Energi Terbarukan Fakultas Program Studi

(1)

MODUL PERKULIAHAN

Energi

Terbarukan

Rancangan Dasar Pembangkit

Tenaga Turbin Air Sederhana

Fakultas Program Studi Tatap Muka Kode MK Disusun Oleh

Teknik Teknik Mesin

04

W131700011 Dr. Ir. Ignatius Agung Wibowo M.Sc.

Abstract

Kompetensi

Perancangan pembangkit tenaga turbin air sederhana dilakukan dalam berbagai tahap dan perancangan dilakukan

(2)

4.1. Pendahuluan

Pembangkit listrik jenis mikro hidro adalah PLTA yang biasanya memproduksi hingga 100

kW listrik menggunakan aliran air alami (run-of-river), atau skema pengalihan air.

Gambar 4.1. Pembangkit listrik mikro hidro

Sumber: Beleniotis

Sebelum membangun pembangkit, diperlukan penelitian awal seperti curah hujan, limpasan

(run-off) dan topografi daerah tangkapan air. Penelitian lebih lanjut termasuk lokasi sungai

yang cocok dan danau di dekat calon pembangkit. Setelah itu barulah dilakukan

perancangan pembangkit yaitu meliputi pengukuran karakteristik asupan air, perhitungan

(3)

Gambar 4.2. Diagram mikrohidro

4.2. Perancangan

Langkah pertama dalam merancang sebuah sistem mikrohidro adalah untuk mengevaluasi

sumber daya air dengan mengukur tinggi jatuh air vertikal (head) dan laju aliran (flowrate) air

sungai. Kedua pengukuran pengukuran tersebut diperlukan untuk menghitung potensi

energi dari aliran air sungai tersebut. Juga pengukuran harus dilakukan pada pipa air

menuju turbin dan panjang saluran transmisi listrik (dari turbin ke pengguna) untuk

menghitung kerugian sistem. Tinggi jatuh air dan laju aliran akan menentukan ukuran sistem

pipa, jenis turbin, kecepatan putaran, dan ukuran pembangkit.

Jadi dalam perancangan perlu dilakukan hal-hal berikut ini

• Evaluasi sumber daya air

• Pengukuran potensi produksi energi

• Perhitungan kerugian dari sistem

(4)

4.2.1. Evaluasi Sumber Daya Air

Suatu lokasi dikatakan sesuai untuk dibangun PLTA mikro hidro apabila memenuhi

kriteria-kriteria berikut ini:

• Mempunyai tinggi jatuh air yang besar (jarak vertikal antara asupan air dan turbin)

• Mempunyai laju aliran air yang tinggi

• Dekat dengan pengguna dan memiliki akses ke lokasi yang mudah.

• Jika mungkin, terdapat tampungan air untuk memastikan air aliran stabil.

Dari keempat kriteria tersebut, tinggi jatuh air dan laju aliran adalah faktor-faktor utama

dalam pemilihan lokasi PLTA mikro hidro.

4.2.1.1 Pengukuran Laju Aliran Air

Untuk mengukur laju aliran air (debit) terdapat beberapa metode. Metode kecepatan-luas

adalah metode konvensional untuk sungai kelas menengah sampai besar meliputi

pengukuran luas penampang sungai dan kecepatan rata-rata air melalui penampang

tersebut. Penampang sungai didekati dengan bentuk trapesium sehingga luas penampang

sungai bisa dihitung dengan rumus:

(

)

_m2

h

= kedalaman rata-rata air di sungai (m)

(5)

Gambar 4.3. Pengukuran kedalaman rata-rata air sungai

Karena kecepatan baik melintang aliran maupun secara vertikal adalah tidak sama, maka

perlu untuk mengukur kecepatan air di sejumlah titik untuk mendapatkan nilai rata-rata.

Kecepatan dapat diukur dengan benda terapung, yang diletakkan di tengah aliran sungai

seperti pada Gambar 4.4. Waktu (t) detik yang diperlukan untuk melintasi panjang tertentu

(L) dalam meter dicatat. Kecepatan permukaan (m/det) diberikan oleh:

m/det

rs

L V

s

(6)

Untuk memperkirakan kecepatan aliran rata-rata (Vr), nilai di atas harus dikalikan dengan

faktor koreksi, yang nilainya bervariasi antara 0,6 dan 0,85, tergantung pada kedalaman

aliran air dan kekasaran tepi dan dasar sungai (biasanya diambil nilai tengah 0,75).

