Evaluasi Teoritis Unjuk Kerja Turbin
Cross-Evaluasi Teoritis Unjuk Kerja Turbin Cross-flow
flow
Joke Pratilastiarso, Fifi Hesty Sholihah Joke Pratilastiarso, Fifi Hesty Sholihah
Program Studi Sistem Pembangkitan Energi, Departemen Teknik Mekanika dan En Program Studi Sistem Pembangkitan Energi, Departemen Teknik Mekanika dan En ergiergi
Politeknik Elektronika Negeri
Politeknik Elektronika Negeri SurabaySurabayaa e-mail: joke@eepis-its.edu,
e-mail: joke@eepis-its.edu, fifi@eepis-itsfifi@eepis-its.edu.edu Abstrak
Abstrak
Krisis listrik yang terjadi mendorong Krisis listrik yang terjadi mendorong pengimplem
pengimplementasian entasian energi energi terbarukan terbarukan sebagaisebagai upaya untuk memenuhi pasokan listrik Negara. upaya untuk memenuhi pasokan listrik Negara. Pengimplementasian PLTMH merupakan Pengimplementasian PLTMH merupakan alternative yang paling baik untuk keluar dari alternative yang paling baik untuk keluar dari masalah krisis listrik. Pada makalah ini telah masalah krisis listrik. Pada makalah ini telah dirancang sebuah turbin cross-flow sebagai upaya dirancang sebuah turbin cross-flow sebagai upaya pemanfaa
pemanfaatan energi potenstan energi potensial air. Rancangan tial air. Rancangan turbinurbin ini kemudian dievaluasi untuk mendapatkan nilai ini kemudian dievaluasi untuk mendapatkan nilai optimal dari hasil perhitungan. Turbin cross-flow optimal dari hasil perhitungan. Turbin cross-flow dirancang pada head 13 m dan debit 0.2 m dirancang pada head 13 m dan debit 0.2 m33 /s. /s. Kecepatan optimal turbin 146.41 rpm dari Kecepatan optimal turbin 146.41 rpm dari kecepatan maksimum 287.07 rpm. Daya optimal kecepatan maksimum 287.07 rpm. Daya optimal turbin 20.4 kW dengan efisiensi 80%.
turbin 20.4 kW dengan efisiensi 80%. Keywords: energi terbarukan, turbin
Keywords: energi terbarukan, turbin crosscross-flow.-flow. 1. Pendahuluan
1. Pendahuluan
Listrik adalah sumber daya yang paling banyak Listrik adalah sumber daya yang paling banyak digunakan karena memiliki banyak fungsi, digunakan karena memiliki banyak fungsi, diantaranya dalam menunjang kehidupan manusia, diantaranya dalam menunjang kehidupan manusia, listrik digunakan sebagai catu alat-alat elektronik dan listrik digunakan sebagai catu alat-alat elektronik dan alat lainnya yang membutuhkan listrik. Listrik alat lainnya yang membutuhkan listrik. Listrik menopang kelangsungan di berbagai bidang, seperti menopang kelangsungan di berbagai bidang, seperti halnya bidang industri, bidang pendidikan, dan lain halnya bidang industri, bidang pendidikan, dan lain sebagainya. Dengan demikian listrik menempatkan sebagainya. Dengan demikian listrik menempatkan dirinya pada posisi pertama sebagai kebutuhan dirinya pada posisi pertama sebagai kebutuhan primer
primer bangsa. bangsa. NamuNamun n hal hal ini ini berbanding berbanding terbalikterbalik dengan terbatasnya bahan bakar yang digunakan dengan terbatasnya bahan bakar yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik, karena untuk membangkitkan tenaga listrik, karena pembangkit
pembangkit listrik listrik dengan dengan bahan bahan bakar bakar fosil fosil masihmasih sangat diandalkan. Hal ini membuat banyak negara sangat diandalkan. Hal ini membuat banyak negara termasuk Indonesia mencari cara dalam pemanfaatan termasuk Indonesia mencari cara dalam pemanfaatan energi untuk menambah pasokan listrik guna energi untuk menambah pasokan listrik guna memenuhi kebutuhan di berbagai bidang dan aspek memenuhi kebutuhan di berbagai bidang dan aspek kehidupan.
kehidupan.
