ENERGI TERBARUKAN Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Berkapasitas 3 318 kW di Desa Sipungguk, Kecamatan Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar, Propinsi Riau Menggunakan Turbin Air Jenis Cross Flow dengan Sudut Serang Sudu 14o dan Sudut Buang Sudu 26.5o
Oleh : Jossy Kolata
(1007121681)
Jufrianto
(1007113700)
Fakhru Rozi Z
(1007113665)
Devri Naldy
(1007113689)
M. Amuh Muhidin
(1007113751)
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN S1 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU 2013
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya kepada penulis, sehingga dalam melakukan proses perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan kapasitas 2 450 kW yang berlokasi di desa sipungguk dapat terselesaikan dengan baik meskipun masih perlu diadakan proses review dan tinjauan kembali mengenai proses perancangan agar hasil menjadi lebih baik. Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membimbing dan membantu serta memyumbangkan jasanya dalam proses Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Ucapan terima kasih penulis di haturkan kepada : 1. Dr. Awaludin Martin, S.T., M.T, selaku dosen pembimbing perancangan turbin air jenis cross flow serta dosen pengampu mata kuliah energi terbarukan. 2. Romi, S.T., M.T selaku dosen pengampu mata kuliah energi terbarukan. 3. Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Bandara Sultan Syarif Kasim - Pekanbaru. 4. Badan Wilayah Sungai (BWS) Propinsi Riau. 5. Badan Koordinasi Survey dan Pemetaan Nasional (Bakorsultanal). 6. Kelompok kerja perancangan mahasiswa Teknik Mesin S1. 7. Seluruh masyarakat desa Sipungguk. Dalam proses perancangan lebih lanjut, penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk membangun perbaikan dalam perancangan dan dalam penulisan laporan berikutnya. Semoga laporan ini dapat diterima dan bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Pekanbaru, 20 Oktober 2013
Penulis
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Sejalan dengan perkembangan sosial, budaya dan ekonomi serta informasi,
maka listrik telah menjadi salah satu kebutuhan pokok bagi masyarakat terpencil khususnya masyarakat
perdesaan. Terbatasnya
kemampuan PLN dalam
menyediakan tenaga listrik kepada masyarakat Indonesia, berdasarkan data Direktorat Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi (DJLPE) pencapaian rasio elektrifikasi baru mencapai 64 % dan rasio desa berlistrik mencapai 88 % dari total sekitar 66.000 desa pada tahun 2008. Salah satu daerah di propinsi riau yang memerlukan tenaga listrik adalah desa Sipungguk yang berada di kecamatan Bangkinang Seberang, kabupaten Kampar. Listrik yang didistribusikan oleh PT. PLN (Perusahaan Listrik Negara) telah masuk ke desa Sipungguk, akan tetapi dengan kapasitas listrik yang di suplai untuk propinsi Riau tidak mencukupi untuk keseluruhan daerah, maka sering terjadinya pemadaman listrik yang dilakukan oleh pihak PLN dan pemadaman inilah yang sering mengganggu pekerjaan masyarakat. Di sisi lain, desa Sipungguk dilalui salah satu anak sungai kampar yang melintas di sepanjang desa. Pada saat sekarang ini, sungai ini dipergunakan untuk mengaliri saluran irigasi persawahan. Aliran sungai ini juga berpotensi untuk dijadikan sumber Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Penulis melihat potensi ini sebagai salah satu peluang yang baik agar desa Sipungguk dapat menjadi desa yang mandiri akan kebutuhan tenaga listrik. Selain itu, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) ini juga merupakan salah satu penerapan dari energi yang baru dan terbarukan dengan kapasitas daya yang dihasilkan adalah masih dalam jangkauan rendah sampai menengah. Sehingga sangat cocok untuk diterapkan di daerah-daerah pedesaan, dan diharapkan dapat meningkatkan perekonomian di daerah tersebut.
