BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Turbin Air
Tenaga air yang pertama yang mulai digunakan pada abad pertama sebelum masehi. Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan kincir air itu secara vertikal di aliran sungai yang panjang. Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi.. Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga air kemudian, dan pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.3. Kincir Air (http://ovalezoval.blogspot.com/2011/04/pembangkit-listrik-tenaga-mikrohidro.html)
Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kinci air pada waktu itu. Bentuk kincirpun mulai
bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri ke kanan. Kincir yang vertikal dipasang tegak ke atas, bergerak dari bawah ke atas. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya. Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya. Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.
Turbin air ditemukan setelah kincir air, turbin air ini menggunakan energi gravitasi untuk memutar poros. James Francis menyempurnakan turbin yang dirancang oleh Samuel Howd's dengan cara membuat kurva pada sudu-sudunya, dan selanjutnya dikenal sebagai turbin Francis. Turbin ini digunakan untuk jangka waktu yang lama dalam suatu, tetapi kemudian mesin uap menggantikan turbin dalam pemakaian tenaga penggilingan dan lainnya. Bagaimanapun, turbin Francis akan selalu digunakan sebagai salah satu dari sumber tenaga air.
Di dalam usaha untuk mengendalikan sungai dan arus air, manusia mulai untuk menciptakan bendungan-bendungan yang mempunyai bentuk seperti yang dibuat oleh berang-berang. Struktur ini digunakan untuk mengarahkan atau
membendung arus air sungai. Untuk menyimpan air di dalam suatu reservoir, insinyur membangun suatu bendungan yang dapat menghentikan arus dari suatu aliran sungai. Mereka pada awalnya membuat bendungan dengan menggunakan tanah dan batu-batu, akan tetapi dengan berkembangnya jaman, pembuatan bendungan kemudian lebih populer menggunakan beton yang lebih kuat. Beton lebih dipilih karena dapat mencegah dari kebocoran aliran sehingga air dapat ditampung dengan daya tampung yang lebih besar tanpa membahayakan karena kuat terhadap longsor. Pada mulanya, bendungan dibuat lurus memotong sungai, konstruksi ini sangat lemah jika air yang ditampung oleh bendungan sangat besar. Berang-berang telah mengajari manusia bagaimana cara membuat suatu konstruksi bendungan yang kuat. Konstruksi bendungan yang kuat itu adalah dengan cara membagi gaya-gaya yang terjadi pada bendungan sehingga didapat suatu gaya yang menyebar dan akhirnya tekanannya menjadi berkurang. Bentuk itu adalah bendungan dibuat cembung ke arah hulu. Bendungan Hoover adalah salah satu contoh bendungan yang dibuat berdasarkan prinsip di atas. Bendungan yang mempunyai tahanan pada masing-masing sisinya, hal ini yang menyebabkan bendungan kokoh dari gaya yang ditimbulkan oleh sungai Colorado. Ketika ide mengenai pembangkitan energi listrik mulai ada, pada saat itu penggunaan turbin air mulai dilirik kembali. Pada tahun 1882, dibuat pembangkit listrik tenaga air yang pertama di dunia yang terletak di Wisconsin dengan kapasitas daya sebesar 12,5 kW. Dan pada tahun 1930-an pembangkitan di atas berkembang dengan pesat. PLTA tersebut disuplai air dari bendungan Hoover yang merupakan bendungan dari aliran sungai Colorado pada tahun 1936. PLTA tersebut terdapat beberapa turbin Francis dengan kapasitas total 130 MW. Pembangkitan ini dapat menyuplai listrik ke kota- kota besar utama pada waktu itu.
Seperti yang banyak manusia ketahui, inti dari pembangitan listrik tenaga air adalah pengubahan energi mekanik menjadi energi listrik, dan itulah yang saat ini menjadi sangat berharga. Dengan berkembangnya tenaga air ke seluruh dunia, pemerintah dan organisasi lingkungan hidup tengah berusaha untuk menemukan landasan umum pada yang pro dan kontra terhadap penggunaan tenaga air.
2.4. Pengelompokan Turbin Air
Menurut H. Grengg, jenis turbin air dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :
1.Turbin dengan head rendah. 2.Turbin dengan head medium. 3.Turbin dengan head tinggi.
Sedangkan menurut cara kerjanya, turbin dapat dibagi menjadi dua, yakni turbin impuls dan turbin reaksi.
Perbedan ini didasarkan pada perbedaan antara cara konversi energi pada turbin. Dengan singkat dua cara pengkonversian energi ini dijelaskan sebagai berikut:
Pada dasarnya aliran energi pada turbin impuls secara keseluruhan diubah menjadi energi kinetik sebelum transformasi di turbin. Ini berarti bahwa aliran melewati sudu runner tanpa perbedaan antara aliran masuk dan keluar. Oleh karena itu hanya gaya impuls yang ditransfer oleh perubahan arah dari vector kecepatan aliran ketika melewati sudu yang membuat energi dikonversi menjadi energi mekanik pada shaft. Aliran masuk ke runner pada tekanan yang sama dengan tekanan atmosfir dalam bentuk satu atau lebih semburan jet yang ditempatkan disekeliling runner. Ini berarti bahwa setiap jet mendorong sudu pada sebagian turbin saja. Karena itu turbin impuls juga disebut turbin partial.
Gambar 2.4 Turbin pelton, salah satu jenis turbin impuls (http://yefrichan.wordpress.com/2010/05/31/klasifikasi-turbin)
Pada turbin reaksi ada dua efek yang menyebabkan transfer energi dari aliran menjadi energi mekanik pada poros turbin. Pertama dari perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar runner. Ini merupakan bagian reaksi dari konversi energi. Kedua adalah perubahan arah dari vector kecepatan dari aliran melalui saluran antara sudu turbin menyebabkan gaya impuls. Ini merupakan bagian impuls dari konversi energi. Perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar didapat karena runner berada di dalam air secara keseluruhan. Oleh karena itu turbin ini juga disebut turbin penuh.
Gambar 2.5 Beberapa jenis turbin reaksi (http://en.wikipedia.org/wiki/turbin-reaksi)
Turbin impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar.
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan pelton turbin.
Gambar 2.6. Skema Turbin Pelton
(http://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbinair)
Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak.
Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap (Hs).
Gambar 2.7. Skema Turbin Francis (http://yuriornev.wordpress.com/)
Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin High Head
Medium
Head Low Head
Impulse Turbine Pelton Turgo Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo Cross Flow Reaction Turbine Francis Propeller Kaplan Sumber: (http://yuriornev.wordpress.com/)
Setiap jenis turbin mempunyai suatu kcepatan spesifik tertentu. Kecepatan spesifik ini merupakan persamaan non dimensional yang dinyatakan dengan persamaan :
Dimana ;
Ns = kecepatan spesifik (rad/detik) n = kecepatan rotasi (rpm)
P = daya yang deterima oleh poros (Watt) HE = head efektif pada bagian inlet turbin (m)