Selain mengandalkan pembangkit listrik Selain mengandalkan pembangkit listrik berbahan
berbahan bakar bakar fosil, fosil, aplikasi aplikasi yang yang diarahkan diarahkan dalamdalam pemanfaatan
pemanfaatan energi energi terbarukan terbarukan yang yang ada ada di di alamalam adalah pemanfaatan energi air, energi angin, energi adalah pemanfaatan energi air, energi angin, energi matahari, dan panas bumi. Salah satu sumber energi matahari, dan panas bumi. Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di Indonesia terbarukan yang sangat berpotensi di Indonesia adalah pemanfaatan energi air dan apabila adalah pemanfaatan energi air dan apabila pemanfaatan energi tersebut secara meluas di
pemanfaatan energi tersebut secara meluas di seluruhseluruh wilayah Indonesia maka peluang keluar dari krisis wilayah Indonesia maka peluang keluar dari krisis listrik akan semakin besar mengingat bahwa terdapat listrik akan semakin besar mengingat bahwa terdapat banyak
banyak sungai sungai yang yang berpotensi berpotensi untuk untuk dimanfaatkandimanfaatkan dan semuanya menyebar di seluruh pulau-pulau besar dan semuanya menyebar di seluruh pulau-pulau besar yang ada di Indon
yang ada di Indon esia.esia.
Potensi tenaga air yang t
Potensi tenaga air yang tersebar hampir diseluruhersebar hampir diseluruh Indonesia diperkirakan mencapai 75000 MW, 500 Indonesia diperkirakan mencapai 75000 MW, 500 MW diantaranya adalah potensi untuk pembangkit MW diantaranya adalah potensi untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Potensi listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Potensi mikrohidro yang mencapai 500 MW, baru mikrohidro yang mencapai 500 MW, baru dimanfaatkan hanya 4% saja yaitu 20
dimanfaatkan hanya 4% saja yaitu 20 MW.MW.
Untuk memenuhi kebutuhan listrik daerah Untuk memenuhi kebutuhan listrik daerah pedesaan yang belum terjangkau PLN dan men
pedesaan yang belum terjangkau PLN dan men gingatgingat sumber daya air Indonesia yang banyak dan tersebar sumber daya air Indonesia yang banyak dan tersebar namun pemanfaatannya masih di bawah potensinya namun pemanfaatannya masih di bawah potensinya maka penerapan PLTMH merupakan alternatif yang maka penerapan PLTMH merupakan alternatif yang paling baik.
paling baik.
Sungai-sungai di Indonesia yang merupakan Sungai-sungai di Indonesia yang merupakan energi mikrohidro memiliki banyak kondisi oleh energi mikrohidro memiliki banyak kondisi oleh karena itu bentuk turbin juga berbeda-beda karena itu bentuk turbin juga berbeda-beda tergantung dari kondisi sungai. Sungai dengan tinggi tergantung dari kondisi sungai. Sungai dengan tinggi jatuh
jatuh (head) (head) rendah rendah namun namun debit debit air air besar besar makamaka turbin kaplan cocok untuk kondisi ini. Sungai dengan turbin kaplan cocok untuk kondisi ini. Sungai dengan head tinggi dan debit air sedang, turbin pelton sangat head tinggi dan debit air sedang, turbin pelton sangat cocok. Sungai dengan head sedang dan debit air yang cocok. Sungai dengan head sedang dan debit air yang cukup, solusinya adalah
cukup, solusinya adalah turbin cross-flowturbin cross-flow..
