BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Tenaga air merupakan sumber daya energi yang penting setelah tenaga uap atau panas. Hampir 30% dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat – pusat pembangkit listrik tenaga air. Banyak negara yang hampir seluruh kebutuhan energinya berasal dari tenaga air. Pembangkit tenaga listrik yang menggunakan tenaga air sebagai sumber energinya, memiliki kelebihan dibanding sumber energi lainnya. Tenaga air / hydropower adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air biasanya dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan air terjun atau aliran air di sungai.Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara permukaan air pada reservoir dengan air keluar dari turbin air.
2.1 Sejarah Turbin
Pada pertengahan tahun 1700, Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi. Turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang sederhana yang masih diproduksi sampai saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.
air. Turbin francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.
Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.
Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.
bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.
Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kineti ini akan diubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.
2.2 Turbin Air
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi
mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja
turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan
menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Besarnya tenaga air yang
tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam
hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada
reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :
Dengan mensubstisusikan P terhadap dan ρQ terhadap maka persamaan
Selain memanfaatkan air jatuh, hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar
di mana energi yang tersedia merupakan energi kinetik.
� = � ... (2.4)
Dimana:
Ek = energi kinetik ( Joule ) v = kecepatan aliran air ( m/s )
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:
� = � ... (2.5)
Atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas = ��, maka:
� = �� ... (2.6)
Dimana:
A = luas penampang ( m2 )
2.3 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi potensial air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi
2.3.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah
seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang
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 yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya sudu gerak akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan. Dengan demikian, kecepaan aliran air dapat diperoleh:
Energi potensial air = energi kinetik air
m. g. h = mv
v = √ . g. h………...(2.7)
2.3.1.1 Turbin Pelton
Turbin Pelton ditemukan pada tahun 1870an oleh Lester Allan Pelton. Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin impuls.
Gambar 2.1. Skema Turbin Implus
Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam runner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton, puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut turbin pancaran bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas runner, nosel dan rumah turbin. (Sihombing, Edis. 2009)
2.3.1.2 Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle 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.
Gambar 2.2 Turbin Pelton
2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin
cross flow merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet
adaptor. Aliran air yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat kedua.
Gambar 2.3 Turbin Turgo
Sumber:( http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id/2011/05/plta-pembangkit-listrik-tenaga-air-part.html
diakses pada kamis, 6 Oktober 2016 pukul 01.00 WIB)
Gambar 2.4. Turbin Crossflow
2.3.2 Turbin Reaksi
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. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:
2.3.2.1 Turbin Francis.
2.3.2.2 Turbin Kaplan
Turbin Kaplan (Propeler) adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga delapan 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. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini
mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang
berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip denganbaling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin Kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Gambar 2.6 Turbin kaplan
2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan
Kompone utama dari turbin kaplan adalah :
2.1Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada sudu penggarah / guide vane. Untuk mencapai aliran seragam
Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.
Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
2.3Runner Blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.
2.4Draft Tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:
Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.
Meningkatkan efisiensi turbin
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi sudut pengarah (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam sudut pengarah (λ), dan diameter hub (d) dapat dilihat pada gambar 2.7
Gambar 2.7 Elemen dasar Turbin Kaplan
Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :
= (66,76+ 0,136 s) √ ... (2.8)
Dengan
ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran turbin [rpm]
Persamaan dasar untuk mencari tinggi sudut pengarah (B) :
B = (0,45 - , ... (2.9)
Persamaan untuk mencari diameter dalam (Db):
= � − � � ……….(2.10)
Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d):
= 0,70 ... (2.11)
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.8 dibawah ini.
Dimana
Vf =Kecepatan aliran air
Ub =Kecepatan tepi (rim) diameter boss U =Kecepatan tepi (rim) diameter luar
Uwb =Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss
Uw =Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar �i =Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) �e =Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:
Vf = √ � ... (2.12)
Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam
(Ub dan U) adalah
Ub = �. .� ... (2.13)
U = �. .� ... (2.14)
Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :
Uwb = � . .
. ... (2.15)
Uw = � . .ℎ
. ... (2.16)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)
adalah :
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah :
tan ( βe) = ... (2.18)
2.4 Karakteristik Turbin
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow(m3/s) dibawah ini.
Dapat dilihat pada gambar 2.9 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu- sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.
Gambar 2.9 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin
2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns
tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.
Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
Ns=
+ , + 84 ... (2.19)
Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi
sebagai berikut:
Ns=
+ . +155 ... (2.20)
Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.
Tabel 2.1 Jenis-jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls
a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30
b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70
2. Turbin Reaksi
a. Francis
Ns normal 125-200
Ns tinggi 200-350
Ns exspress 350-500
b. Propeller
Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800
Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.17 di atas, atau menurut referensi yang lain :
Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiensinya 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.
2.6 Alternator
Alternator adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (150, 200 dan 250) , yakni:
2.7 Sabuk Datar dan Puli
Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda.Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat pulley yang panjang.
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:
1. Gerakan Sabuk Terbuka
2. Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk
Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.12, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.
Gambar 2.12 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Ssbuk
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta) Gambar 2.11 Sabuk terbuka
3. Gerakan dengan Puli Pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.13, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.
2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli
Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:
1�1= 2�2 ... (2.22)
Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:
�
� = ... (2.23)
Dimana,
N1 = Putaran penggerak [rpm] N2 = Putaran yang digerakkan [rpm] D1 =Diameter puli penggerak [m] D2 = Diameter puli yang digerakkan [m]
Gambar 2.13 Gerakan dengan Puli Pengarah
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan
2.7.3 Efisiensi Puli
Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut:
�p = �
� ... (2.24)
Dimana :
ηp = Efisiensi puli
2.8 Daya Listrik
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
Daya = � ... (2.25)
P =
P = . .
P = V.I ... (2.26)
Dimana:
