BAB II TINJAUN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka Marthin, dkk. (2014) melakukan penelitian tentang analisa pada pemanenan air hujan dan pemanfaatannya untuk pembangkit listrik tenaga picohydro. Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan air hujan yang terbuang percuma untuk dijadikan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Konsep yang dibawa adalah
dengan
menggunakan
sistem
pemanenan
air
hujan
(rainwater
harvesting/RWH) yang ditampung terlebih dahulu dalam baik air yang kemudian didistribusikan kedalam rumah turbin melalui saluran pipa. Turbin yang dipilih dalam penelitian ini adalah jenis turbin pelton dengan sistem kerja menggunakan nozzle untuk menambah tekanan aliran air. Hasil dari pengujian menunjukkan bahwa sistem turbin tersebut menghasilkan efisiensi sebesar 78 %. Chen, dkk (2012) melakukan penelitian tentang turbin air poros vertikal (vertical axis water turbine) untuk pembangkit listrik pada pipa saluran air. Dalam penelitian ini telebih dahulu dilakukan simulasi komputasional dinamika fluida dan pengujian dalam skala lab. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan aplikasi ANSYS CFD guna untuk mengetahui performa dari turbin air dan karakteristik aliran air yang ada didalam pipa saluran tersebut. Setelah dilakukan simulasi, kemudian beberapa prototipe dibuat dan diuji guna untuk mengukur power output aktual dan membandingkan dengan hasil simulasi. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa hasil yang diperoleh dari simulasi dapat menjadi panduan yang baik dalam mendesain rotor atau turbin, walaupun terdapat perbedaan antara hasil simulasi dengan pengujian. Myint dan Win (2014) melakukan penelitian tentang desain dan simulasi aliran pada blade turbin propeller dengan menggunakan aplikasi flow simulation solidowrks. Parameter yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah ketinggian jatuh air (head) dan mass flow rate yang digunakan sebagai parameter masukkan.
5
6
Ketinggian jatuh air (head) yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebesar 1,5 m, sementara untuk mass flow rate adalah sebesar 1,499 m3/s. Hasil yang dicapai dalam penelitian tersebut adalah berupa distribusi kecepatan turbin yaitu sebesar 10,949 m/s.
Gambar 2.1. Distribusi Kecepatan pada Turbin Propeller (Sumber: Myint, 2014)
Souari, dkk (2013) melakukan penelitian tentang Simulasi Numerik aliran pada putaran bucket turbin pelton. Metode komputasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan sliding mesh yang diterapkan dengan FLUENT. Karakteristik utama yang diteliti adalah tekanan statis yang terkena pada dinding bucket dan pergeseran lapisan air. Hasil yang didapat dalam penelitian ini adalah ploting lapisan air yang mengenai bucket dengan beberapa variasi sudut tembakan air. Selain dari pada itu hasil lain yang diperoleh adalah berupa ploting tekanan statis yang terkena pada bucket dengan jumlah variasi yang sama. Dari kedua hasil tersebut kemudian dibandingkan antara variasi yang satu dengan yang lain untuk mencari variasi yang terbaik. Variasi yang terbaik didapatkan pada bucket dengan sudut tembakan sebesar 80°, dimana pada posisi ini tekanan statis yang didapatkan adalah yang paling besar. Nuantong, dkk (2009) melakukan penelitian mengenai efek tekanan dan kecepatan dari aliran fluida pada sudu turbin yang ditujukan untuk meningkatkan efisiensi turbin air tersebut. Studi yang dilakukan pada penelitian ini adalah flow simulation dengan menggunakan software Fluent. Turbin air yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis hydro bulb turbine dengan sudu berjumlah lima dan 6
7
berputar pada 980 rpm. Ketinggian jatuh air yang diaplikasikan dalam penelitian ini adalah sebesar 21 m. Sudut sirip pengarah (guide vane) menjadi parameter variasi turbin yaitu sebesar 60°, 65°, dan 70°, dengan sudut twist turbin sebesar 25° dan sudut sudu turbin sebesar 32°. Hasil yang didapatkan dalam penelitian ini adalah tekanan maksimum dan tekanan minimum dari sertiap masing-masing variasi turbin. Tekanan maksimum secara berurutan didapatkan sebesar 213 kPa, 217 kPa dan 207 kPa, sedangkan tekanan minimum sebesar -473 kPa, -465 kPa dan -581 kPa. Selain dari pada itu juga didapatkan plot distribusi tekanan dan aliran fluida pada turbin tersebut.