Pada penelitian ini akan diuraikan tentang Pada penelitian ini akan diuraikan tentang perancangan
perancangan turbin turbin cross-fcross-flow low untuk untuk daya daya 25 25 kW,kW, perancangan ini
perancangan ini selanjutnya dievaluasi selanjutnya dievaluasi secara teoritissecara teoritis untuk mengetahui karakteristiknya sebelum di untuk mengetahui karakteristiknya sebelum di kembangkan dalam bentuk turbin yang kompatibel. kembangkan dalam bentuk turbin yang kompatibel. 2. Penelitian Terdahulu
2. Penelitian Terdahulu Turbin cross-flow
Turbin cross-flow adalah salah satu turbin airadalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi
dari jenis turbin aksi (impulse turbi(impulse turbine). Prinsip kerjane). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada
pada tahun tahun 1903. 1903. KemudiaKemudian n turbin turbin iniini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki.
Turbin Banki.
Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan
bahan yang yang sama. sama. Penghematan Penghematan ini ini dapat dapat dicapaidicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air (Haimerl, L.A lebih kompak dibanding kincir air (Haimerl, L.A 1960).
1960).
Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air. Begitu juga dengan efisiensi dibanding kincir air. Begitu juga dengan efisiensi turbin ini yang lebih besar daripada efisiensi kincir turbin ini yang lebih besar daripada efisiensi kincir air. Tingginya effisiensi Turbin Cross-Flow ini air. Tingginya effisiensi Turbin Cross-Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini
dilakukan dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu-sudu pada saat air mulai masuk, dan yang kedua adalah daya dorong air pada sudu-sudu saat air akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertingkat ini ternyata memberikan keuntungan dalam hal effektifitasnya yang tinggi dan kesederhanaan pada sistim pengeluaran air dari runner.
Pada tahun 1979, W.R Breslin dalam penelitiannya yang berjudul A Construction Manual Small Banki Turbine merancang turbin cross-flow dengan acuan perhitungan C.A Mockmore (1949). Hasil perhitungan didapatkan daya bersih (net power) adalah 6.36 HP dan kecepatan turbin 365.5 rpm. Namun tidak ada tindak lanjut dari hasil penelitian ini baik secara teoritical maupun
eksperimental.
Pada tahun 2005, Barglazan menghitung persamaan matematis dari turbin cross-flow dengan menurunkan dari rumus segitiga kecepatan agar didapat rancangan turbin yang optimal. Namun pada hasil rancangannya tidak ditunjukkan berapa nilai daya, kecepatan, dan efisiensi yang maksimal. Perhitungan Barglazan hanya sebenarnya hanya mengarah pada perhitungan untuk mendapat nilai efisiensi maksimal. Tentunya perlu dievaluasi lebih lanjut agar dapat diketahui nilai optimalnya mengingat judul penelitian Barglazan adalah About Design Optimization of Cross-flow Hidraulic
Turbines.
Pada tahun 2011, penelitian Warsito dalam program penelitian hibah strategis nasional yang berjudul Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil, daya yang dihasilkan 2.34 W dan kecepatan turbin 166 rpm. Pada penelitian ini didapatkan grafik hubungan kecepatan dan daya yang linier, semakin tinggi kecepatan maka semakin besar dayanya.
Pada penelitian ini akan dirancang turbin cross-flow dengan pendekatan nilai efisiensi maksimum yang selanjutnya akan dievaluasi kinerja turbin ini secara teoritis agar didapatkan hasil rancangan turbin yang optimal.
3. Perencanaan Sistem
Pada gambar di bawah ini ditunjukkan blok diagram dasar dari pembangkit listrik tenaga mikrohidro.
Head netto atau tinggi jatuhan air yang direncanakan adalah 13 meter dengan debit 0.2m3/s. Dari nilai head dan debit ini dapat ditentukan turbin yang cocok dengan menggunakan Tabel Pemilihan Turbin.
