BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro
Pembangunan sebuah PLTMH harus memenuhi beberapa kriteria seperti, kapasitas
air yang cukup baik dan tempat yang memadai untuk membangun PLTMH di tinjau dari
head atau ketinggianya. Secara umum pembangkit listrik tenaga air dapat dikatagorikan
sesuai besar daya yang dihasilkannya, dimana salah satu klasifikasi pembangkit listrik
tenaga air adalah sebagaimana tabel berikut :
Tabel 2.1 Klasifikasi PLTA
NO JENIS
DAYA / KAPASITAS
1.
PLTA
> 5 MW ( 5.000 kW).
2.
PLTM
100 kW < PLTM < 5.000 kW
3.
PLTMH
< 100 kW
Namun sebenarnya pembagian antara PLTA (besar), PLTM (minihidro) serta PLTMH (mikrohidro) bervariasi dan dinamis. Pembagian pada tabel diatas merupakan salah satu contoh. Namun secara umum dapatlah ditentukan bahwa yang dimaksud sebagai PLTMH adalah jika mempunyai kapasitas daya di bawah 100 kW. Pada dasarnya suatu pembangkit listrik tenaga air berfungsi untuk mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran air (sungai) yang mempunyai debit dan tinggi jatuh (head) untuk menghasilkan energi listrik. Bangunan tersebut mencakup bangunan sipil dan peralatan elektromekanik.
6
Gambar 2.1 Peletakan Sistem PLTMH
2.2
Komponen Dasar, Mekanik Pada Simulator PLTMH Komponen dasar, mekanik pada simulasi PLTMH terbagi menjadi enam bagian, yaitu: a) Bak Penampung Air yang digunakan untuk pembangkit harus ditampung pada bak penampung. Fungsi dari bak penampung tersebut adalah sebagai tempat penampung air, juga digunakan untuk mempertahankan kebutuhan air yang akan digunakan untuk menggerakan turbin dan untuk mengontrol jumlah air. b) Penstok Penempatan penstok harus sesuai agar terhindar dari bahaya erosi dan mudah untuk perawatan dan perbaikan. Selain itu, penstok harus bisa menahan gelombang tekanan air, sehingga pada waktu penutupan aliran secara tiba – tiba tidak menyebabkan penstok hancur. Oleh karena itu, dibutuhkan perencanaan yang matang untuk meminimumkan biaya pembelian dan perawatan. Pada simulasi PLTMH penstock diartikan sebagai pipa peralon berukuran 1 inch dan diperkecil menjadi
inch.
c) Katup Katup berfungsi untuk mengontrol laju aliran air yang berasal dari pompa yang akan melewati pipa menuju turbin. Katup yang biasa digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah jenis gate valve dan butterfly valve.
7
d) Turbin Air
Turbin air adalah turbin yang memanfaatkan sumber energi air sebagai
fluida kerja. Sifat air yang mengalir dari tempat yang letaknya lebih tinggi ke tempat yang rendah membuat air cukup memiliki energi untuk memutar turbin. Dari segi pengubahan momentum kerja fluidanya, turbin air dibagi menjadi : 1. Turbin Aksi ( tekanan sama )
Tekanan diubah menjadi energi kinetik dalam bentuk semprotan atau jet
dari sebuah nosel. Pada kasus ini, drop tekanan terjadi sepanjang nosel. Energi kinetik ini akan menumbuk sudu – sudu dengan sisa energi yang sedikit. Yang
termasuk turbin aksi atau impuls adalah turbin pelton dan turbin crossflow. Untuk memilih jenis turbin yang sesuai pada sebuah pembangkit, perlu kita ketahui berapa
standar nilai head dan kecepatan spesifik dari masing – masing jenis turbin ketepatan memilih sistem turbin akan sangat membantu kita dalam memperoleh nilai efisiensi sistem yang maksimum. e) Tinggi Air Jatuh ( Head Sytem ) Dari suatu besaran tinggi jatuh air yang diketahui, kita dapat mengetahui beberapa daya spesifik yang dihasilkan oleh turbin. Kapasitas yang diperlukan untuk menampung jatuhan air tertentu dimiliki oleh masing – masing jenis turbin. Berikut diberikan tabel pedoman pemilihan turbin berdasarkan besaran head. Tabel 2.2 Petunjuk Pemilihan Turbin Berdasarkan Head
Head Pressure
Impuls Reaksi
High
Medium
Pelton
Crossflow
Turgo
Turgo
Crossflow
Multi - jet Pelton Multi– jet pelton -
Francis
Propeller
-
Pump as turbine
Kaplan
8
Low
Pada simulasi ini ketinggian air jatuh digantikan dengan menggunakan
ketinggian sistem yang dihasilkan oleh pompa. Dengan memasukan persamaan Bernoulli :
(Schaum Fluid Mechanics)….................. (2.1)
Keterangan: H = Head (m)
Z = Jarak ketinggian alat ukur manometer ke permukaan tanah (m)
