LAPORAN
Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Air
Perancangan Turbin Propeller
Kelomok : 3
Nama Anggota Kelomok : M. Adam Amsary 141724017
M. Alinur Suandaru 141724018
M. Baihaqi 141724019
M. Ilham Alqodri 141724020 M. Rizal Dwi Ilman 141724021 Nur Hasyyati Luqiyana 141724022 Nurlatipah 141724023 Program Studi : Teknologi Pembangkit Tenaga Listrik
Kelas : 3 – C
Nama Instruktur / Dosen : Drs. Maridjo, MT
TEKNIK KONVERSI ENERGI
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
1. Tujuan
Berdasarkan tugas kali ini mahasiswa di harapkan dapat merancang turbin dalam skala kecil yaitu pada perancangan miniatur Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Turbin Propeller.
2. Pendahuluan
Energi listrik merupakan energi yang tidak bisa lepas dari kehidupan masyarakat. Di Indonesia banyak sekali sumber energi terbarukan yang hingga kini belum dimanfaatkan secara optimal. Potensi energi terbarukan yang sudah dimanfaatkan sebagian besar berupa sungai yang airnya cenderung terbuang ke laut. Dan setiap kilometer kilometer sungai dapat dimanfaatkan sebagai sumber tenaga untuk menggerakkan pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Salah satu alternatif energi listrik nasional adalah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). PLTMH ini merupakan pembangkit listrik dalam skala kecil, yaitu memiliki kapasitas antara 1 kW – 100 kW.
Penggunaan energi meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk. Sedangkan akses ke energi yang andal dan terjangkau merupakan prasyarat utama untuk meningkatkan standar hidup masyarakat. Berbagai cara terus dilakukan dalam upaya memperoleh energi. Pribadyo et. al. dalam penelitiannya telah berhasil menguji coba turbin reaksi aliran aksial jenis propeller yang dapat digunakan sebagai sumber pembangkit energi listrik alternative dengan memanfaatkan potensi sumber daya alam berupa aliran sungai dengan ketinggian rendah (2-4m).
Kita ketahui bahwa pemanfaatan potensi sumber daya alam untuk berbagai kebutuhan energi telah dikenal sejak lama salah satunya adalah yang bersumber dari air seperti aliran sungai ataupun air terjun dengan menggunakan teknologi sederhana seperti kincir air sampai pada teknologi canggih dari turbin air dengan jenis yang berbeda-beda seperti turbin Pelton, turbin Turgo, Turbin Cross flow, turbin Francis, turbin Kaplan dan turbin Propeller, dimana masing-masing turbin tersebut digunakan tergantung dari jenis sumber air yang tersedia.
Penerapan potensi tenaga air menjadi energi listrik berdampak manfaat selain untuk pengembangan potensi sosial-ekonomi pedesaan sesuai kebutuhannya, juga perlu terus dilaksanakan untuk memberi kontribusi pada pemenuhan target pemakaian energi baru dan terbarukan sebesar 15% pada tahun 2025 (Agenda Riset Nasional 2006-2009, 2006).
Kemudian kami bertujuan untuk mengembangkan dan menerapkan turbin air jenis Propeller sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) head rendah dengan tinggi
head 2-4 meter. Turbin hasil perancangan ini merupakan data yang diperoleh dari laporan
3.
Dasar Teori
a. Pengertian Turbin Air
Turbin air adalah alat untuk mengubah energi potensial air menjadi menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator.
PLTMH ini dibangun untuk memanfaatkan sumber energi terbarukan berasal dari air dan mempunyai beda ketinggian yang rendah. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) sebagai solusi konservasi energi dan konservasi lingkungan. Salah satu keunggulan mikrohidro, yakni tidak menimbulkan kerusakan lingkungan.
b. Komponen Turbin Air
1) Rotor, yaitu bagian yang berputar pada sisitem yang terdiri dari :
Sudu-sudu, berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nozzle.
Poros, berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu.
Bantalan, berfungsi sebagai perapat-perapat komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.
2) Stator, yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari :
Pipa pengarah / nozzle yang berfungi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan fluida yang digunakan didalam sistem besar.
Rumah turbin, berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen-komponen turbin.
c. Prinsip Kerja
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga
menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik.
d. Cara Pemilihan Turbin Air
Jenis turbin yang digunakan pada pembangkit listrik tenaga air dikategorikan menjadi dua yaitu: turbin impulse, seperti turbin Pelton, Crossflow, Turgo-Impulse, dan turbin reaction, seperti turbin Francis, Propeller, Kaplan, Tubular. Pemilihan jenis turbin tergantung pada tinggi jatuh dan debit air sungai. Jenis turbin yang sudah dikembangkan di Indonesia adalah tubin crossflow dan propeller. Kedua jenis turbin ini dikenal lebih ekonomis dan mudah dikuasai teknologinya secara lokal.
Sebelum menentukan jenis turbin yang akan digunakan, maka kita harus mengetahui nilai kecepatan spesifik. Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap tinggi jatuh 1 meter atau dengan rumus dapat ditulis:
Keteragan:
Ns = Kecepatan spesifik turbin
n = Kecepatan putaran turbin ( rpm) Hefs = Tinggi jatuh effektif (m)
Head yang rendah yaitu dibawah 46 meter tetapi debit air yang besar,maka
turbin kaplan atau propeller cocok digunakan untuk kondisi seperti ini. Di cimahi jawa barat Cihanjuang juga telah mengebangkan turbin jenis turbo propeler produksi turbin tipe propeller tubular biasanya digunakan untuk membangkitkan listrik dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian (head) sekitar 14 meter dan mampu membangkitkan listrik sebesar 70 kW.
e. Turbin Propeller
Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller (baling-baling), yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Turbin Propeller biasanya mempunyai 3 – 6 sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut rotornya tidak dapat dirubah. Efisiensi operasi turbin pada beban sebagian (part-flow) untuk turbin jenis ini sangat rendah. Untuk hydropower yang berskala lebih besar maka dipakai turbin propeller yang lebih canggih.
Pada turbin ini sudu propeller dan wicket gate dapat diatur sehingga efisiensinya pada saat beroperasi pada beban rendah (part-flow) tetap baik. Turbin dengan variable pitch ini dikenal sebagai turbin kaplan. Turbin kaplan biasa juga disebut sebagai Turbin Propeller. Turbin kaplan lebih disarankan untuk implementasi pembangkit listrik yang memiliki tinggi jatuh atau terjunan air yang lebih rendah daripada turbin francis. Turbin turbo propeller ini memiliki sifat khas, seperti; debit besar, kecepatan alir tinggi, effisiensi tinggi dan hemat penggalian, dll.
f. Jenis-Jenis Turbin Propeller untuk PLTMH 1) Turbin propeller open flume
Turbin tipe open flume biasanya digunakan untuk aliran air yang memiliki perbedaan ketiggian kurang dari 8 meter dengan kemampuan membangkitkan listrik sampai dengan 100 kW bahkan lebih.
Turbin celup propeller merupakan turbin relatif kecil untuk aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian sekitar 3 meter. Tipe turbin celup propeller ini mudah dipindah-pindahkan dan memiliki kapasitas pembagkitan sebesar 100 watt.
Propeller open flume
Propeller open flume: TC - 60 Propeller open flume: Of.125 2) Turbin turbo propeller
Turbin tipe propeller tubular biasanya digunakan untuk membangkitkan listrik dari aliran air yang memiliki (head) sekitar 14 meter dan mampu membangkitkan listrik sebesar 70 kW.
g. Prinsip kerja turbin propeller
air dari ujung atas mengalir masuk ke ruang di antara kisar sudu ulir (bucket) dan keluar dari ujung bawah;
mendorong sudu ulir dan memutar rotor pada sumbunya dan
rotor turbin memutar generator listrik yang disambungkan dengan ujung atas poros turbin ulir.
Gambar 1. Skematik turbin ulir
Oleh karena itu volume air dalam bucket harus dimaksimumkan agar menghasilkan efisiensi pembangkitan daya tertinggi. Adapun keuntungan turbin ulir dibandingkan dengan jenis turbin lain adalah :
Dapat dioperasikan pada head sangat rendah, hingga 1 meter;
Dapat dioperasikan tanpa saringan dan tidak menganggu ekosistem sungai;
Umur turbin lebih tahan lama terutama jika dioperasikan pada putaran rendah;
Mudah dalam pengoperasian dan murah dalam perawatan;
Memiliki efisiensi dan kehandalan yang tinggi (lihat Tabel 1);
Mampu bekerja pada rentang variasi debit yang lebar (lihat Tabel 1 ) .
Pada tabel 1 ditunjukkan perbandingan efisiensi turbin air jenis ulir Archimedes, turbin Kaplan (aksial), turbin Francis (sentrifugal) dan turbin Banki (cross flow) terhadap tingkat rendaman sudu dalam air. Tabel tersebut menunjukkan bahwa turbin ulir Archimedes mengungguli jenis turbin lain untuk seluruh kondisi rendaman. Efisiensi 25% dicapai pada tingkat rendaman 10%dan 87% pada tingkat rendaman 100%.
Tabel 1. Perbandingan efisiensi berbagai jenis turbin air terhadap tingkat rendaman
Daya Bangkitan Sumber Energi Air
Daya yang bisa dibangkitkan dari sumber energi air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1) berikut :
P = η ρ g H Q (1)
menunjukkan efisiensi konversi energi ditentukan oleh jenis turbin yang digunakan untuk memanfaatkan sumber energi air (0 < η < 1), ρ melambangkan massa jenis air (1000 kg/m3), g adalah percepatan gravitasi (9,81 m/s2) dan Q adalah debit air (m3/s) serta H adalah head air (m).
Dimensi Turbin Ulir
Geometri sebuah turbin maupun pompa ulir Archimedes ditentukan oleh dimensi luar dan dimensi dalam turbin (lihat Gambar 2).
Gambar 2. Profil turbin ulir 2 sudu. Keterangan :
Ri : jari-jari dalam sudu ulir (0<Ri<Ro)
Ro : jari-jari luar sudu turbin
Λ : kisar ulir sudu turbin (0≤ ᴧ≤2πRo/K)
K : tan θ
θ : sudut kemiringan poros turbin
β : sudut ulir (pada posisi Ri)
α : Sudut ulir (pada posisi Ro)
N : Jumlah sudu (1,2,…)
Dimensi luar turbin terdiri jari-jari terluar sudu ulir Ro, kisar ulir ᴧ, dan sudut kemiringan poros θ. Dimensi luar ditentukan oleh lokasi penempatan ulir, material ulir yang akan digunakan dan debit air. Sudut kemiringan poros θ turbin umumnya antara 30° sampai 60° .
Sedangkan dimensi bagian dalam turbin meliputi jari-jari dalam Ri, jumlah sudu N , dan jarak antar sudu bila N > 1. Dimensi dalam turbin bebas dipilih, sehingga pengoptimuman turbin ulir dapat dilakukan dengan mengubah dan memvariasikannya.
Rorres menawarkan formulasi untuk menentukan dimensi-dimensi ulir
Archimedes berdasarkan perhitungan pemaksimuman volume air di antara kisar
sudu, volume maksimum tersebut dinyatakan dalam persamaan (3).
Pada volume maksimum tersebut, diameter dalam ∗ dapat diperoleh dari persamaan
(4)
Kisar ulir pada volume maksimum dinyatakan oleh persamaan (5)
Nisbah volume optimum, jari-jari optimum dan Nisbah volume, nisbah jari-jari dan nisbah kisar didefinisikan pada persamaan (6), (7), (8) berikut ini :
Jumlah kisar m yang diperlukan pada panjang poros turbin ulir L untuk panjang kisar optimum ᴧ∗dapat dihitung dengan persamaan (9).
Persamaan (2) s.d (9) bersama Tabel 2 digunakan untuk menentukan dimensi rancangan turbin ulir Archimedes dalam kegiatan penelitian ini.
Putaran turbin ulir maksimum (rpm) dan hubungan antara dimensi kisar Λ dan jari-jari luar sudu untuk berbagai sudut kemiringan turbin dapat dinyatakan dalam persamaan (10) dan (11)
Tabel 2. Parameter Ulir Archimedes Optimum menurut Chriss Rorres.