1.2
Identifikasi Masalah Pemadaman listrik yang dilakukan oleh PT. PLN di daerah Riau merupakan
salah satu akibat dari kurangnya pasokan listrik milik PT. PLN, akan tetapi hal ini bertentangan dengan kebutuhan masyarakat akan penggunaan listrik yang selalu meningkat. Daerah-daerah di propinsi Riau harus memiliki pembangkit sendiri untuk dapat terus memenuhi kebutuhan sehari-hari. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro merupakan salah satu alternatif energi terbarukan yang dapat membantu permasalahan listrik di propinsi Riau. Anak sungai Kampar yang melintasi desa Sipungguk memiliki aliran yang baik, sehingga sumber daya air dari anak sungai kampar ini dapat dimanfaatkan untuk sumber pembangkit tenaga listrik mikro hidro. Sumber tenaga listrik berasal dari sungai secara alami dan tersedia terus menerus sehingga mampu menciptakan pembangkit listrik yang murah dan ramah lingkungan.
1.3
Maksud dan Tujuan Maksud dari perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro
(PLTMH) ini adalah mengkaji potensi tenaga air yang terdapat di desa Sipungguk, kecamatan Bangkinang kabupaten Kampar, kemudian memilih alat atau teknologi yang cocok untuk diterapkan sebagai pembangkit listrik sesuai dengan debit dan head serta keadaan topografi di wilayah tersebut. Tujuan dari perencanaan PLTMH ini adalah memberikan penanganan masalah pemenuhan kebutuhan listrik di daerah pedesaan. Kebutuhan yang dapat dipenuhi oleh listrik di pedesaan, khususnya di Desa Sipungguk antara lain : 1. Penerangan, 2. Sumber tenaga untuk alat-alat elektronik, 3. Industri kecil dan rumah tangga, 4. Industri perikanan, dan peternakan.
1.4
Batasan Masalah Ruang lingkup pembatasan masalah dalam perancangan ini dibatasi pada
masalah perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) di desa Sipungguk, Bangkinang, yang mencakup hal-hal sebagai berikut : 1. Menggunakan peta topografi rupa muka bumi melalui data Bakorsultanal dan data untuk menentukan lokasi perencanaan PLTMH. 2. Pembangkit listrik yang digunakan adalah turbin air jenis cross flow. 3. Data curah hujan yang digunakan sebagai perhitungan adalah data 10 tahun terakhir dan membuat Flood Duration Curve (FDC). 4. Debit air yang digunakan adalah debit anak sungai kampar yang terletak di desa sipungguk. 5. Variasi sudut serang dimulai dari 14o hingga 30o.
1.5
Lokasi Studi Dalam proses perancangan PLTMH direncanakan untuk pembangkit listrik
di desa sipungguk, kecamatan Bangkinang Seberang, kabupaten Kampar yang mengambil sumber energi potensial aliran anak sungai.
Gambar 1.1 Lokasi Studi di desa Sipungguk, kecamatan Bangkinang, kabupaten Kampar.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Elektrifikasi Pedesaan Elektrifikasi pedesaan merupakan sebuah proses penyediaan layanan listrik
untuk daerah pedusunan/pedesaan. Pada umumnya daerah dengan tingkat populasi masyarakat yang sedikit dimana mata pencaharian mereka dominannya adalah pertanian, peternakan, dan perkebunan. Elektrifikasi Pedesaan ini akan sangat mensejahterakan masyarakat pedalaman/pedesaan, dimana akan meningkatkan kualitas hidup mereka dan juga akan meningkatkan tingkat keamanan, produktifitas, informasi, kesehatan, hiburan, dan pendidikan. seperti yang telah kita ketahui bahwa di negara Indonesia ini, masih banyak daerah-daerah terpencil yang belum pernah menikmati penerangan, ini karena kemampuan pembangkitpembangkit listrik yang masih terbatas dan jauhnya jarak antara populasi dengan pembangkit listrik sehingga listrik tidak bisa sampai ke pedalaman/pedesaan.
2.2
Desa Sipungguk, (Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar)
2.2.1
Kondisi Desa Perancangan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini dirancang
berdasarkan sumber energi potensial air yang berada di desa Sipungguk. Sumber energi potensial air ini adalah energi dari anak sungai kampar yang memiliki beda ketinggian pada bagian hulu dan hilirnya. Desa Sipungguk merupakan salah satu desa yang ada di kecamatan Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar. Mata Pencaharian masyarakat desa Sipungguk adalah dibagian pertanian, perikanan, peternakan, dan sebagian kecil berwirausaha lainnya.