Gambar 2.2. Distribusi Tekanan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70° (Sumber: Nuantong, 2012)
Gambar 2.3. Distribusi Kecepatan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70° (Sumber: Nuantong, 2012)
Masjuri Musa, dkk. (2011) Melakukan penelitian tentang analisa CFD pada turbin picohydro yang hemat biaya, dimana dalam penelitian ini dilakukan pada kondisi head dan flow rate yang rendah. Evaluasi dalam penelitian ini lebih berdasarkan pada parameter blade (sudu) guna untuk meningkatkan performa yang sudah ada pada sebelumnya. Dalam penelitian ini lebih berfokus pada variasi hub to tip ratio dan jumlah blade (sudu) yang digunakan. Nilai hub to tip ratio yang digunakan sebagai parameter antara 0,4 – 0,7, sedangkan jumlah sudu yang digunakan ada empat variasi yaitu 3, 4, 5 dan 6. Analisa simulasi pada setiap variasi
8
turbin dilakukan untuk mencari kecepatan arus optimum dan daya ouput yang diperoleh. Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa sistem turbin dengan nilai hub to tip ratio yang paling rendah yaitu 0,4 dengan jumlah sudu paling sedikit yaitu 3 sudu, memberikan performa yang terbaik untuk turbin axial-flow. 2.2. Dasar Teori 2.2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPH) Pembangkit listrik tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga potensial dan kinetik dari air menjadi energi listrik melalui sebuah turbin dan generator. Daya teoritis yang dihasilkan oleh generator diperoleh dari hasil perkalian antara efisiensi turbin dan generator. Daya yang dihasilkan juga sangat dipengaruhi oleh tinggi jatuh (head) dan debit air. Oleh sebab itu keberhasilan dari suatu pembangkit listrik tenaga air sangat tergantung pada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Pembangkit listrik tenaga air terdapat beberapa klasifikasi, salah satunya adalah pembangkit listrik tenaga picohydro (PLTPH). Pembagian jenis pembangkit listrik tenaga air tersebut didasarkan pada daya keluaran yang dihasilkan. Pembangkit listrik tenaga picohydro merupakan pembangkit listrik tenaga air yang menghasilkan daya keluaran maksimum 5 kW. Berikut ini merupakan klasifikasi jenis-jenis pembangkit listrik tenaga air menurut daya keluaran yang dihasilkan
Tabel 2.1 Klasifikasi daya keluaran dari sistem pebangkit listrik tenaga air ( Sumber : Williams & Porter, 2006)
Clasification Large Medium Small Mini Micro Pico
Power Output > 100 MW 10 – 100 MW 1 – 10 MW 100kW – 1 MW 5 – 100 Kw < 5 Kw
2.2.2. Turbin Air Dalam suatu sistem pembangkit listrik tenaga air turbin merupakan peralatan yang memepunyai peran sangat penting. Turbin berfungsi untuk mengubah energi
9
potensial dan kinetik air menjadi energi puntir. Energi puntir inilah yang akan dikonversi menjadi energi listrik oleh generator. a. Jenis – Jenis Turbin Turbin air dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis turbin, yaitu turbin implus dan turbin reaksi. Klasifikasi ini lebih berdasarkan pada cara turbin tersebut dalam merubah energi dari air.
Turbin Implus Turbin implus adalah turbin yang seluruh energi-tersedia di dalam alirannya diubah oleh nosel menjadi energi kinetik pada tekanan atmosfer sebelelum fulida menyentuh sudu-sudu yang bergerak. Yang termasuk dalam klasifikasi turbin implus adalah turbin pelton dan crosflow (Victor L. Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).
