Download - Makalah Turbin Air
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan-
peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik
mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai
sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk
menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakan
oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvesnsionalnya pada
zaman dahulu air juga dimanfaat untuk pemnagkit tenaga listrik yaitu utuk
meggerakan generator pembangkit digunakan sebuah kincir air, tetapi sekarang
ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlan turbin air. Dalam suatu sistim
PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin
air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini
diubah menjadi energi listrik oleh generator.
B. Tujuan
Dalam makalah ini dijelaskan tentang turbin air yang bersekala kecil
yang biasanya digunakan oleh pembangkit listrik yang berskala kecil atau daerah.
Tujuan dari pembuatan makalah ini diantarana untuk mengemukakan beberapa
paparan tentang turbin air yang berskala kecil dan ditujukan kepada pembaca yag
ingin mengetahui apakan turbin air itu ?
1
BAB II
ISI
Turbin Air Skala Kecil (Turbin Piko Crossflow)
A. Pengertian
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
dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk
jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini
dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.
B. Macam Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling
utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air
menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua
yaitu
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi.
1. Turbin Impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya
dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy potensial + tekanan +
kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk memutar turbin, sehingga
menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.
2
2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya
dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air
reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1) Francis, contoh: turbin Francis dan
2) Propeller:
a. Sudut tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari
jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika
digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis
dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran
debitnya lebar.
b. Sudut dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody
C. Karakteristik Turbin
Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut
homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai
karakteristik sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam
buah konstanta yaitu:
1) Rasio Kecepatan (Φ)
2) Kecepatan Satuan (Nu)
3) Debit Satuan (Qu)
4) Daya Satuan (Pu)
5) Kecepatan Spesifik (Ns)
6) Diameter Spesifik (Ds)
3
1. Rasio Kecepatan
Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin
pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat
dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun(Hnetto) yang bekerja pada turbin.
Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter
karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi
terjun netto/effektif (m).
2. Kecepatan satuan
Kecepatan Satuan ( N ) adalah kecepatan putar turbin yang U mempunyai
diameter ( D ) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( H ) satu satuan
panjang. Netto Dari Pers.(1.1) diperoleh korelasi
dengan memasukan nilaiD= 1 m danH= 1 m, maka Pers.(1.2) menjadi:
Akhirnya persamaan diatas ditulis sebagai
4
3. Debit Satuan
Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit
yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H ) yang
bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang netto melalui turbin dapat
dinyatakan sebagai
Dengan C adalah koefisien debit. d Debit Satuan ( Q ) adalah debit turbin
yang mempunyai diameter ( D) U satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi
terjun ( H ) satu satuan netto panjang. (1.6) Akhirnya Pers.(1.5) dapat ditulis
sebagai:
Akrirnya pers diatas ditulis sebagai :
4. Daya satuan
Daya (P) yang dihasikan oleh turbin dapat dirumuskan:
5
dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu)
adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja
pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan netto panjang
maka persamaan diatas dapat ditulis:
5. Kecepatan Spesifik
Dari persamaan di atas maka dapat ditarik/menghasilkan korelasi :
Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang S menghasilkan daya
sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H netto ) satu satuan panjang.
Kecepatan Spesifik ( Ns ) dapat dinyatakan dalam sistim metric S maupun sistim
Inggris, korelasi dari kedua sistim tersebut dinyatakan dalam
Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda (DK)
atau horse-power (HP)
6. Diameter Spesifik
Dari persamaan diatas ditarik korelasi
6
Diameter Spesifik (D) adalah diameter turbin yang menghasilkan S daya sebesar
satu satuan daya pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang
Dari persaman diatas dapat ditulis sebagai :
Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dari diameter1 debit
(discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:
Gambaran ,
7
Turbin piko merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat
semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh
aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat
menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan PLN
dapat ikut menikmati manfaat energi listrik, seperti contoh pada gambar dibawah ;
(Gambar turbin piko crossflow 100mm(TC100))
Hasil percobaan dengan mengkombinasikan turbin piko dengan motor dari bekas
mesin cuci yang saat ini tersedia cukup banyak (hasil recycle), target yang dituju adalah
turbin yang lebih ringkas, relatif murah dan aman (arus DC), seperti contoh pada gambar
disamping ;
(Gambar turbin piko crossflow
dengan mengaplikasi motor dari
mesin cuci)
(Lokasi pemasangan sudah
tersedia.. turbin pun telah selesai
dipabrikasi.. tinggal memasangnya dan membuat jaringan ke masyarakat desa. Hal ini
8
tentu membutuhkan dana lebih banyak lagi, dengan adanya ini semoga dapat bermanfaat
demi Indonesia bebas krisis energi, dan juga mengedepankan energi terbarukan.