2.2.2
Data Curah Hujan Sungai Sipungguk Desa Sipungguk merupakan daerah tropis yang memiliki iklim sebanyak
tiga musim yaitu musim hujan, musim kemarau, dan musim semi. Curah hujan desa Sipungguk sangat tergantung oleh musim yang terjadi. Data curah hujan desa
Sipungguk telah direkam selama 10 tahun terakhir oleh Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika (BMKG) Bandara Sultan Syarif Kasim Pekanbaru. Hasil data curah hujan yang telah di rekam oleh BMKG merupakan data curah hujan bulanan selama 12 bulan penuh. 2.3
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik
yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dan instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Ada beberapa klasifikasi pembangkit listrik berdasarkan Power Output yang dapat di hasilkan seperti terlihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Klasifikasi Pembangkit Listrik Klasifikasi Besar Menengah Kecil Mini Mikro Piko
2.4
Power Output > 100 MW 10 – 100 MW 1 – 10 MW 100 kW – 1 MW 5 – 100 kW < 5 kW
Turbin Air Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air
menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi listrik melalui generator. Turbin air pada saat sekarang ini merupakan hasil pengembangan dari beberapa peneliti pada beberapa dekade hingga tercipta turbin air dengan efisiensi yang paling maksimal dan dengan desain turbin yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Sejarah singkat mengenai turbin air adalah sebagai berikut.
Pada tahun 1700, Ján Andrej Segner telah mengembangkan turbin air reaksi, dimana turbin yang diciptakannya mempunyai sumbu horizontal yang merupakan awal mula turbin air modern. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini tingkat efisiensinya mencapai 80% yang bisa mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis dapat meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih banyak digunakan secara luas di dunia sampai sekarang. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, merupakan tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis, turbin ini dapat dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil. Pada tahun 1866, Samuel Knight seorang warga California, menemukan sebuah mesin dengan konsep yang berbeda jauh dari turbine yang lainnya. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk di sekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, mengembangkan turbine samuael Knight, Lester pelton membuat desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Pada tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Lester Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, dan membuat sebuah potongan didalamnya yang dapat menyemburkan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat
ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.
2.4.1 Jenis-Jenis Turbin Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis akan diubah lagi menjadi energi listrik dengan bantuan generator. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.
Turbin Pelton
Turbin Impuls
Turbin Turgo
Turbin Cross Flow
Turbin Air
Turbin Prancis Turbin Reaksi Turbin Kaplan
Gambar 2.1 Jenis-Jenis Turbin Berdasarkan Prinsip Kerjanya 2.4.2
Turbin Cross Flow Turbin Cross flow atau disebut juga turbin Banki adalah salah satu turbin air
dari jenis turbin aksi (impulse turbine). Turbin ini ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada tahun 1903 kemudian turbin ini dikembangkan dan di patenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama turbin Banki atau Turbin Michell-Ossberger (Haimerl 1960).
Pemakaian jenis turbin Banki lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikrohidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran turbin Banki lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter turbin Banki dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahanbahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Untuk daya guna atau effisiensi rata-rata turbin Banki lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Banki dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensi yang cukup tinggi sekitar 80 %, disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmax= 0,2 menunjukan harga efisiensi yang relatif tetap (Meier, Ueli,1981). Hasil pengujian laboratorium yang telah dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedang effisiensi turbin Banki mencapai 82 % (Haimerl 1960).
Gambar 2.2 Turbin Cross Flow Setiap unit dari turbin ini dapat dibuat sampai kekuatan kurang lebih 750 kW, dapat dipasang pada ketinggian jatuh antara 01 sampai 200 meter dengan debit air sampai 3.000 liter/detik. Cocok digunakan untuk PLTMH, penggerak instalasi pompa, mesin pertanian, workshop, bengkel dan lain sebagainya (Haimerl 1960).