Perancangan Pembuatan Sudu Ulir
Perhitungan panjang lintasan bentangan sudu ulir dapat dilakukan melalui 2 cara yaitu dengan perhitungan persamaan helix , persamaan (12), atau didapat dari hasil simulasi perangkat lunak gambar teknik tiga dimensi (SolidworkTM).
Jumlah helix dinyatakan dalam lambang pada persamaan (12).
Diameter bakalan sudu D dapat dihitung berdasarkan pada panjang lintasan bentangan
Sesuai dengan prinsip kerja turbin ulir Archimedes bahwa berputarnya rotor turbin ulir adalah disebabkan oleh gaya berat dan gaya hidrostatis dari volume air yang berada di antara dua sudu sepanjang rotor turbin ulir. Oleh karena itu pendekatan perhitungan torsi yang dihasilkan poros turbin ulir dikaji dari gaya berat dan gaya hidrostatis fluida yang berada di antara dua sudu
Perhitungan Gaya Berat
Gambar 3. Skema perhitungan torsi akibat gaya berat.
Perhitungan gaya berat air dengan volume air pada bucket dapat dihitung menggunakan persamaan (14):
Dan gaya berat arah aksial (sejajar sumbu rotor) dapat dihitung menggunakan persamaan (15) :
Sehingga gaya pada poros dihitung dari gaya yang terjadi pada sudut ulir dengan sudut ϒ.
Torsi dari gaya berat (seperti diperlihatkan pada gambar 3) merupakan perkalian gaya tangensial pada sudu akibat gaya berat dari volume air di bucket dengan jarak titik berat volume bucket tersebut terhadap sumbu putar.
Perhitungan Gaya Hidrostatis
Perbedaan gaya hidrostatis pada sudu turbin ulir (seperti ditunjukkan pada gambar 4) terjadi karena adanya perbedaan head air antara head air di atas sudu (head upper) dengan head air di bawah sudu (head down). Pengurangan besar gaya hidrostatis di atas kisar dengan gaya hidrostatis di bawah kisar merupakan gaya dan menjadi torsi yang menyebabkan rotor berputar.
Gambar 4. Skema pendekatan gaya hidrostatis pada turbin ulir (a)Pandangan samping (b)Pandangan atas, (c) Gaya hidrostatik pada sudu
Perhitungan gaya hidrostatis pada turbin ulir dapat menggunakan persamaan (18) dan (19);
Sehingga gaya hidrostatis fluida adalah:
4. Perancangan
Perancangan Turbin Ulir
1. Langkah - langkah yang harus di lakukan
Penentuan dimensi sudu turbin ulir Archimedes dan sudut kemiringan poros turbin dilakukan dengan urutan langkah-langkah kegiatan:
• survei potensi sumber energi air yang cocok untuk dimanfaatkan menggunakan turbin ulir;
• mengukur head dan debit sumber energi air yang ditemukan;
• menghitung daya yang bisa dihasilkan dari sumber energi air bersangkutan;
• menentukan dimensi sudu ulir berdasarkan pada formulasi Rorres (5) ;
• perhitungan bentangan helix untuk sudu turbin ulir dan simulasi bentangan menggunakan perangkat lunak gambar teknik Solidwork™; • Penentuan sudut kemiringan poros turbin ulir yang optimum menggunakan perhitungan torsi akibat gaya berat dan gaya hidrostatis fluida yang ada di antara 2 sudu.
2. Perancangan Turbin Ulir Misalkan
Head Efektif = 2 meter Debit Air = 20-40 Liter/detik
Dengan demikian, mengacu pada persamaan (1),
P = η ρ g H Q (1)
Daya terbesar yang bisa dibangkitkan mencapai 392 W ≤ P ≤ 784W. Pada kenyataannya, daya yang dibangkitkan akan lebih rendah dari pada daya di atas karena efisiensi turbin ulir dan efisiensi generator listrik .
Sudut kemiringan turbin ulir θ yang akan dibuat ditetapkan sebesar 30°, maka pada head 2 m, panjang poros turbin ulir L yang dibutuhkan adalah 3,46 m, yaitu dihitung dari persamaan (2).
