dimana :
A = Luas penampang pipa pancar (m2) b0 = Lebar pipa pancar (m)
L = Panjang busur pemasukan (m)
2.7. Implementasi Turbin Air a. Kincir Air
Ribuan tahun yang lalu, manusia telah menemukan manfaat dari air yang mengalir. Dari pemanfaatan air yang sangat sederhana seperti penggunaan arus sungai untuk trasportasi, manusia terus mengembangkan cara- cara untuk menagkap energi air yang mengalir. Energi tersebut dapat dikonversikan menjadi energi mekanik. Hal ini dapat dilakukan dengan kincir atau turbin air dengan generator listrik. Dalam skala besar prinsip ini diterapkan pada sungai besar dengan membuat bendungan untuk pembangkit listrik tenaga air.
Pemanfaatan energi air dalam skala kecil dapat berupa penerapan kincir air dan turbin. Dikenal ada tiga jenis kincir air berdasarkan sistem aliran airnya, yaitu overshot, breast-shot, dan under-shot.
Pada kincir overshot, air melalui atas kincir dan kincir berada di bawah aliran air. Air memutar kincir dan air jatuh ke permukaan lebih rendah. Kincir bergerak searah jarum jam. Pada kincir breast-shot, kincir diletakkan sejajar dengan aliran air sehingga air mengalir melalui tengah-tengah kincir. Air memutar kincir berlawanan dengan arah jarum jam. Pada kincir under-shot, posisi kincir air diletakkan agak ke atas dan sedikit menyentuh air. Aliran air yang menyentuh kincir menggerakkan kincir sehingga berlawanan arah dengan jarum jam.
Jarang yang tahu bahwa beberapa tipe pompa air dapat diaplikasikan sebagai turbin air. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada aplikasi sebagai turbin prinsip kerja pompa di balik, yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeler pompa. Putaran impeler ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Beberapa kelebihan aplikasi pompa sebagai turbin air adalah : sebagai produk industri yang massal pompa mudah diperoleh dengan berbagai vasiasi head – flow, tersedia dalam berbagai tipe dan ukuran, mudah dalam instalasinya, harga relatif murah, dan suku cadang mudah diperoleh. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct drive) atau menggunakan transmisi mekanik pulley-belt (indirect drive) apabila putaran pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator (umumnya 1500 rpm).
Jenis pompa yang umum dipakai sebagai turbin adalah end-suction centrifugal pump untuk jatuhan 7 m – 100 m dengan debit kecil ( 50 liter/detik sd 150 liter/detik) dan mixed-flow pump untuk jatuhan rendah 4 – 15 m dengan debit cukup besar (100 – 400 liter/detik). Kapasitas daya aplikasi pompa sebagai turbin beragam 1 kW – 100 kW, dengan biaya peralatan yang lebih murah ( sd 50%) dibandingkan dengan menggunakan turbin air (costume product). Efisiensi pompa sebagai turbin relatif cukup baik berkisar 65% – 75%, umumnya selisih 3% dibandingkan efisiensi terbaik (bep, best efficiency point) sebagai pompa.
c. PLTA
Pengertian pembangkit listrik tenaga air (PLTA) bekerja dengan cara merubah energi potensial (dari dam atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik (dengan bantuan generator) Pembangkit listrik tenaga air konvensional bekerja dengan cara mengalirkan air dari dam ke turbin setelah itu air dibuang. Pada saat beban puncak air dalam lower reservoir akan di pompa ke upper reservoir sehingga cadangan air pada waduk utama tetap stabil. Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) bekerja dengan cara merubah energi potensial (dari dam atau air
beroperasi sesuai dengan perancangan sebelumnya, bila mempunyai Daerah Aliran Sungai (DAS) yang potensial sebagai sumber air untuk memenuh kebutuhan dalam pengoperasian PLTA tersebut. Pada operasi PLTA tersebut, perhitungan keadaan air yang masuk pada waduk / dam tempat penampungan air, beserta besar air yang tersedia dalam waduk / dam dan perhitungan besar air yang akan dialirkan melalui pintu saluran air untuk menggerakkan turbin sebagai penggerak sumber listrik tersebut, merupakan suatu keharusan untuk dimiliki, dengan demikian kontrol terhadap air yang masuk maupun yang didistribusikan ke pintu saluran air untuk menggerakkan turbin harus dilakukan dengan baik, sehingga dalam operasi PLTA tersebut, dapat dijadikan sebagai dasar tindakan pengaturan efisiensi penggunaan air maupun pengamanan seluruh sistem, sehingga PLTA tersebut, dapat beroperasi sepanjang tahun, walaupun pada musim kemarau panjang. Kapasitas PLTA diseluruh dunia ada sekitar 675.000 MW ,setara dengan 3,6 milyar barrel minyak atau sama dengan 24 % kebutuhan listrik dunia yang digunakan oleh lebih 1 milyar orang. Dalam penentuan pemanfaatan suatu potensi sumber tenaga air bagi.