P = Tekanan (bar) = Berat Spesifik Air (Kg/m3)
V = Kecepatas air yang di ukur (m/s)
f) Kapasitas Aliran Luas penampang saluran tergantung pada kapasitas aliran air. Secara otomatis hal tersebut juga ada hubunganya dengan diameter roda turbin, yang berarti ada pengaruhnya terhadap kecepatan aliran dalam turbin. Dengan pemilihan diameter dan roda turbin tertentu, akan sangat menentukan kapasitas aliran yang dapat ditampung oleh turbin yang kita gunakan. Besarnya kapasitas aliran air yang tersedia sebagai sumber energi akan berpengaruh pada jenis turbin yang akan dipakai karena akan menentukan nilai efisiensi yang akan diperoleh. -
Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batas untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air. Persamaan kecepatan spesifik : nq = n
√ √
(Akadémiai Kiadó, Budapest, Water Power Development)……… (2.2)
dimana : nq merupakan jumlah roda turbin yang bekerja pada tinggi jatuh air, H = tinggi jatuhnya air dalam meter, dan V = kapasitas volume dalam satuan m3 / detik.
9
Tabel 2.3 Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik Ns (rpm)
Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik Ns (rpm)
Jenis Turbin
4 – 35
Turbin Pelton dengan 1 nozzle
17 – 50
Tubin Pelton dengan 2 nozzle
24 – 70
Turbin Pelton dengan 3 nozzle
Turbin Francis dengan putaran
80 – 120
rendah Putaran Francis dengan putaran
120 – 220
normal Turbin Francis dengan putaran
220 – 350
tinggi
Kecepatan putar Dalam memilih kecepatan putaran hendaknya setinggi mungkin agar memperoleh ukuran momen puntir yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin pun kecil. Salah satu jenis turbin yang direkomendasikan adalah turbin pelton.
Sebuah skema mikrohidro memerlukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (biasa disebut ‘Head’) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya gagang mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan sebagainya. Dalam bentuk persamaan matematis, daya yang dapat dimanfaatkan dari aliran air yaitu: 10
Ps =
g Q H (Drs. Maridjo, Petunjuk Praktikum Mesin Konversi) …………(2.3)
dimana :
Ps = Daya sumber (W)
= Kerapatan massa air (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/dt2)
Q = Debit aliran (m3/dt)
H = Tinggi terjun (m) 2.3
Komponen Kelistrikan
Sitem kelistrikan merupakan penentuan dari percobaan kali ini, merupakan
pembangkitan energi mekanik dari daya turbin menjadi energi listrik pada generator. Sistem kelistrikan tidak hanya terletak di generator saja tetapi juga pengaturan daya yang telah dihasilkan generator tersebut kepada konsumen dengan alat control. Generator yang digunakan pada percobaan kali ini adalah generator DC. Kami gunakan generator lampu sepedah dengan name plat pada generator tersebut tegangan 12 volt dan daya max 5,5 watt. 2.4
Pengenalan Turbin Pelton Turbin pelton atau disebut juga dengan turbin impuls merupakan suatu alat yang
merubah energi kinetik air yang diakibatkan adanya energi potensial dari air tersebut menjadi energi gerak rotasi pada sumbu atau poros turbin tersebut. Turbin pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozel. Turbin pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien, karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air kedalam runner pada tekanan atmosfir. Roda pelton suatu turbin impuls adalah mesin roto dinamik yang paling sederhana. Turbin pelton merupakan salah satu dari jenis turbin tekanan yang juga disebut turbin pancaran bebas atau turbin impuls, hal ini dikarenakan air yang keluar dari nozel tekanannya sama dengan atmosfer sekitarnya. Sebagian energi dan tekanan ketika masuk ke sudu dari turbin dirubah menjadi energi gerak. Pada prinsipnya terdiri dari suatu seri ember (bucket) yang dipasang secara seragam pada suatu rangka berbentuk lingkaran yang kaku pada poros yang berputar. Suatu pancaran yang keluar dari suatu mulut pipa secar tangensial terhadap rata-rata 11
lingkaran runner dan menimpa pada sistem ember sehingga pancaran air membagi menjadi 0 dua bagian dan meninggalkan ember dibelokkan melalui sudut yang hampir 180 .