2.5
Karakterisitik Turbin air Cross-Flow
2.5.1
Perbandingan karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik jenis turbin dapat dlihat dari chart di bawah ini:
Gambar 2.3 Pemilihan Turbin Berdasarkan Debit Rencana Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : Tabel 2.2 Penggunaan Turbin Berdasarkan Head Jenis Turbin Kaplan dan Propeller
Range head (m) 2
Francis
10
Pelton
50
Michel-banki atau Crossflow
3
Turgo
50
2.5.2
Parameter-Parameter Turbin Air Cross-Flow Parameter-parameter dalam perhitungan turbin air cross flow :
1) Perhitungan Head net (Hn) Persamaan head net dapat dihitung dengan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : H n H g H tl
(2.1)
Dimana : Hn
= Head net (m)
Hg
= Head gross, merupakan jarak vertikal antara permukaan air dari intake menuju turbin. (m)
Htl
= Head total losses, merupakan jumlah losses pada open channel, trash back, intake, penstock, dan gate or value. Biasanya 6% dari Head gross. (m)
2) Perhitungan Debit (Q) Debit dapat diketahui dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
Q
v A
(2.2)
Dimana : Q
= Debit air (m3/s)
v
= Kecepatan air (m/s)
A
= Luas penampang (m2)
3) Daya Turbin (Pt) Daya turbin dapat diketahui dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : Pt g H n Q
(2.3)
Dimana : Pt = Daya (kW) 𝜌
= Massa jenis air (kg/m3)
Q
= Debit (m3/s)
g
= Percepatan gravitasi (m/s2)
Hn = Perbedaan ketinggian (m) η
= Efisiensi total yaitu efisiensi dari turbin, generator, gearbox dan transformer.
4) Efisiensi Turbin (ηt) Efisiensi maksimum pada turbin dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
t 0,5 C 2 (1 ) cos 2
(2.4)
Dimana : C
= Koefisien nozel
Ψ
= Koefisien kekasaran blade (0.98)
α
= Sudut serang (asusmsi 16o)
Dari persamaan (2.4) di atas dapat dilihat bahwa semakin kecil sudut serang maka semakin tinggi efisiensi turbin.
5) Kecepatan Putar Turbin (n) Hubungan kecepatan putar spesifik dan kecepatan putar turbin pada turbin cross-flow (Layman., 1998) : Ns 513.25 / H n 0.505
Ns
N Pt H n5/4
(2.5)
(2.6)
Dari persamaan (2.5) dan (2.6) diatas dapat diketahui kecepatan putar turbin, yaitu : N
513.25 H n 0.745 Pt
(2.7)
Dimana : N
= Kecepatan putar turbin (rpm)
Ns = Kecepatan spesifik
6) Diameter luar runner (Do) Saat efisiensi maksimum, kecepatan tangensial pada runner didapat dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
vt 0.5 C 2 g H n cos vt w
Do 2 N Do 2 120
(2.8)
(2.9)
Dari persamaan (2.8) dan (2.9) diatas dapat dihitung diameter luar runner yaitu :
Do 40
Hn N
Dimana : vt
= Kecepatan tangensial (m/s)
Do
= Diameter luar runner (m)
(2.10)
7) Jarak Blade (tb) Ketebalan dari jet entrance (te) dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : te K Do
(2.11)
Jarak tangensial blade adalah (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
th
te K D0 / sin( 1 ) sin 1
tb = 0.173 Do
(2.12)
(2.13)
Dimana : te
= Ketebalan jet entrance (m)
K
= Konstanta (0.087)
β1 = Blade inlet angle (30o) tb
= Jarak tangensial blade (m)
8) Lebar radial rim (a) Merupakan perbedaan antara radius luar (ro) dan radius dalam (ri) pada runner turbin, dan sama dengan jarak tangensial blade yaitu (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : a = 0.173 Do
(2.14)
9) Jumlah blade (n) Banyaknya jumlah blade dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : n = π Do / tb
(2.15)
10)
