PERBEDAAN DAN PERSAMAAN TURBIN AIR DENGAN KINCIR AIR DAYA DALAM BIDANG PERTANIAN PERBEDAAN DAN PERSAMAAN TURBIN AIR DENGAN KINCIR AIR
OLEH BAIQ DENDE NOVITA SARI
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PANGAN DAN AGROINDUSTRI UNIVERSITAS MATARAM 2014
PERBEDAAN DAN PERSAMAAN TURBIN AIR DENGAN KINCIR AIR Persamaan Turbin Air dan Kincir Air 1.
Menggunakan air sebagai penggerak dan penambah kecepatan gerak.
2.
Digerakkan oleh suplai tekanan air.
3.
Memanfaatkan energi air untuk untuk ditransfer jadi energi lain.
4.
Pengoprasiannya dengan memasukkan air langsung ke sudu-sudu melalui pengarah kincir air
dan turbin air. 5.
Memiliki Poros.
6.
Dapat menghasilkan energi listrik.
7.
Menggunakan sistem Impuls.
8.
Memanfaatkan air terjun sebagai penggerak.
9.
Sama-sama memiliki generator.
10.
Generator : menghasilkan listrik dari putaran mekanis.
Perbedaan Turbin Air dan Kincir Air 1.
Kincir air ditemukan pada tahun 1824, sedangkan turbin air dikembangkan setelahnya.
2.
Kincir air merupakan dasar pengembangan Turbin air.
3.
Kincir air biasanya dipergunakan untuk mengembangkan produksi di pedesaan, sedangkan
turbin air biasanya dimanfaatkan pada PLTA. 4.
Kincir terbuat dari bahan sederhana, sedangkan turbin air menggunakan beberapa alat yang
lebih rumit. 5.
Kincir air memiliki konstruksi yang sederhana sedangkan turbin air sedikit lebih rumit.
6.
Kincir air tidak menimbulkan pencemaran.
7.
Kincir air biasanya memiliki biaya serendah mungkin dan melepaskan ketergantungan
terhadap penggunaan diesel, sedangkan turbin air membutuhkan biaya yang lebih tinggi. 8.
Selain digunakan untuk pembangkit listrik, kincir air juga dapat digunakan sebagai irigasi
dalam bidang pertanian. 9.
Kincir air memiliki tipe: Overshot Water Wheel, Breast Water Wheel, Impuls Water
Wheel, Sagebien Water Wheel, Poncelet Water Wheel dan Reaction Water Wheel.
10.
Turbin air diklasifikasikan menjadi dua jenis: Turbin reaksi (Francis, Kaplan, Propeller, Bulb,
Tube, Straflo, Tyson, Kincir air) dan Turbin Impuls (Pelton, Turgo, Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger)). 11.
Daya yang dihasilkan kincir air lebih kecil dibandingkan daya yang dihasilkan oleh turbin air.
12.
Memanfaatkan air terjun saja sedangkan turbin dapat memanfaatkan air dibendungan.
13.
Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang
memberikan energi pada poros yang berputar. 14.
Kincir air memiliki konstruksi yang sederhana sedangkan turbin air sedikit lebih rumit.
Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan salah satu pembangkit listrik yang menggunakan energi terbarukan berupa air. Salah satu keunggulan dari pembangkit ini adalah responnya yang cepat sehingga sangat sesuai untuk kondisi beban puncak maupun saat terjadi gangguan di jaringan. Selain kapasitas daya keluarannya yang paling besar diantara energi terbarukan lainnya, pembangkit listrik tenaga air ini juga telah ada sejak dahulu kala. Berikut ini merupakan penjelasan singkat mengenai pembangkit listrik tenaga air serta keberadaan potensi energi air yang masih belum digunakan. Tenaga air telah berkontribusi banyak bagi pembangunan kesejahteraan manusia sejak beberapa puluh abad yang lalu. Beberapa catatan sejarah mengatakan bahwa penggunaan kincir air untuk pertanian, pompa dan fungsi lainnya telah ada sejak 300 SM di Yunani, meskipun peralatan-peralatan tersebut kemungkinan telah digunakan jauh sebelum masa itu. Pada masa-masa antara jaman tersebut hingga revolusi industri, aliran air dan angin merupakan sumber energi mekanik yang dapat digunakan selain energi yang dibangkitkan dari tenaga hewan. Perkembangan penggunaan energi dari air yang mengalir kemudian berkembang secara berkelanjutan sebagaimana dicontohkan pada desain tenaga air yang menakjubkan pada tahun 1600-an untuk istana Versailles dibagian luar Paris, Prancis. Sistem tersebut memiliki kapasitas yang sepadan dengan 56 kW energi listrik. Sistem tenaga air mengubah energi dari air yang mengalir menjadi energi mekanik dan kemudian biasanya menjadi energi listrik. Air mengalir melalui kanal ( penstock) melewati kincir air atau turbin dimana air akan menabrak sudu-sudu yang menyebabkan kincir air ataupun turbin berputar. Ketika digunakan untuk membangkitkan energi listrik, perputaran turbin menyebabkan perputaran poros