Turbin Reaksi Turbin reaksi sangat berlainan dengan turbin implus, dalam turbin reaksi hanya sebagian energi fluida yang diubah menjadi energi kinetik dengan mendalirnya fluida melalui pintu-pintu krepyak yang dapat disetel sebelum memasuki rotor, dan pengubahan selebihnya terjadi didalam rotor. Yang termasuk dalam klasifikasi turbin reaksi adalah turbin francis, turbin propeler, dan turbin kalpan. (Victor L. Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).
b. Seleksi Awal Jenis Turbin Pemilihan turbin yang akan digunakan merupakan suatu proses yang penting didalam merancang sistem pembangkit listrik tenaga air. Pada umumnya pemilihan tersebut didasarkan pada keadaan lokasi dimana akan diaplikasikannya sistem pembangkit tersebut. Ketinggian jatuh (head) dan laju aliran massa (mass flow rate) air merupakan parameter yang biasanya digunakan untuk pemilihan turbin pada tahap awal. Berikut ini merupakan gambar grafik sebagai acuan dalam pemilihan turbin berdasarkan head dan mass flow rate:
10
Gambar 2.4. Grafik Aplikasi Turbin (Sumber: Water turbine chart; 2012)
1)
Turbin Kaplan Turbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter. Teknik mengkorvesikan energi potensial air menjadi energi mekanik roda air
turbin dilakukan melalui pemanfaatan
kecepatan air. Roda air turbin kaplan menyerupai baling-baling dari kipas angin, (Djiteng Marsudi).
Gambar 2.5. Turbin Kaplan (Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)
11
2)
Turbin Francis Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini digunakan untuk tinggi terjun sedang, yaitu antara 20 – 400 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin Francis termasuk dalam turbin reaksi, (Djiteng Marsudi).
Gambar 2.6. Turbin Francis (Sumber: Permission Granted to Copy Under the Terms of the GNU Free Documentation License)
3)
Turbin Pelton Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu diatas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses implus sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin implus, (Djiteng Marsudi).
Gambar 2.7. Turbin Pelton (Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)
12
4)
Turbin Cross Flow Turbin cross flow adalah turbin air yang akhir-akhir ini dikembangkan untuk debit air yang besarnya mencapai 30 m3/detik. Konstruksi turbin ini digambarkan pada gambar dibawah, dan tampak bahwa roda air turbin cross fl.ow panjang yang berfungsi menangkap air yang terjun dari sungai. Panjangnya roda air ini tergantung pada bnyak sedikitnya air yang akan ditangkap, (Djiteng Marsudi).
Dari berbagai jenis turbin konvensional yang ada, turbin kaplan merupakan satu-satunya turbin yang dapat diaplikasikan dalam penelitian ini, karena hanya membutuhkan head kurang dari 20 m. Namun jika dilihat dari sisi flow rate yang dibutuhkan yaitu sebesar 0,01917 m3/s tidak ada satu pun turbin yang dapat diaplikasikan dalam penelitian ini. Selain dari pada itu yang menjadi kendala dari semua turbin tersebut adalah akan dipasang di dalam saluran pipa, sehingga akan sedikit sulit untuk membuat instalasinya. Mengacu pada penelitian yang dilakukan oleh Chen (2013) ia menggunakan turbin dengan tipe drag yang juga dipasang dalam saluran pipa. Oleh karena itu dalam penelitian ini juga akan menggunakan turbin dengan tipe drag dengan pertimbangan head dan kemudahan dalam instalasi. Dalam pengkajian turbin angin, istilah Drag-type turbine adalah sebutan lain dari Savonius rotor turbine. Berikut ini merukapan model dari turbin tipe drag.
Gambar 2.8. Solid dan hollow Drag-type Turbine (Sumber: Chen, 2013)
13
2.2.3. Perhitungan Torsi Turbin Torsi atau momen puntir merupakan komponen yang sangat penting untuk menentukan daya keluaran dari suatu turbin. Nilai torsi didapatkan dari gaya tangensial yang bekerja pada sudu turbin dikalikan dengan jari-jari rata-rata dari turbin. (Fritz Dietzel, 1986)
Gambar 2.9. Gaya yang bekerja pada turbin
2.2.4. Komputasi Dinamika Fluida/Computational Dynamics Fluid (CFD) Komputasi Dinamika Fluida biasanya disingkat sebagai CFD (Computational Dynamics Fluid), merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan anda untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. CFD adalah cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada analisis ini komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai, (Erwin ST., MT, dkk, 2014).