Diameter dalam turbin ulir pada perancangan dipilih sebesar 0,01095 m, yaitu diameter luar pipa 8 inci yang digunakan sebagai poros turbin.
Dalam penentuan dimensi sudu turbin ulir ini dipilih jumlah sudu ulir N sebanyak 2. Mengacu pada tabel 2 untuk N=2 dipilih
ρ∗= 0,5369;
λ∗= 0,1863
ν∗= 0,2747
Jari-jari luar = 0,204 m Panjang kisar Λ = 0,413m
VT = 0,014857m3
Jumlah kisar m = 8,37 ; dan
VT pada seluruh sudu = 0,124 m3.
Panjang lintasan bentangan sudu ulir dihitung menggunakan persamaan (12) untuk helix (Nhelix = 1 ), Yaitu Lhelix = 0,802 m ( Lihat Gambar 7 ) kemudian perangkat lunak gambar teknik (lihat Gambar 8) menghasilkan perhitungan panjang lintasan bentangan sudu sebesar 0,802 m, sama dengan angka yang diperoleh dari persamaan (12).
Dari hasil perhitungan panjang lintasan bentangan sudu di atas, maka diameter bakalan sudu dapat dihitung melalui persamaan (13). Hasilnya = 0,255 m (lihat Gambar 9).
Hasil perhitungan torsi akibat gaya berat dan gaya hidrostatis dengan volume bucket maksimum ditunjukkan pada gambar 10 dimana sudut optimum kemiringan poros (θ) adalah pada sudut 32° yang dapat menghasilkan torsi terbesar.
Besar sudut kemiringan poros berpengaruh terhadap banyaknya volume air pada ruang di antara dua sudu (bucket). Pada sudut di atas 32°, banyaknya air pada bucket akan semakin berkurang karena sebagian volume air akan mengalir pada bagian atas sudu ulir dan tidak mnghasilkan gaya pada poros.
Pada gambar 11,12 dan 13 diperlihatkan bentuk air pada volume bucket pada saat sudut kemiringan poros 32° dan 68°, dimana volume air pada
bucket dengan sudut θ=68° lebih sedikit dari pada volume air pada bucket dengan sudut θ=32°.
5. Kesimpulan
Dari perancangan penentuan dimensi sudu turbin dan sudut kemiringan poros turbin ulir Archimedes ini maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
Penentuan dimensi turbin ulir menggunakan formulasi Rorres dilakukan untuk mengoptimumkan volume bucket pada sudu turbin.
Penentuan bakalan bentangan sudu turbin dapat menggunakan persamaan helix atau informasi perangkat lunak gambar teknik.
Kinerja turbin ulir telah diperoleh dari perancangan ini, dimana hasil perhitungan gaya berat dan gaya hidrostatis pada volume bucket maksimum diperoleh sudut optimum pada sudut θ=32°.
Daftar Pustaka
Havendri, A. dan Arnif, I., 2010. Kaji Eksperimental Penentuan Sudut Ulir Optimum pada Turbin Ulir untuk Data Perancangan Turbin Ulir pada PLTMH dengan Head Rendah, Prosiding SNTM IX, Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin ke-19, 13-15 Oktobar 2010, Palembang, Indonesia.
Hellmann, H., 2003. Gutachten zur Wirkungsgradbestimmung einer Wasserkraftschnecke Fabrikat Ritz-Atro [Report on determination of hydraulic screw efficiency manufactured by Ritz-Atro Ltd.],
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Technical University, Kaiserslautern, Germany.
The British hydropower association, 2005. A guide to UK mini-hydro developments, The British hydropower association.
5. Rorres, C., 2000. The Turn of the Screw :Optimal design of an archimedes, Journal of Hydraulic Engineering, 126(1), pp.72-80.
Nagel, G., 1968. Archimedean Screw Pump Handbook, Prepared for Ritz-Atro Pumpwerksbau GMBH Roding, Nu¨rnberg, Germany.
Nagel, G., Radlik, K., 1988.
Wasserförderschnecken [Water lifting screws] Bauverlag, Wiesbaden/Berlin, German.
Muller, G., 2009. Simplified Theori of Archimedean Screw, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.47, No.5.