rotor pada generator. Energi yang dibangkitkan dapat digunakan secara langsung, disimpan dalam baterai ataupun digunakan untuk memperbaiki kualitas listrik pada jaringan. Jumlah daya listrik yang dapat dibangkitkan pada suatu pusat pembangkit listrik tenaga air tergantung pada ketinggian (h) dimana air jatuh dan laju aliran airnya. Ketinggian (h) menentukan besarnya energi potensial (EP) pada pusat pembangkit (EP = m x g x h). Laju aliran air adalah volume dari air (m3) yang melalui penampang kanal air per detiknya (qm3/s). Daya teoritis kasar (P kW) yang tersedia dapat ditulis sebagai:
Daya yang tersedia ini kemudian akan diubah menggunakan turbin air menjadi daya mekanik. Karena turbin dan peralatan elektro-mekanis lainnya memiliki efisiensi yang lebih rendah dari 100% (biasanya 90% hingga 95%), daya listrik yang dibangkitkan akan lebih kecil dari energi kasar yang tersedia. Gambar 1 menunjukkan pusat pembangkit listrik tenaga air pada umumnya.
Gambar 1. Pembangkitan listrik tenaga air umumnya Laju q dimana air jatuh dari ketinggian efektif h tergantung dari besarnya luas penampang kanal. Jika luas penampang kanal terlalu kecil, daya keluaran akan lebih kecil dari daya optimal karena laju air q dapat lebih besar. Di lain pihak, ukuran
kanal tidak dapat dibuat besar secara sembarangan karena laju air q yang melalui kanal tergantung dari laju pengisian air pada reservoir air di belakang bendungan. Volume air pada reservoir dan ketinggian h yang bersangkutan, tergantung dari laju air yang masuk ke dalam reservoir. Selama musim kering, ketinggian air pada reservoir dapat berkurang karena jumlah air dalam reservoir lebih sedikit. Selama musim hujan, ketinggiannya dapat naik kembali karena air yang masuk dari berbagai aliran air yang mengisi bendungan. Fasilitas pembangkit listrik tenaga air harus di desain untuk menyeimbangkan aliran air yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik dan jumlah air yang mengisi reservoir melalui sumber alami seperti curahan hujan, salju, dan aliran air lainnya. Pembangkit listrik tenaga air merupakan aplikasi energi terbarukan yang terbesar dan paling matang secara teknologi, dimana terdapat 678.000 MW kapasitas daya listrik yang terpasang di seluruh dunia, yang menghasilkan lebih dari 22% listrik dunia (2564 TWh/tahun pada 1998). Dalam hal ini, 27.900 MW merupakan pembangkit skala kecil yang menghasilkan listrik 115 TWh/tahun. Di eropa barat, pembangkit listrik tenaga air berkontribusi sebesar 520 TWh listrik pada tahun 1998, atau sekitar 19% dari energi listrik di Eropa (sehingga menghindari emisi dari sejumlah 70 juta ton CO2 per tahun-nya). Pada sejumlah negara di Afrika dan Amerika Selatan, pembangkit listrik tenaga air merupakan sumber listrik yang menghasilkan lebih 90% kebutuhan energi listriknya. Gambar 2 memperlihatkan pembangkitan energi listrik dari air dunia yang meningkat secara dinamis tiap tahunnya. Di samping pembangkit listrik tenaga air yang berkapasitas besar yang telah ada, masih terdapat ruang untuk pengembangan lebih jauh dimana diperkirakan hanya sekitar 10% dari total potensi air di dunia yang telah digunakan.
Gambar 2. Pembangkitan energi listrik tenaga air dunia dalam TWh [5]. Hampir semua proyek pembangkit listrik tenaga air memiliki skala yang besar, yang biasanya didefinisikan kapasitasnya lebih besar dari 30 MW. Tabel 1 menampilkan perbandingan antara beberapa ukuran pembangkit listrik tenaga air.