B. Pengukuran Head
Pengukuran dilakukan dengan membentangkan meteran dari permukaan air terjun
yang paling atas hingga permukaan jatuhan air paling bawah sehingga didapatkan
panjang sisi miring, untuk sudut kami melakukan foto tegak lurus ke arah perpotongan
meteran dan tali yang digantung batu yang selanjutnya diolah dengan menggunakan
software drawing, seperti coth pada gambar dibawah ;
C. Pengukuran Debit
Pengukuran debit dilakukan dengan cara yang sederhana pula yaitu dengan
mengukur kecepatan benda di aliran air sepanjang 6 meter, dalam hal ini kami
menggunakan bunga liar (terimakasih kepada bunga-bunga yang sudah berkorban). Dari
beberapa test kami dapatkan rata-rata 7 detik dibutuhkan bunga liar untuk mencapai 6
meter atau sekitar 0,86 m/dt, penampang selokan memiliki lebar 30 cm dan kedalaman
9
air 6 cm sehingga diperoleh luas penampang air 0,018 m2. Debit kami dapatkan dengan
memformulasikan kecepatan aliran air dikalikan luas penampang selokan
Q = v x a
Q = 0.86m/dt x 0.018m2 = 0,0154m3/dt ~ 15 l/dt
Analisa optimis kami untuk daya yang terbangkitkan:
P = H x Q x g x 50%
= 15m x 15l/dt x 9,8m/dt2 x 0,5
= 1102,5 watt
Dari energi yang terbangkitkan berharap dapat menerangi sekitar 20 rumah masing-
masing 50 watt.
D. Bahan
Bahan yang dipergunakan dalam turbin air skala kecil sangat mudaha di dapat dan
tentunya dari segi biaya juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat
tubin piko crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.
10
E. Konstruksi
1. Turbin
Turbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowongan-
terowongan daya. Ada berbagai macam tipe turbin yang bisa dikategorikan
menjadi beberapa cara. Pilihan turbin utamanya akan tergantung pada tekanan
head yang ada dan pada aliran desain untuk pemasangan pembangkit listrik
tenaga air yang diajukan. Seperti yang ditunjukkan pada berikut, turbin dibagi
menjadi tiga kelompok; head tinggi, sedang, dan rendah, dan menjadi dua
kategori: impuls dan reaksi. Perbedaan antara impuls dan reaksi bisa dijelaskan
dengan menyatakan bahwa turbin impuls mengubah energi kinetik semburan air
menjadi gerakan yang mengenai ember atau bilah turbin.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,
dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW.
Turbin
Prinsip
Runner
Tekanan Head
Tinggi Sedang Rendah
ImpulsPelton Turgo
Crossflow
TurgoCrossflow
Pelton Multi Jet Pelton Muti Jet
Reaksi
Francis Pump-as-
turbin
(PAT)
Propeller
Kaplan
Tabel 2. Gambaran berbagai macam turbin.
Jenis-jenis turbin yang biasa digunakan pada turbin air skala kecil adalah
Cross-Flow, Propeller, Pelton dan PAT (Pump as Turbine). Pemilihan turbin
disesuaikan dengan besarnya head dan kecepatan aliran air (debit air), seperti
11
yang terdapat pada grafik di atas. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kinerja
turbin (kapasitas) dan hasil keluarannya.
2. Turbin Kaplan & Propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 1.11. Turbin Kaplan
1. Turbin Crossflow
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.
12
Gambar 1.9. Turbin Crossflow
Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
Gambar 1.10. Turbin Crossflow
13
2. Transmisi Mekanik
Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling
pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan
pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil.Turbin
Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya
digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki bilah runner yang
bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu yang bisa
disesuaikan. Jika bilah dan baling-baling pemandu bisa disesuaikan maka turbin
ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya
adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling
yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara
praktis tetap konstan.