Ketebalan water jet (tj) Dapat didefiniskan sebagai lebar nozel yang dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
Q tj
Aj L
vj L
Q 0.233 Q C 2 g HnL L Hn
(2.16)
Dimana :
tj
= Ketebalan water jet (m)
Aj = Area jet (m2) L
= Panjang runner (m)
vj = Kecepatan jet sebelum masuk (m/s) 11)
Panjang runner (L) Panjang runner dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :
L Do 0.81Q
Hn
(2.17)
Subsitusi persamaan (2.10) ke (2.17) : L = Q N / 50 Hn
(2.18)
Subsitusi persamaan (2.18) ke (2.16) :
tj
11.7 H n N
(2.19)
Kemudian subsitusi persamaan (2.10) ke (2.19) :
tj = 0.29 Do
(2.20)
12)
Jarak antara water jet dan the center of runner shaft (y1) Dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : y1 = 0.116 Do
(2.21)
Dimana : y1 = Jarak antara water jet dan shaft center (m)
13)
Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (y2) Dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : y2 = 0.05 Do
(2.22)
Dimana : y2 = Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (m)
14)
Diameter dalam runner (Di) Dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : Di = Do – 2a
(2.23)
Dimana : Di = Diameter dalam runner (m)
15)
Radius blade curvature (rc) Dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) : rc = 0.163 Do
(2.24)
2.6
Generator Generator berfungsi sebagai alat pengubah energi mekanik menjadi energi
listrik. Generator dipilih berdasarkan standarisasi yang sudah ditetapkan. Generator yang digunakan memiliki jumlah kutub 2 pasang dan putaran 1500 rpm. Pada perancangan ini daya dan putaran dari poros turbin dikopel langsung ke putaran generator, sehingga putaran turbin sama dengan putaran generator. Generator yang digunakan mempunyai faktor daya (cos ϕ) sebesar 0,85 (literatur 10). Besarnya daya yang dihasilkan generator berdasarkan persamaan : NG Pt gen tr
(2.25)
Dimana : NG
= Daya generator (kVA)
Pt
= Daya turbin (W)
ηgen = Efisiensi generator ηtr
= Efisiensi transmisi
Daya generator dalam satuan kW adalah : NG k V A Cos
(2.26)
Dimana : Cos φ = Faktor daya
2.7
Diameter Pipa Penstock Q A C1
(2.27)
C1 Cv 2 gh
(2.28)
Dimana : C1 = kecepatan absolut fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar dari nozel. (m/s) Cv = Koefisien kecepatan nozel. A
= Luas penampang pipa penstock.
BAB III TINJAUAN PUSTAKA
3.1
Metodologi Penelitian
Mulai
Studi Literatur
Survei Lokasi PLTMH
Pengukuran Debit Sungai, Kedalaman Sungai, Lebar Sungai
Perancangan PLTMH
Ya
Revisi Tidak
Hasil berupa kapasitas turbin air, jumlah turbin, sudut serang, dan sudut buang
Selesai
Perancangan PLTMH Bangkinang
Data Awal Hasil Survey
Gambar 1 Peta Rupa Bumi Desa Sipungguk (Bakorsultanal) Data GPS (Hulu) Latitude
= 0o 22” 23.61 N
Longitude
= 100o 57” 46.82 E
Altitude
= 62.5 m
Position Accuracy = 30.33 m Altitude Accuracy = 47 m Gambar 2 Posisi Rencana dan Data GPS untuk Saluran Sungai Menuju Intake
Data GPS (Hilir) Latitude
= 0o 22” 01.06 N
Longitude
= 100o 58” 05.55 E
Altitude
= 47.5 m
Position Accuracy = 29.9 m Altitude Accuracy = 33.5 m Gambar 3 Posisi Rencana dan Data GPS untuk Lokasi Rumah Pembangkit 9.8 meter
2.3 meter
Luas Anak Sungai Kampar
Gambar 4 Sketsa Anak Sungai Kampar Data-data tersebut ditujukan untuk digunakan sebagai data awal pembuatan diagram curah hujan (flow duration curve) berikut juga dilampirkan data curah hujan daerah bangkinang selama 10 tahun terakhir dan lokasi pembangkit dalam peta rupa muka bumi bangkinang sebagai acuan.
