TUGAS KELOMPOK MESIN KONVERSI ENERGI 2
DISUSUN OLEH TIM : TURBIN AIR DOSEN
: I Gede eka lesmana,.ST,.MT
FAKULTAS TEKNIK MESIN UNIV. PANCASILA JAKARTA 2013
1
PENGERTIAN TURBIN AIR 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. 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. 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
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 A. 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) 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.
3
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
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
4
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:
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 :
5
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
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:
6
Gambaran ,
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 ;
7
(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 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 ;
8
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 air 6 cm sehingga diperoleh luas penampang air 0,018 m2. Debit kami dapatkan dengan memformulasikan kecepatan aliran air dikalikan luas penampang selokan Q=vxa 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 9
= 1102,5 watt Dari energi yang terbangkitkan berharap dapat menerangi sekitar 20 rumah masingmasing 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. E. Konstruksi 1. Turbin Turbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowonganterowongan 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.
10
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin
Tekanan Head
Prinsip
Tinggi
Sedang
Rendah
Runner Impuls
Pelton Turgo Pelton Multi Jet
Crossflow Turgo Pelton Muti Jet Francis Pump-as-
Reaksi
Crossflow
turbin
Propeller Kaplan
(PAT) 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 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 11
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.
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
12
2. Transmisi Mekanik Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu balingbaling 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 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 13
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.
14
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 15
terjadi perusakan lingkungan yang berakibat kepada habisnya sumber energi air tersebut.
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 16
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
17