Turbin Kaplan pengaturan ganda, seperti yang digambarkan adalah mesin
dengan sumbu vertikal yang memiliki tempat berupa gulungan dan konfigurasi
pintu kecil berbentuk lingkaran. Aliran memasuki bagian lingkaran secara
memutar dan membelok pada sudut yang tepat sebelum memasuki runner pada
arah aksial. Sistem kontrolnya dirancang sedemikian rupa sehingga variasi pada
sudut bilah digabungkan dengan pengaturan balingbaling pemandu untuk
mendapatkan efisiensi yang terbaik pada berbagai macam aliran. Bilahbilah ini
bisa memutar bersama turbin saat beroperasi, yaitu melalui sambungan yang
terhubung pada tangkai vertikal yang berada di dalam lubang sumbu turbin. Unit
bola diperoleh dari turbin Kaplan, dengan generator yang berada di dalam bola
tahan air yang terendam di dalam aliran.
3. Generator
Generator mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Tergantung
pada karakteristik jaringan yang dipasok, produsen bisa memilih antara:
Generator sinkronus yang dilengkapi dengan sistem eksitasi DC (rotasi atau
14
statis) yang terkait dengan regulator tegangan, untuk memberikan tegangan,
frekuensi dan control sudut fase sebelum generator disambungkan ke jaringan dan
memasok energi reaktif yang diperlukan oleh sistem tenaga ketika generator telah
disambungkan ke jaringan. Generator ansinkronus adalah motor induksi
sederhana yang tidak menggunakan pengaturan voltase dan berjalan pada
kecepatan yang secara langsung terkait dengan frekuensi sistem. Mereka menarik
arus eksitasinya dari jaringan, sehingga menyerap energi reaktif dari
magnetismenya sendiri. Efisiensi generator ansinkronus adalah 2 sampai 4 per sen
di bawah efisiensi generator sinkronus selama seluruh kisaran operasi. Secara
umum, ketika daya melebihi 5000 kVA maka generator sinkronus perlu dipasang.
Tegangan kerja dari generator bervariasi sesuai dengan dayanya. Tegangan
pembangkitan standard adalah 380 V atau 430 V sampai dengan 1400 kVA dan
6000/6600 untuk pembangkit yang lebih besar. Pembangkitan pada tegangan 380
V atau 430 V memungkinkan penggunaan transformer distribusi strandard
sebagai transformer saluran keluar dan penggunaan arus buatan untuk memasok
ke dalam sistem daya pembangkit.
4. Sistem Kontrol dan Proteksi
Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan menggunakan
pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan
beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan
dialihkan ke sistem pemanas udara (Air Heater Ballast Load) atau (Water Heater
Ballast Load) yang dikenal sebagai ballast load (Elektronik Load Controller) atau
dumy load.
5. Transmisi Distribusi
System transmisi daya yang dihasilkan terdiri dari beberapa komponen
utama, antara lain trave step-up kelas menengah, tiang, kabel, dll. Jaringan
distribusi merupakan pendistribusian daya ke rumah-rumah atau konsumen yang
dilengkapi dengan sebuah KWh meter, instalasi rumah, dll.
15
F. Biaya
Turbin air skala kecil sangat mudah di dapat dan tentunya dari segi biaya
juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat tubin piko
crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air menjadi
energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.
Turbin piko yang merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat
semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh
seluruh aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan
untuk dapat menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh
dari jaringan PLN dapat ikut menikmati manfaat energi listrik.
16
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Turbin air yang merupakan perkembangan dari kincir air, merupakan turbin
yang teknologinya termasuk paling sederhana, dibandingkan dengan turbin gas maupun
turbin uap. Kelebihan lain yang dimilikinya adalah sumber energi yang dimanfaatkan
adalah energi alternative yang terbaharui, dan tersedia di alam dan dapat dimanfaatkan
secara langsung. Dari beberapa kelebihan yang dimilikinya, turbin air sangat ideal
digunakan sebagai pusat pem-bangkit tenaga dari kapasitas kecil sampai besar, apabila
tersedia sumber energi airnya. Dengan syarat bahwa tidak terjadi perusakan lingkungan
yang berakibat kepada habisnya sumber energi air tersebut.
17
Daftar Pustaka
Wibowo Paryatmo, TURBIN AIR, Graha ilmu, Jakarta. 2007
Djoko Luknanto, Bangunan Tenaga Air. Materi Diklat
Emil Mosonyi, Akadémiai Kiadó, Budapest, Water Power Development, Volume One,
Low–Head Power Plants hal. 655
Marthen Sattu Sambo, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine
Sumber: http://home.carolina.rr.com/microhydro
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
18