daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.
Pokok utama pada gambar adalah adanya daerah penggunaan tipe turbin. Untuk diketahui pada gambar diatas di dalam daerah yang dibatasi dengan garis terdapat banyak jenis turbin yang dibuat, jadi sebetulnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi. Karena ada turbin yang titik muatan beban penuhnya terletak di bawah atau di atas daerah yang diberi tanda. Titik beban penuh turbin dapat juga terletak di bawah daerah tersebut, bila dari kondisi tempat membutuhkan pemasangan turbin dengan tinggi khusus dan berdasarkan alasan untuk menghindari kavitasi, sehingga dengan demikian harus dipilih kecepatan spesifik yang kecil.
Turbin francis yang kecil sering terletak di bawah daerah tersebut, karena harus menggerakkan generator yang mempunyai kecepatan putar yang tinggi dsan dihubungkna langsung dengan roda gigi transmisi. Didalam daerah batas antara turbin francis dengan turbin kaplan, Turbin kaplan lebih menguntungkan yaitu pada keadaan beban tidak penuh randemennya lebih tinggi, karena sudu-suda turbin kaplan bisa diatur sesuai dengan beban yang ada.
2. Turbin Kaplan dan Propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Gambar 2.8 merupakan bentuk dari turbin Kaplan.
Sesuai dengan persamaan euler, maka makin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang salauran yang dilalui air, dan selain itu kecepatan putar yang demikian bisa ditentukan lebih tinggi. Kecepatan spesifik bertambah, kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang.
Pada permulaan sekali disaat pengembang pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda baling-baling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung lebih dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur dengan memakai bendungan. Makin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin tinggi air jatuh yang bisa dimamfaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik.
Turbin yang bekerja pada kondisi tinggi air jauh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat tenaga listrik sungai, randamen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun.
Keuntungan turbin baling-baling dibandingkan dengan turbin francis adalah kecepatan putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel langsung dengan langsung dengan generator dan ukurannyapun lebih kecil.
Roda Jalan Turbin Kaplan : Kontruksi Dan Keadaan Aliran Air
Konstruksinya bisa dibedakan, sampai dengan alat pengarah pada hakekatnya sama dengan turbin francis dan pada leher poros terdapat sekitar 4 sampai 8 buah kipas sudu yang dapat diputar.
Kipas sudu pada gambar Diatas ini sama seperti baling-baling atau sayap pesawat terbang yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros.
2.4. Pemilihan Jenis Turbin
Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller dikelompokkan menjadi :
• Low head power plant
• Medium head power plant
• High head power plant
Tabel 2.2 Daerah operasi turbin.
|
No. |
Jenis Turbin |
Variasi Head |
|
1. |
Kaplan dan Propeller | 2 < H < 20 |
|
2. |
Francis | 10 < H < 350 |
|
3. |
Pelton | 50 < H < 1000 |
|
4. |
Crossflow | 6 < H < 100 |
|
5. |
Turgo | 50 < H < 250 |
Sedangkan untuk pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :
Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.
Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.
Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.
Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai “kecepatan spesifik, Ns”, yang didefinisikan dengan formula :
Ns = 5/4 H . P . N rpm
Dimana :
NS = kecepatan spesifik
N = kecepatan putaran turbin (rpm)
P = maksimum turbin output (kW)
H = head efektif (m)
Output turbin dihitung dengan formula :
P = 9.81 × Q × H × ηturbin
Dimana :
P = daya Turbin (kW)
Q = debit air (m3/s)
H = efektif head (m)
ηturbin = efisiensi turbin
= 0.8 – 0.85 untuk turbin pelton
= 0.8 – 0.9 untuk turbin francis
= 0.7 – 0.8 untuk turbin crossflow
= 0.8 – 0.9 untuk turbin propeller/Kaplan
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Kecepatan spesifik beberapa turbin
|
No. |
Jenis Turbin |
Kecepatan Spesifik |
| 1. | Turbin Pelton | 12 ≤ Ns ≤ 25 |
| 2. | Turbin Francis | 60 ≤ Ns ≤ 300 |
| 3. | Turbin Crossflow | 40 ≤ Ns ≤ 200 |
| 4. | Turbin Propeller | 250 ≤ Ns ≤ 1000 |
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Pada Gambar 2.10 menunjukkan diagram aplikasai berbagai jenis turbin.
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
1. Pemanfaatan turbin air secara intensif dilakukan pada abad ke-19 dan permulaan abad ke-20 setelah penghantaran tenaga listrik ke kota dapat diatasi. PLTA pertama di Eropa dengan kapasitas yang cukup besar terletak di Neuhausen pada Sungai Rhine dengan kapasitas 600 HP. Di Amerika, PLTA dengan kapasitas cukup besar didirikan pada Sungai Mernmack dekat Lowell (1822) dengan kapasitas 1000 HP.
2. Pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan turbin pada prinsipnya adalah dengan 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.
3. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air yang digunakan untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
4. Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin
DAFTAR PUSTAKA
Boyle. Godfrey, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future. Oxford University Press, 1996.
Chan, Yefri. 2010. Klasifikasi turbin. (Online), (http://yefrichan. wordpress.com/2010/05/31/klasifikasi-turbin/), diakses 22 Februari 2013.
Fanchi. John R., Energy – Technology and Directions for the Future. Elsevier Academic Press, 2004.
Freris. Leon, Infield. David, Renewable Energy in Power Systems. John Wiley & Sons, Ltd, 2008.
Masters. Gilbert M., Renewable and Efficient Electric Power Systems. John Wiley & Sons, Ltd, 2004.
Ngan, Jeff. 2011. Turbin Air, (Online), (aphroditestory.wordpress.com /2011/12/19/makalah-turbin-air-plta/), diakses 14 Februari 2013.
Rusyana Hoetman, Agus. 1996. Diversifikasi Energi Air Dalam Pembangkit Listrik di Indonesia. Makalah disajikan dalam Seminar Nasional Peranan Tenaga Air dalam Pembakitan Tenaga Listrik di Indonesia, Semarang, 9 April 1996.
yokealjauza 