14
2.2.5. Flow Simulation Solidworks Flow Simulation Solidworks adalah sebuah perangkat yang tersedia dalam software solidworks yang digunakan untuk menganalisa aliran fluida guna untuk memperoleh persamaan Navier-Stokes dari gerakan fluida tersebut, (John E Matsson, Ph.D, 2014). Berikut ini adalah bagan alir dari tahap-tahap dalam menggunakan Flow Simulation Solidworks:
Model the Part or Assembly in SolidWorks
Set Up a Flow Simulation Project Initialize the Mesh
Calculation Control Options
Insert Boundary Conditions Choose Goals
Run Calculations
View Results
Acceptable Solution ?
Refine Mesh
Report Gambar 2.10. Flowchart analisa aliran fluida menggunakan Flow Simulation SolidWorks (Sumber: John E Matsson, Ph.D, 2014)
15
2.2.6. Permodelan Numerik 2.2.6.1. Computational Domain Computational Domain merupakan suatu batas wilayah yang digambarkan dengan prisma persegi panjang yang menyelimuti daerah perhitungan aliran dan perpindahan panas dilakukan, (John E Matsson, Ph.D, 2014). Pembuatan computational domain dengan Flow Simulation Solidworks 2014 dalam penelitian ini dilakukan pada seluruh rumah turbin dan sepanjang sambungan pipa. Sehingga perhitungan yang akan dilakukan dalam simulasi adalah pada seluruh volume air yang melewati pipa dan rumah turbin. Berikut ini merupakan gambar computational domain pada permodelan rangkaian rumah turbin dan sambungan pipa.
Gambar 2.11. Computational Domain
2.2.6.2. Computational Mesh dan Boundary Conditions a. Computational Mesh Computational mesh didalam flow simulation solidworks 2014 diibagun secara otomatis berdasarkan dari computational domain yang telah dibuat sebelumnya. Flow simulation solidworks 2014 mempunyai pilihan mesh yang berupa tingkatan yaitu tingkat 1 sampai dengan 8. Semakin tinggi tingkatan yang dipilih maka semakin akurat pula hasil yang akan didapatkan. Berikut ini merupakan gambar meshing dari model rumah turbin dan sambungan pipa.
16
Gambar 2.12. Computational Mesh
b. Boundary Conditions Sebuah kondisi batas (boundary conditions) diperlukan di setiap area di mana terdapat aliran fluida masuk atau keluar model. Sebuah kondisi batas dapat diatur dalam bentuk Tekanan, Mass Flow Rate, Volume Flow Rate atau Kecepatan. Anda juga dapat menggunakan dialog Boundary Conditions dalam Flow Simulation Solidworks 2014 untuk menentukan kondisi Ideal Wall pada sistem adiabatik, Frictionless wall atau kondisi Real Wall untuk mengatur kekasaran dinding dan/atau suhu dan/atau koefisien konduksi panas pada permukaan model yang dipilih, (John E Matsson, Ph.D, 2014). Kondisi batas (boundary conditions) yang akan diterapkan dalam penelitian ini terdapat dua macam yaitu kondisi batas saluran masuk dan kondisi batas saluran keluar. Kondisi batas saluran masuk diatur dalam bentuk Volume Flow Rate, dimana sebagai parameter acuan dalam penelitian ini. Sedangkan untuk kondisi batas saluran keluar diatur dalam bentuk Tekanan. Terdapat beberapa macam pilihan tekanan dalam Flow Simulation Solidworks 2014, namun yang paling dianjurkan adalam tekanan lingkungan (Environment pressure). Kondisi Tekanan Lingkungan ditafsirkan sebagai tekanan statis untuk arus keluar dan sebagai tekanan total untuk arus masuk.
17
Gambar 2.13. Kondisi Batas Saluran Masuk
Gambar 2.14. Kondisi Batas Saluran Keluar