i. Jenis-Jenis PLTA
Potensi tenaga air didapat pada sungai yang mengalir di daerah pegunungan. Untuk dapat memanfaatkan potensi dari sungai ini, maka kita perlu membendung sungai tersebut dan airnya disalurkan ke bangunan air PLTA. Ditinjau dari cara membendung air, PLTA dapat dibagi menjadi 2 kategori yaitu :
PLTA run off river
Pada PLTA run off river, air sungai dialihkan dengan menggunankan dam yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan ke bangunan air PLTA. Pada PLTA run off river, daya yang dapat dibangkitkan tergantung pada debit air sungai, tetapi PLTA run off river biaya pembangunannya lebih murah
PLTA dengan kolam tando (reservoir)
Pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), air sungai dibendung dengan bendungan besar agar terjadi penimbunan air sehingga terjadi kolam tando. Selanjutnya air di kolam tando disalurkan ke bangunan air PLTA. Dengan adanya penimbunan air terlebih dahulu dalam kolam tando, maka pada musim hujan di
mana debit air sungai besarnya melebihi kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, air dapat ditampung dalam kolam tando. Pada musim kemarau di mana debit air sungai lebih kecil daripada kapasitas penyaluran air bangunan air PLTA, selisih kekurangan air ini dapat diatasi dengan mengambil air dari timbunan air yang ada dalam kolam tando. Inilah keuntungan penggunaan kolam tando pada PLTA. PLTA dengan kolam tando (reservoir) memiliki biaya instalasi lebih mahal, karena kolam tando memerlukan bendungan yang besar dan juga memerlukan daerah genangan yang luas.
ii. Prinsip Plta Dan Konversi Energi
Pada prinsipnya PLTA mengolah energi potensial air diubah menjadi energi kinetis dengan adanya head, lalu energi kinetis ini berubah menjadi energi mekanis dengan adanya aliran air yang menggerakkan turbin, lalu energi mekanis ini berubah menjadi energi listrik melalui perputaran rotor pada generator. Jumlah energi listrik yang bisa dibangkitkan dengan sumber daya air tergantung pada dua hal, yaitu jarak tinggi air (head) dan berapa besar jumlah air yang mengalir (debit).
iii. Cara Kerja PLTA
Aliran sungai dengan sejumlah anak sungainya dibendung dengan sebuah Dam. Airnya ditampung dalam waduk yang kemudian dialirkan melaui Pintu Pengambilan Air (Intake Gate) yang selanjutnya masuk ke dalam Terowongan Tekan (Headrace Tunnel). Sebelum memasuki Pipa Pesat (Penstock), air harus melewati Tangki Pendatar (Surge Tank) yang berfungsi untuk mengamankan pipa pesat apabila terjadi tekanan kejut atau tekanan mendadak yang biasa disebut sebagai pukulan air (water hammer) saat Katup Utama (Inlet Valve) ditutup seketika. Setelah Katup Utama dibuka, aliran air memasuki Rumah Keong (Spiral Case). Aliran air yang bergerak memutar Turbin dan dari turbin, air mengalir keluar melalui Pipa Lepas (Draft Tube) dan selanjutnya dibuang ke Saluran Pembuangan (Tail Race). Poros turbin yang berputar tersebut dikopel dengan poros Generator sehingga menghasilkan energi listrik. Melalui Trafo Utama (Main Transformer), energi listrik disalurkan melewati Saluran Udara Tegangan
menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. Contoh waduk Jatiluhur yang berkapasitas 3 miliar kubik air dengan volume efektif sebesar 2,6 miliar kubik.