0,75 m/det

r rs

V = V (4.3)

Sehingga laju aliran (debit) dapat dihitung sebagai berikut:

3

m / det

r r

Q=A V (4.4)

4.2.1.2 Pipa Pesat

Pipa pesat yang digunakan untuk menyalurkan air dari pintu air (intake) ke turbin dapat

dipasang di atas atau di dalam tanah, tergantung pada faktor-faktor seperti sifat tanah,

bahan pipa, dan suhu sekitar. Diameter bagian dalam pipa pesat dapat ditentukan dari laju

aliran air, panjang pipa dan tinggi jatuh air kotor (gross) sebagai berikut:

2 2

Tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg) adalah jarak vertikal antara tinggi permukaan air di pintu air

(intake) dan di saluran keluar (tailrace) untuk turbin reaksi seperti turbin Francis dan Kaplan

dan tinggi nozzle untuk turbin impuls seperti turbin Pelton, Turgo dan aliran melintang

(7)

Ketebalan dinding pipa pesat tergantung pada bahan pipa, kekuatan tarik, diameter pipa dan

tekanan operasi. Ketebalan dinding minimum yang direkomendasikan adalah:

508

1,2 mm 400

p p

D

t = + + (4.6)

di mana Dp = diameter pipa pesat (mm).

Gambar 4.5. Pipa pesat

4.2.1.3 Daya Turbin

Daya yang dihasilkan pada poros turbin diberikan oleh:

W

t n t

(8)

Tinggi jatuh air bersih (net) (Hn) dapat dihitung dari tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg)

dikurangi rugi-rugi sepanjang jalurnya, seperti rugi-rugi dari pintu air (inlet) ke pipa pesat dan

rugi-rugi gesekan gesekan pipa pesat.

Efisiensi turbin (ηt) didefinisikan sebagai perbandingan daya yang dihasilkan oleh turbin (daya mekanik yang ditransmisikan oleh poros turbin) terhadap daya yang diserap (daya

hidrolik yang setara dengan debit yang diukur di bawah tinggi jatuh air bersih).

4.2.1.4 Kecepatan Turbin

Untuk mengendalikan kecepatan turbin dengan mengatur laju aliran air, diperlukan inersia

pada komponen berputar. Tambahan inersia dapat diberikan oleh roda gila pada poros

turbin atau generator. Ketika beban terputus, kelebihan daya mempercepat roda gila,

kemudian ketika beban terhubung kembali, perlambatan pada inersia tambahan memasok

daya tambahan yang membantu meminimalkan variasi kecepatan. Persamaan dasar dari

sistem berputar adalah sebagai berikut:

(

2

)

B = koefisien torsi gesekan turbin dan generator (Nm/(rad/det)).

J = momen inersia sistem rotasi keseluruhan (kg/m2)

Ketika P_t = −P_l Bω2, dω dt =0 dan ω = tetap, operasi adalah tetap stabil. Ketika Pt lebih

besar atau lebih kecil dari 2

l

P −Bω , kecepatan tidak tetap dan governor harus melakukan

intervensi sehingga daya keluaran turbin sesuai dengan daya output generator.

Penyelesaian persamaan (4.8) adalah:

(9)

Kecepatan turbin dalam rpm dapat ditentukan sebagai berikut:

60

2 N

ω

π

=

(4.10)

(10)

4.3. Daftar Pustaka

1. Beleniotis, K. Design of a Micro-Hydro-Power Plant in Sisimiut Greenland. DTU Arctic

Technology Centre

2. Canyon Hydro. Guide to Hydropower.

3. Department Of Energy. (2009). Manuals and Guidelines for Micro-hydropower

Development in Rural Electrification, Volume I.

4. ESHA. (2004). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant.

5. Nasir, B. A. (2013). Design of Micro - Hydro - Electric Power Station. International

Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume-2, Issue-5.