Gambar 2. Grafik hubungan Head-Debit Pada penelitian ini tinggi jatuh air yang direncanakan adalah 13 meter dengan kapasitas aliran air 0.2 m3/s, berdasarkan grafik hubungan head dan debit aliran maka dipilih jenis turbin cross-flow atau banki. Pemilihan turbin juga ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik turbin dimana kecepatan spesifik tiap jenis turbin disajikan dalam tabel di bawah ini.
Tabel 1. Tabel Kecepatan Spesifik. Jenis Turbin Kecepatan Spesifik
Turbin (Ns) Turbin Pelton 12≤Ns≤25 Turbin Francis 60≤Ns≤300 Turbin Cross-flow 40≤Ns≤200 Turbin Propeller/Kaplan 250≤Ns≤1000
Perancangan atau perhitungan parameter- parameter turbin cross-flow menggunakan persamaan-persamaan yang digunakan Mockmore.
1. Diameter Luar (L) dan Lebar Sudu Turbin (L)
0.146 2 13 2 . 0 627 . 2 627 . 2 m H Q LD Diameter luar (m) Lebar sudu (m)
0.5 0.29 0.45 0.32 0.4 0.365 0.35 0.42 Energi Potensial Energi Mekanik Energi Listrik Generator Turbin Trans Water source Pi a
Diameter yang dipilih adalah 0.5 m atau 50 cm dan lebar sudu 0.29 m atau 29 cm.
2. Diameter Dalam Turbin (D2)
cm m D D 33 33 . 0 5 . 0 3 2 3 2 2 3. Kecepatan Max. Runner Turbin (N)
rpm D H N 07 . 287 5 . 0 13 81 . 39 81 . 39
4. Jarak antara Sudu (t)
cm m D t 7 . 8 087 . 0 ) 5 . 0 ( 174 . 0 174 . 0
5. Ketebalan Semburan / Lebar Nozzle
cm m H L Q s 2 . 4 042 . 0 13 29 . 0 2 . 0 22 . 0 22 . 0
6. Jari-jari Kelengkungan Sudu
cm m D 15 . 8 0815 . 0 ) 5 . 0 ( 163 . 0 163 . 0 7. Jumlah Sudu (n)
sudu t D n 20 05 . 18 087 . 0 5 . 0 8. Daya Hidrolis
kW H g Q P t 506 . 25 13 81 . 9 2 . 0 . . . 9. Kecepatan Spesifik 5 . 53 13 21170 07 . 287 4 5 4 5 H P n N sKecepatan spesifik turbin cross-flow berdasarkan Tabel 1 adalah antara 40 dan 200.
10. Torsi
Nm Ph T 2715 06 . 30 ) 8 . 0 ( 25506 4 4 max 4. Evaluasi Hasil Perancangan
Hasil rancangan turbin cross-flow disajikan dalam tabel berikut ini
Tabel 2. Tabel Hasil Rancangan Parameter Nilai Diameter luar (cm) 50 Diameter dalam (cm) 33 Lebar sudu (cm) 29 Jarak antar sudu (cm) 8.7
Lebar Nozzle (cm) 4.2 Jari-jari kelengkungan sudu
(cm) 8.15 Jumlah sudu 20 Daya Hidrolis (kW) 25.50 Kecepatan (RPM) 287.07 Kecepatan Rotasional (rad/s) 30.06 Kecepatan Spesifik 53.5 Torsi (Nm) 2715
Evaluasi hasil rancangan turbin dilakukan untuk mengetahui performa kinerja turbin dalam berbagai kondisi. Pada makalah ini evaluasi turbin dilakukan dengan variasi nilai kecepatan. Perubahan nilai kecepatan dimungkinkan terjadi karena debit yang tidak konstan.
Kecepatan maksimal turbin yang telah dirancang adalah 287.07. Prosentase range variasi kecepatan adalah 25% hingga % max.