iv. Komponen-Komponen PLTA 1. Bendungan
Bendungan atau dam adalah konstruksi yang dibangun untuk menahan laju air menjadi waduk, danau, atau tempat rekreasi. Bendungan juga digunakan untuk mengalirkan air ke sebuah Pusat Listrik Tenaga Air. Kebanyakan dam juga memiliki bagian yang disebut pintu air untuk membuang air yang tidak diinginkan secara bertahap atau berkelanjutan. Jenis bendungan antara lain:
a). Bendungan Beton (Bendungan Gravitasi, Bendungan Busur, Bendungan Rongga)
b). Bendungan Urugan (Bendungan Urugan Batu, Bendungan Tanah) c). Bendungan Kerangka Baja
d). Bendungan Kayu 2. Turbin
Turbin merupakan peralatan yang tersusun dan terdiri dari beberapa peralatan suplai air masuk turbin, diantaranya sudu (runner), pipa pesat (penstock), rumah turbin (spiral chasing), katup utama (inlet valve), pipa lepas (draft tube), alat pengaman, poros, bantalan (bearing), dan distributor listrik. Menurut momentum air turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Turbin reaksi bekerja karena adanya tekanan air, sedangkan turbin impuls bekerja karena kecepatan air yang menghantam sudu.
Prinsip Kerja Turbin Reaksi yaitu Sudu-sudu (runner) pada turbin francis dan propeller berfungsi sebagai sudu-sudu jalan, posisi sudunya tetap (tidak bisa digerakkan). Sedangkan sudu pada turbin kaplan berfungsi sebagai sudu-sudu jalan, posisi sudu-sudunya bisa digerakkan (pada sumbunya) yang diatur oleh servomotor dengan cara manual atau otomatis sesuai dengan pembukaan sudu atur. Proses penurunan tekanan air terjadi baik pada sudu-sudu atur maupun pada sudu-sudu jalan (runner blade). Prinsip Terja Turbin Pelton berbeda dengan turbin rekasi Sudu-sudu yang berbentuk mangkok berfungsi sebagai sudu-sudu jalan,
posisinya tetap (tidak bisa digerakkan). Air yang digunakan untuk membangkitkan listrik bisa berasal dari bendungan yang dibangun diatas gunung yang tinggi, atau dari aliran sungai bawah tanah. Karena sumber air yang bervariasi, maka turbin air didesain sesuai dengan karakteristik dan jumlah aliran airnya.
3. Generator
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanis. Generator terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor terdiri dari 18 buah besi yang dililit oleh kawat dan dipasang secara melingkar sehingga membentuk 9 pasang kutub utara dan selatan. Jika kutub ini dialiri arus eksitasi dari Automatic Voltage Regulator (AVR), maka akan timbul magnet. Rotor terletak satu poros dengan turbin, sehingga jika turbin berputar maka rotor juga ikut berputar. Magnet yang berputar memproduksi tegangan di kawat setiap kali sebuah kutub melewati ―coil‖ yang terletak di stator. Lalu tegangan inilah yang kemudian menjadi listrik. Agar generator bisa menghasilkan listrik, ada tiga hal yang harus diperhatikan, yaitu: Putaran, Kumparan, Magnet. 2.8. Pengaruh Turbin Air Pada Lingkungan
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar. Dalam sejarah turbin juga mempunyai konsekuensi negatif. Putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya, suku Indian Amerika di Pasific Northwest mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara agresif menghancurkan jalan hidupnya. Hingga akhir abad 20, dapat dimungkinkan untuk membangun sistem pembangkit tenaga air yang mengalihkan ikan dan organisme lainnya dari saluran masuk turbin tanpa kerusakan atau kehilangan tenaga yang berarti. Sistem akan memerlukan sedikit pembersihan tetapi secara pada dasarnya lebih mahal untuk dibangun. Di Amerika
BAB III PENUTUP 3.1 Soal Objektif
1. Bagian turbina air yang berfungsi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan fluida dapat dikendalikan sesuai dengan kebutuhan yaitu ... a. Poros utama b. Sudu-sudu c. Pipa hisap d. Nozel : Jawaban e. Bantalan
2. Turbin yang sudut sudu geraknya dapat diatur sesuai dengan kondisi aliran saat itu adalah ...
a. Turbin Kaplan : Jawaban b. Turbin turgo
c. Turbin cross flow d. Turbin francis e. Turbin pelton
3. Untuk mencari daya turbin air di tentukan dengan rumus yaitu .... a.
b. : Jawaban
c. d.
e.
4. Turbin yang efektif pada head rendah adalah? a. Turbin Kaplan : Jawaban b. Turbin Tangensial
c. Turbin Crossflow d. Turbin Francis e. Turbin Pelton
5. Fungsi turbin air yang memiliki pengaruh baik pada lingkungan, kecuali? a. Sebagai tenaga listrik yang tergolong renewable energy.
b. Alternatif pembangkit listrik yang ramah lingkungan.
c. Bendungan pada turbin air memiliki peran ganda untuk mengatur sistem irigrasi persawahan.
d. Bendungan pada turbin air memiliki peran ganda untuk memelihara ikan sebagai alternatif kelangkaan wilayah. : Jawaban
e. PLTA dapat berguna untuk mengatasi permasalahan erosi pada tempat jatuh air yang tinggi.