Mesin pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) masih dapat beroperasi pada debit minimum. Dimana debit minimum adalah 40% dari debit normal, sehingga debit normal adalah : Qnormal = (Qmin 100%)/40 3,381 m3/s
Berdasarkan kondisi monografi desa, daerah lingkungan tempat PLTMH memiliki 100 Kepala Keluarga dengan asumsi konsumsi daya sebesar 900 Watt/KK. Di dusun tersebut juga terdapat industri perikanan dan industri pengembangbiakan bibit ikan. Dalam melakukan operasi di industri memerlukan daya masing-masing adalah 500 kW. Sehingga daya total yang dibutuhkan oleh masyarakat desa sipungguk adalah :
Daya yang dibutuhkan 100 900 W 2 400kW
90 kW 800 kW 890 kW
3.2
Pemilihan Jenis Turbin
3.2.1
Net Head Diketahui head yang didapatkan adalah 15 meter, maka jenis turbin yang dapat digunakan adalah berdasarkan tabel berikut 1.1 ini : Tabel 1.1 Net Head Pada Beberapa Jenis Turbin Air Jenis turbin
Range head (m)
Keterangan
Kaplan dan propeller
2 < H < 40
Good
Francis
10 < H < 350
Good
Pelton
50 < H < 1300
Not good
3 < H < 250
Good
50 < H < 250
Not good
Michel-banki atau crossflow Turgo
3.2.2
Debit Rencana
15 m
3,381 m3/s
Jenis turbin terpilih adalah : A. Francis
B. Cross flow Pada kedua model pemilihan jenis turbin maka yang terpilih adalah turbin air jenis cross flow. Turbin air jenis cross flow dipilih karena cross flow merupakan jenis turbin yang paling cocok untuk diterapkan pada turbin kapasitas rendah. Pada pembangkit listrik skala mikro, turbin cross flow sangat baik digunakan.
3.3
Perhitungan Turbin Cross Flow
3.3.1
Perhitungan Head net (Hn) H n H g H tl
Dimana : Hg
= 15 meter
Htl
= 6% * Hg = 0,06 * 15 meter = 0,9 meter
Maka head net adalah : H n H g H tl
H n 15 m – 0,9 m 14,1 m
3.3.2
Daya Turbin (Pt) Pt g H n Q
Dimana : 𝜌
= 1000 kg/m3
Q
= 3,381 m3/s
g
= 9,81 m/s2
Hn
= 14,1 m
gen x trans x turb = 0,80 x 0,95 x 0,895 = 0,6802 Pt 1000 kg / m3 x 9,81 m / s 2 x 14,1 m x 3,381 m3 / s x 0,6802
= 318104,5 Watt = 318,1046 KW
3.3.3 Efisiensi turbin (ηt) e 2C 2u1 / V1 1 cos 2 / cos1 cos1 u1 / V1
1 2 tan 1 2 tan 1
t 0.5 C 2 (1 ) cos 21 Dimana : C
= 0,98
Ψ
= 0.98
α1
= Berada pada rentang 14o hingga 30o
Sudut Serang α1 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
cos α1 0,970296 0,965926 0,961262 0,956305 0,951057 0,945519 0,939693 0,93358 0,927184 0,920505 0,913545 0,906308 0,898794 0,891007
Sudut Buang β1
Cos β1
β2
Cos β2
C
Ψ
26,5 28,19 30 31,44 33,02 34,55 36,05 37,51 38,94 40,33 41,68 43 44,29 45,54
0,89491 0,88141 0,86603 0,85315 0,83851 0,8236 0,80848 0,7932 0,7778 0,76233 0,74683 0,73132 0,71583 0,7004
26,503 28,187 30 31,444 33,017 34,553 36,052 37,514 38,94 40,33 41,684 43,003 44,288 45,541
0,89491 0,88141 0,86603 0,85315 0,83851 0,8236 0,80848 0,7932 0,7778 0,76233 0,74683 0,73132 0,71583 0,7004
0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98
0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98
Efisieinsi turbin 0,89514952 0,887104745 0,878558369 0,869520804 0,860003061 0,850016736 0,839573996 0,828687564 0,817370702 0,8056372 0,793501352 0,780977944 0,768082234 0,754829933
28 29 30
0,882948 0,87462 0,866025 3.3.4
46,76 47,95 49,11
0,68505 0,66979 0,65465
46,76 47,949 49,107
0,68505 0,66979 0,65465
0,98 0,98 0,98
Kecepatan putar turbin (N) 𝑁=
513.25 𝐻𝑛 0.745 ⁄ √𝑃𝑡
N = 513,25 x (14,1 m)0,745 / (318,1046 KW)0,5 = 207 rpm 𝑁𝑠 =
𝑁√𝑃𝑡 ⁄ 5/4 𝐻𝑛