Gambar 2.2 Turbin Pelton
Pada turbin pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner oleh karenanya turbin pelton juga disebut turbin pancaran bebas.
Gambar 2.3 Pembelokan Pancaran
Turbin ini ditemukan sekitar tahun 1880 oleh seorang Amerika yang namanya dikenal sebagai nama turbin ini. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini hingga sekarang pada dasarnya tetap berlaku. (Sunarto, M. Edy dan Markus Einsering, Turbin Pelton Mikro, Yogyakarta: Andi Offsetl, 1994).
12
2.4.1
Prinsip Kerja Turbin Pelton Merubah gaya potensial air menjadi gaya mekanis. Dalam hal ini fluida kerja yang
digunakan adalah fluida cair atau air. Dimana air disini digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin yang tersambung dengan poros turbin, sehingga poros turbin menghasilkan gaya putar. Karena turbin itu sendiri merupakan rangkaian system transmisi yang menghasilkan energi mekanik maka diperlukan pengetahuan tentang efisiensi turbin
pelton, baik itu faktor-faktor yang bisa menaikkan atau menurunkan performa dalam arti
efisiensi turbin pelton tersebut.
Gambar 2.4 Efisiensi mekanik turbin Pelton sebagai fungsi kecepatan putar untuk tiga laju aliran volume yang berbeda
13
Gambar 2.5 efisiensi runner teoritis turbin pelton terhadap perbandingan kecepatan sudu, kecepatan jet untuk beberapa harga faktor gesek k, (Dixon, S.L.,1998)
2.4.2
Komponen - komponen Utama Turbin Pelton Turbin Pelton mempunyai tiga komponen utama yaitu :
1) Sudu Turbin. Sudu turbin ini berbentuk mangkok, yang dipasang disekeliling roda jalan (runner). Setiap pemotongan pancaran air oleh mangkok pada umumnya gangguan atas pancaran tersebut. Mendadak dan tanpa diinginkan sebagian aliran membentur dan terbelokkan. Untuk menambah panjangnya usia runner, digunakan bahan mangkok yang lebih baik mutunya, pada pembuatan turbin pelton ini menggunakan campuran fiber dan resin. 2) Nozel. Nozel ini berfungsi untuk mengarahkan pancaran kecepatan absolut nozel ke sudusudu turbin dan mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin. Pada turbin pelton mungkin dikonstruksikan dengan bantuan nozel 1 buah saja pada poros berkeadaan tegak. Kecepatan absolut nozel C = √
(Markus Einsering, Turbin Pelton Mikro, Yogyakarta:
Andi Offsetl, 1994) ..................................................................................................... (2.4)
14
Gambar 2.6 Nozel
3) Rumah Turbin.
Rumah turbin ini berfungsi sebagai tempat kedudukan roda jalan dan penahan air yang keluar dari sudu - sudu turbin. Agar runner tidak terendam, rumah turbin harus cukup tinggi diatas muka air pacu - buri. Konstruksinya harus cukup kuat untuk perlindungan seputar dari kemungkinan mangkok atau runner rusak dan terlempar saat turbin beroperasi. 2.4.3
Proses Instalasi Turbin Pelton Tentang proses instalasi turbin pelton berskala mikro pada pembuatan instalasi uji
simulasi PLTMH, dimana proses dari awal sampai turbin dapat berputar dimulai dari bekerjanya pompa yang menghasilkan daya putar yang kemudian menghisap air dari bak penampungan yang dialirkan melalui pipa - pipa sehingga air tersebut menyemprotkan kearah turbin sehingga turbin dapat berputar. 2.5
Perhitungan Daya Turbin Dalam melakukan penghitungan daya turbin, dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan sebagai berikut : PT = T . ω (Drs. Maridjo, Petunjuk Praktikum Mesin Konversi)…………….… (2.5) Dimana: PT = Daya Turbin (Watt) T = Torsi (N/m) ω = Kecepatan sudut (rad/s)
15
=
= ………………………………..……………………………………. (2.6)
Sehingga Efisiensi Turbin dapat dicari dengan persamaan :
Ƞ=
x 100 % (Drs. Maridjo, Petunjuk Praktikum Mesin Konversi) ………. (2.7)
16