Gambar 3. Grafik hubungan Daya-RPM
RPM (%) 25 41 51 61 75 99
Daya (kW) 15.3 19.7 20.4 19.4 15.3 0.75
Semakin besar kecepatannya maka daya output turbin akan semakin besar pula namun jika sudah mencapai nilai optimalnya dan nilai kecepatan bertambah besar maka daya turbin akan turun. Dari hasil evaluasi, didapatkan bahwa daya output turbin maksimal adalah 20.4 kW dengan kecepatan optimal 146.41 RPM atau 51% dari kecepatan maksimalnya. Dengan demikian efisiensi maksimal pun terjadi saat kecepatan optimal 146.41 RPM. Pada penelitian C.A Mockmore, turbin cross-low dirancang untuk head 4.87 m dan debit 0.08 m3/s menghasilkan daya optimal 2.1 kW pada kecepatan 270 rpm dari daya maksimal 3.8 kW dan kecepatan 500 rpm.
Gambar 4. Grafik hubungan Daya-RPM (C.A Mockomore)
Gambar 5. Grafik hubungan Effisensi-RPM Efisiensi maksimum 80% saat kecepatan 146.41 rpm dengan daya output maksimal 20.4 kW. Pada penelitian C.A Mockmore, didapat efisiensi
maksimum 68% pada kecepatan optimum 2 70 rpm.
Gambar 6. Grafik hubungan Effisensi-RPM (C.A Mockmore)
Konversi energi mekanik turbin ke energi listrik dengan menggunakan IMAG (Induction Motor As Generator) 3 phasa 50 Hz 4 pole dengan rincian nameplate sebagai berikut :
Parameter Nilai Daya (kW) 22 Full load RPM 1460
Effisiensi 89.5% Arus max (A) 41.8
Torsi (Nm) 144
Transmisi daya dari turbin ke generator menggunakan pulley-belt. Kecepatan optimal turbin adalah 146 rpm, sedangkan kecepatan nominal generator 1460 rpm. Maka rasio pulley yang digunakan adalah 10:1 dengan efisiensi 90%.
Gambar 7. Grafik hubungan Daya-RPM Daya listrik atau daya output generator menjadi turun karena efisiensi generator dan transmisi. Daya output maksimal 16.41 kW dengan kecepatan optimal 1460 rpm.
Gambar 8. Grafik hubungan RPM-Torsi Semakin tinggi kecepatan putar generator maka torsi akan semakin turun sehingga daya output generator menjadi turun.
5. Kesimpulan
1. Semakin tinggi kecepatan runner turbin maka daya output turbin akan semakin besar namun ketika mencapai titik kerja optimalnya dengan kecepatan yang tinggi, daya yang dihasilkan akan turun. Hal ini dikarenakan ketika putaran turbin sangat tinggi, maka transfer momentum antara air dan turbin sangat kecil sehingga gaya yang dihasilkan pun akan kecil. Karena gaya berhubungan dengan torsi dan daya, maka
nilainya pun akan bertambah turun
2. Pada evaluasi hasil perancangan turbin cross-flow ini didapat nilai daya maksimal output turbin adalah 20.4 kW dengan kecepatan optimal 146 rpm.
3. Efisiensi total perancangan sistem mikrohidro pada evaluasi ini adalah
0.8 0.9 0.895
0.644 g trans T 4. Daya output system
Ph
kWtotal 0.644 25506 16.42
Referensi
[1] Hamerl, L.A, ''The Cross-flow Turbine'', Jerman Barat 1960.
[2] Breslin, W.R, ''Small (Michell) Banki Turbine : A Construction Manual'', Amerika Serikat, 1979.
[3] Mockmore, C.A dan Fred Merryfield, ''The Banki Water Turbine'', Oregon State College, Bulletin Series, No.25, 1949.
[4] Barglazan, M, ''About Design Optimization of Cross-flow Hidraulic Turbine'', Scientific Bulletin of The Politehnica Universit