Ns = 207 rpm x (318,1046 KW)0,5 / (14,1 m)5/4 = 135 rpm
3.3.5
Diameter luar runner (Do) 𝐷𝑜 = 40
√𝐻𝑛⁄ 𝑁
Do = 40 x (14,1 m)0,5 / 207 rpm = 0,73 m 3.3.6
Jarak blade (tb) tb = 0,173 Do tb = 0,173 x 0,73 m = 0,13 m
3.3.7
Lebar radial rim (a) a = 0.173 Do a = 0,173 x 0,73 m = 0,13 m
3.3.8 Jumlah blade (n) n = π Do / tb
0,98 0,98 0,98
0,741237188 0,727320558 0,713097
n = 3,14 x 0,73 m / 0,13 m = 18 buah
3.3.9 Ketebalan water jet (tj) tj = 0,29 Do tj = 0,29 x 0,73 m = 0,21 m
3.3.10 Panjang runner (L) L = Q N / 50 Hn L = 3,381 m3/s x 207 rpm / 50 * 14,1 m = 0,99 m = 1 m
3.3.11 Jarak antara water jet dan the center of runner shaft (y1) y1 = 0.116 Do y1 = 0,116 x 0,73 m = 0,084 m
3.3.12 Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (y2) y2 = 0.05 Do y2 = 0,05 x 0,73 m = 0,036 m
3.3.13 Diameter dalam runner (Di) Di = Do – 2a Di = 0,73 m – (2 x 0,13 m) = 0,47 m
3.3.14 Radius blade curvature (rc) rc = 0.163 Do
rc = 0,163 x 0,73 m = 0,118 m
3.3.15 Radius blade curvature (rc) rc = 0.163 Do rc = 0,163 x 0,73 m = 0,118 m
3.4
Analisis Hasil Data yang Didapatkan Setelah dilakukan perhitungan untuk mencari parameter-parameter yang
dibutuhkan pada perancangan turbin melalui data survey dan data bakorsultanal. Maka didapatkan turbin yang akan digunakan adalah jenis cross flow dengan kapasitas 318 kW. Karena kebutuhan masyarakat diatas kapasitas turbin yaitu sebesar 890 kW, maka di bangun jumlah turbin lebih dari satu buah. Dengan hasil pembagian antara kebutuhan dan kapasitas maka didapatkan jumlah turbin yang dibutuhkan adalah sebanyak 3 buah. Dimensi turbin juga menjadi faktor yang harus diperhatikan, setelah melalui perhitungan didapatkan dimensi turbin dengan efisiensi maksimum yang didapatkan sebesar 89,5% yaitu : 1. Sudu serang = 14o 2. Sudu buang = 26,5o
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan Dari perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat ditampilkan
sebagai berikut : 5.1.1 Turbin 1) Jumlah
: 3 buah
2) Jenis turbin
: turbin Cross Flow
3) Daya turbin
: 318 KW
4) Putaran turbin
: 207 rpm
5) Putaran spesifik
: 135 rpm
6) Tinggi jatuh air
: 14,1 m
7) Debit aliran
: 3,381 m3/s
8) Posisi poros
: horizontal
9) Jenis rumah
: turbin tertutup
10) Efisiensi turbin
: 89,5%
11) Sudut serang
: 14o
12) Sudut buang
: 26,5o
5.1.2
Generator
1) Daya generator
: 242 KW
2) Putaran generator : 207 rpm
5.1.3
Pipa penstock
1) Panjang
: 1,392 km
2) Diameter
: 50 cm
5.1.4
Runner
1) Diameter dalam roda runner
: 0,48 m
2) Diameter luar roda runner
: 0,73 m
3) Jumlah sudu
: 18 buah
4) Tebal water jet
: 0,21 m
5) Jarak antar sudu
: 0,125 m
6) Lebar radial
: 0,125 m
7) Jarak antar water jet dan tengah poros runner
: 0,084 m
8) Jarak antar water jet, inner periphery runner
: 0,036 m
9) Panjang runner
:1m
10) Radius blade curvature
: 0,118 m
Daya keluaran turbin ini sangat dipengaruhi oleh berbagai kerugian seperti kerugian pada generator, transmisi dan turbin itu sendiri, atau dapat dikatakan efisiensinya. Efisiensi turbin ini terutama dipengaruhi oleh sudut serang saat perancangan blade, semakin kecil sudut serang turbin maka efisiensi turbin akan semakin meningkat dan sebaliknya.
5.2
Saran Dari hasil perancangan, penulis dapat memberi saran agar pada pembuatan
turbin sudut serang turbin harus diperhatikan dengan baik, agar efisiensi yang didapat lebih tinggi.