Tabel 1. Kapasitas beberapa pembangkit energi listrik tenaga air
Air yang tersimpan dapat digunakan ketika dibutuhkan, baik secara terus-menerus (jika ukuran reservoirnya cukup besar) atau hanya saat beban listrik sangat dibutuhkan (beban puncak). Keuntungan dari pengaturan penyimpanan air ini tergabung dengan kapabilitas alami dari pembangkit listrik tenaga air yang memiliki respon yang cepat dalam ukuran menit terhadap perubahan beban. Oleh karena itu, pembangkit jenis ini sangat berharga karena memiliki pembangkitan listrik yang fleksibel untuk mengikuti perubahan beban yang terduga maupun yang tak terduga. Pembangkit listrik tenaga air berskala besar telah berkembang dengan baik dan digunakan secara luas. Di perkirakan bahwa 20% hingga 25% dari potensi air skala besar di dunia telah dikembangkan. Pembangkit listrik tenaga air skala besar merupakan sumber energi terbarukan yang paling diinginkan berdasarkan ketersediaan dan fleksibilitas dari sumber energinya. Pada tahun 2008 telah dibangun proyek Three Gorges Dam yaitu PLTA dengan skala 22.5 GW dengan membendung sungai Yangtse di Cina dan merupakan PLTA terbesar di dunia saat ini. Pembangunan PLTA berskala besar membutuhkan biaya awal yang besar sementara biaya operasinya sangat kecil. Hal ini berbeda dengan pembangkit listrik berbahan bakar fosil seperti batu bara dan diesel. Di Indonesia terdapat banyak sekali potensi air yang masih belum dimanfaatkan. Seperti sungai-sungai besar maupun kecil yang terdapat di berbagai daerah. Hal ini merupakan peluang yang bagus untuk pengembangan energi listrik di daerah khususnya daerah yang belum terjangkau energi listrik. Pengembangan dapat dilakukan dalam bentuk mikrohidro ataupun pikohidro yang biayanya relatif kecil. Proyek ini dapat dilakukan secara mandiri, seperti yang telah dilakukan oleh tim PALAPA – HME ITB di kampung Cilutung dan Awilega, desa Jayamukti kabupaten Garut, Jawa Barat.
Prinsip Kerja dan Komponen PLTA
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) A. Prinsip kerja dari PLTA PLTA merupakan salah satu tipe pembangkit yang ramah lingkungan, karena menggunakan air sebagai energi primernya. Energi primer air dengan ketinggian tertentu digunakan untuk menggerakkan turbin yang dikopel dengan generator. Pembangkit Listrik Tenaga Air merupakan pusat pembangkit tanaga listrik yang mengubah energi potensial air ( energi gravitasi air ) menjadi energi listrik. Mesin penggerak yang digunakan adalah turbin air untuk mengubah energi potensial air menjadi kerja mekanis poros yang akan memutar rotor pada generator untuk menghasilkan energi listrik. Air sebagai bahan baku PLTA dapat diperoleh dapat diperoleh dengan berbagai cara misalnya, dari sungai secara langsung disalurkan untuk memutar turbin, atau dengan cara ditampung dahulu ( bersama – sama air hujan ) dengan menggunakan kolam tando atau waduk sebelum disalurkan untuk memutar turbin. Prinsip kerja PLTA
1. Aliran sungai dengan jumlah debit air sedimikian besar ditampung dalam waduk yang ditunjan dalam betuk bangunan bendungan 2. Air tersebut dialirkan melalui saringan power intake 3. Kemudian masuk ke dalam pipa pesat (penstock) 4. Untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada ujung pipa dipasang katup utama (Main Inlet Valve) 5. Untuk mengalirkan air ke turbin ,katub utama akan diutup secara otomatis apabila terjadi gangguan atau di stop atau dilakukan perbaikan/pemeliharaan turbin. Air yang telah mempunyai tekanan dan kecepatan tinggi (energi kinetik) dirubah menjadi energi mekanik dengan dialirkan melalui sirip – sirip pengarah (sudu tetap) akan mendorong sudu jalan/runner yang terpasang pada turbin 6. Pada turbin , gaya jatuh air yng 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. Selanjutnya turbin merubah energi kinetic yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energy mekanik 7. Generator dihubungkan dengan turbin melalui gigi – gigi putar sehingga ketika baling – baling turbin berputar maka generator ikut berputar. Generator selanjutnya merubah energy mekanik dari
turbin menjadi energy elektrik. listrik pada generator terjadi karena kumparan tembaga yang diberi inti besi digerakkan (diputar) dekat magnet. bolak-baliknya kutub magnet akan menggerakkan elektron pada kumparan tembaga sehingga pada ujung-ujung kawat tembaga akan keluar listriknya.Yang kemudian menhasilkan tenaga lisrik. Air keluar melalui tail race 8. Selanjutnya kembali ke sungai 9. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator masih rrendah, maka dari itu tegangan tersebut terlebih dahulu dinaikan dengan trafo utama 10. Untuk efisiensi penyaluran energi dari pembangkit ke pusat beban , tegangan tinggi tersebut kemudian diatur / dibagi di switch yard 11. Dan selanjutnya disalurkan /interkoneksi ke sistem tenaga listrik melalui kawat saluran tegangan inggi . lisrtrik kemudian dapat disalurkan