3.2 Soal Uraian
1. Jelaskan apa yang anda ketahui mengenai turbin air ? Jawaban:
Turbin air merupakan mesin yang berputar diakibatkan oleh energi kinetik dan potensial dari aliran fluida. Fluida yang bergerak menjadikan blade pada turbin berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air terletak pada komponen. Komponen pada turbin lebih optimal dan dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat serta dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Komponen kincir lebih sederhana dengan biaya peralatan dan perawatan yang lebih murah. Komponen-komponen utama pada turbin air terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang berputar pada sistem turbin air. Stator merupakan bagian yang diam pada turbin air.
2. Berdasarkan karakteristiknya turbin dibagi menjadi 4, yakni Turbin Pelton, Turbin Bankis, Turbin Kaplan dan Turbin Francis. Dari ke empat jenis turbin tersebut jelaskan secara singkat tentang apa yang anda ketahui mengenai keempat turbin tersebut?
Jawab:
Turbin Pelton bekerja pada ketinggian air (head) = 200 s.d 2000 meter. Debit air = 4 s.d 15 m3/s. Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan.
Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impulse turbine). Turbin Cross Flow juga disebut Turbin Banki-Mitchel Pada turbin Cross Flow air mengalir secara melintang atau memotong blade turbin, Turbin Cross Flow didesain untuk mengakomodasi debit air yang lebih besar dan head yang lebih rendah dibanding Pelton. Headnya kurang dari 200 meter. Terjunan (head): H = 5—200 m. Debit: Q = 0,03—13 m³/s. Kapasitas: N = 10—3 500 kW.
di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial.
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. Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. 3. Jelaskan pengaruh istalasi turbin air terhadap lingkungan?
Jawab:
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih,
menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar. Dalam sejarah turbin juga mempunyai konsekuensi negatif. Putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya, suku Indian Amerika di Pasific Northwest mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara agresif menghancurkan jalan hidupnya. Hingga akhir abad 20, dapat dimungkinkan untuk membangun sistem pembangkit tenaga air yang mengalihkan ikan dan organisme lainnya dari saluran masuk turbin tanpa kerusakan atau kehilangan tenaga yang berarti. Sistem akan memerlukan sedikit pembersihan tetapi secara pada dasarnya lebih mahal untuk dibangun. Di Amerika Serikat sekarang menahan migrasi ikan adalah ilegal, sehingga tangga ikan harus disediakan oleh pembangun bendungan.
3.3 KESIMPULAN
Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu :Turbin Aliran Tangensial, Turbin Aliran Aksial, Turbin Aliran Aksial - Radial. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya turbin dibagi menjadi menjadi dua yaitu: Turbin Implus dan Turbin Reaksi. Jenis – Jenis Turbin Impuls adalah Turbin Pelton, Turbin Cross-Flow dan Turbin Turgo. Jenis – Jenis Turbin Reaksi adalah Turbin Francis dan Turbin Kaplan & Propeller.
3.3. SARAN
Dalam kehidupan modern seperti sekarang ini banyak teknologi khususnya dibidang teknik yang bersumber dari alam, salah satunya yaitu pemanfaatan air untuk kebutuhan keseharian. Jadi pemanfaatan sumber air dapat diolah dengan menggunakan turbin dengan memanfaatkan tekanan dari air untuk menghasilkan energi listrik. Apabila pemanfaatan air ini diperbanyak dengan menggunakan turbin maka akan sanga bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari.
Daftar Pustaka
Pudjanarsa dan Nursuhud. 2006. Mesin konversi energi. Yogyakarta: Andi Susanti, Aprilia. 2014. Makalah turbin air. (online).
http://tulisanakhwat.blogspot.com/2014/02/makalah-turbin-air.html. Diakses
tanggal 7 maret 2015
Tanpa nama. Turbin crossflow. (online).
http://cink-hydro-energy.com/id/turbin-crossflow. Diakses tanggal 7 maret 2015
Tanpa nama. Macam-macam turbin. (online).
http://artikel-teknologi.com/macam-macam-turbin/. Diakses tanggal 7 maret 2015
Tanpa Pengarang. 2011. Makalah Turbin Air (PLTA), (Onlain), (http://www.
MAKALAH TURBIN AIR-PLTA _aphroditestory.htm), diakses 26