B. Komponen PLTA
1. Waduk ,berfungsi untuk menahan air 2. Main gate, katup prmbka 3. Bendungan, berfungsi menaikkan permukaan air sungai untuk menciptakan tinggi jatuh air. Selain menyimpan air, bendungan juga dibangun dengan tujuan untuk menyimpan energi. Diameter pipa udara ±4. Pipa pesat (penstock) ,berfungsi untuk menyalurkan dan mengarahkan air ke cerobong turbin. Salah satu ujung pipa pesat dipasang pada bak penenang minimal 10 cm diatas lantai dasar bak penenang. Sedangkan ujung yang lain diarahkan pada cerobong turbin. Pada bagian pipa pesat yang keluar dari bak penenang, dipasang pipa udara (Air Vent) setinggi 1 m diatas permukaan air bak penenang. Pemasangan pipa udara ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya tekanan rendah (Low Pressure) apabila bagian ujung pipa pesat tersumbat. Tekanan rendah ini akan berakibat pecahnya pipa pesat. Fungsi lain pipa udara ini untuk membantu mengeluarkan udara dari dalam pipa pesat pada saat start awal PLTMH mulai dioperasikan. ½ inch 5. Katup utama (Main Inlet Valve), berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik 6. Turbin merupakan peralatan yang tersusun dan terdiri dari beberapa peralatan suplai air masuk turbin, diantaranya sudu (runner), pipa pesat (penstock), rumah turbin (spiral chasing), katup utama
(inlet valve), pipa lepas (draft tube), alat pengaman, poros, bantalan (bearing), dan distributor listrik. Menurut momentum air turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Turbin reaksi bekerja karena adanya tekanan air, sedangkan turbin impuls bekerja karena kecepatan air yang menghantam sudu. 7. Generator, Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanis. Generator terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor terdiri dari 18 buah besi yang dililit oleh kawat dan dipasang secara melingkar sehingga membentuk 9 pasang kutub utara dan selatan. Jika kutub ini dialiri arus eksitasi dari Automatic Voltage Regulator (AVR), maka akan timbul magnet. Rotor terletak satu poros dengan turbin, sehingga jika turbin berputar maka rotor juga ikut berputar. Magnet yang berputar memproduksi tegangan di kawat setiap k ali sebuah kutub melewati "coil" yang terletak di stator. Lalu tegangan inilah yang kemudian menjadi listrik 8. Draftube atau disebut pipa lepas, air yang mengalir berasla dari turbin 9. Tailrace atau disebut pipa pembuangan 10. Transformator adalah trafo untuk mengubah tegangan AC ke tegangan yang lebih tinggi. 11. .Switchyard (controler) 12. Kabel transmisi 13. Jalur Transmisi, berfungsi menyalurkan energi listrik dari PLTA menuju rumah-rumah dan pusat industri. 14. Spillway adalah sebuah lubang besar di dam (bendungan) yang sebenarnya adalah sebuah metode untuk mengendalikan pelepasan air untuk mengalir dari bendungan atau tanggul ke daerah hilir.
KLASIFIKASI TURBIN AIR Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber energi air y ang cukup banyak tersedia di pedesaan akhirnya timbullah perencanaan-perencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head ) dan debit air yang tersedia. Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistim, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi t urbin yang maksimum. Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan beberapa kriteria. 1.
Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner.
Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu: -
Turbin Aliran Tangensial
Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar, contohnya Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow. -
Turbin Aliran Aksial
Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner, Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini. -
Turbin Aliran Aksial – Radial
Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini.
2.
Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya.
Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu : -
Turbin Impuls.
Semua energi potensial air pada turbin ini dirubah menjadi menjadi energi kinetis sebelum air masuk/ menyentuh sudu-sudu runner oleh alat pengubah yang disebut nozel. Yang termasuk jenis turbin ini antara lain : Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow. -
Turbin Reaksi.
Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air dirubah menjadi energi kinetis pada saat air melewati lengkungan sudu-sudu pengarah, dengan demikian putaran runner disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. Yang termasuk jenis turbin reaksi diantaranya : Turbin Francis, Turbin Kaplan dan Turbin Propeller.
