Makalh Enter. Turbin Air [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1



LATAR BELAKANG Indonesia membutuhkan energi-energi terbarukan. Kurangnya pasokan



energi menyebabkan konsumsi energi per kapita Indonesia masih jauh di bawah rata-rata dunia, hal ini adalah salah satu faktor kunci yang menyebabkan rakyatnya terjebak dalam kemiskinan. Sementara era energi modern (energi terbarukan) menyediakan sistem energi yang memenuhi kebutuhan dasar akan air bersih, fasilitas kesehatan, dan penerangan, serta pada saat yang sama mencegah Indonesia untuk membuang tiga kali lipat emisi gas rumah kaca dari bahan bakar fosil. Meningkatnya penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak, batubara dan gas di negara berkembang seperti Indonesia akan meningkatkan masalah perubahan iklim, yang saat ini pun sudah menghancurkan kehidupan banyak masyarakat miskin. Tidak ada yang tidak mungkin untuk pengembangan energi terbarukan yang aman dan bersih di Indonesia. Indonesia merupakan negara kepulauan dengan potensi sumber daya alam yang luar biasa berlimpah. Tenaga angin, air dan matahari yang bisa dimanfaatkan sebagai energi alternatif, keberadaannya sangat mudah ditemui di berbagai pelosok negeri ini. Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik TenagaMikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yangmenggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya sepertisaluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggiterjunan (head) dan jumlah debit air. Pada sungai Wera terdapat potensi ketersediaan air yang cukup sepanjang tahun, debit yang dapat diandalkan,memiliki kontur yang sesuai dan telah dimanfaatkan untuk PLTMH. Namun PLTMH sungai Wera ini mengalami penurunan daya listrik yangdihasilkan. Oleh karena itu, pada PLTMH sungai wera ini perlu dilakukan analisis dan menghitung kembali daya listrik yang dihasilkan PLTMH sungai Wera ini.



1.2



Rumusan Masalah Dalam penelitian ini kami Telah meneliti dan merencanakan bahwa



Sungai Wera, mempunyai banyak potensi tenaga air, dengan demikian bagaimana pemanfaatan potensi sumber daya air sungai Wera dengan sebaikbaiknnya untuk PLTMH di Desa Balumpewa, Kecamatan Dolo Barat, Kabupaten Sigi. 1.3



Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Pengambilan data debit air dan head secara langsung pada sungai Wera. 2. Menganalisis turbin pada PLTMH sungai Wera. 3. Menghitung daya listrik yang dapat dihasilkan PLTMH sungai Wera.



1.4



Tujuan Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menguji kelayakan sungai wera, untuk dijadikan pembangkit listrik tenaga micro hidro atau pico hidro. 2. Mengetahui daya listrik yang dapat dihasilkan berdasarkan debit rencana dan head pada PLTMH. 3. Melakukan analisis terhadap PLTMH. 4. Mengetahui jenis turbin yang sesuai dengan karakteristik sungai. 5. Sebagai salah satu syarat dalam memenuhi tugas mata kuliah energy terbarukan, khususnya energy air.



1.5



Manfaat Penelitian Manfaat dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Memberikan informasi tentang pentingnya pemanfaatan potensi sungai. 2. Memberikan masukan pada pihak-pihak terkait dalam perencanaan pembangunan PLTMH melalui evaluasi PLTMH.



BAB II PEMBAHASAN 2.1



Mikro Hidro menurut Menurut kamus besar bahasa Indonesia mikro adalah kecil,sedangkan hidro adalah bentuk terikat air. Sehingga dapat diartikan mikrohidro adalah air dengan debit yang kecil. PLTMH adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air dengan debit air yang kecil. Kondisi air yang bias dimanfaatkan sebagai sumber daya penghasi llistrik adalah yang memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu serta instalasi. Pembangkit listrik kecil yang dapat menggunakan tenaga air pada saluran irigasi dan sungai atau air terjun alam, dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan( head, dalam m) dan kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity).



2.2



Pemanfaatan Turbin Air Sebagai Pembangkit Energi Listrik Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Kata “turbine” ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata “whirling” (putaran) atau “vortex” (pusaran air). Penemuan turbin merupakan kemajuan yang berarti bagi perkembangan penggunaan tenaga air. Turbin pertama, yang memanfaatkan semprotan air dirancang oleh J.A. Segner (1704-1777), yang digunakan di Sungai Leine (Jerman) dengan penjelasan yang diterbitkan tahun 1750. Kemudian beberapa sarjana, antara lain Fourneyron (1827), Zuppinger (1846), Schwamkrug (1850), de Girrard (1863), merancang beberapa turbin yang lebih baik dari sebelumnya, namun karena semakin berkembangnya ilmu pengetahuan tipe turbin tersebut tidak digunakan lagi.



Bentuk turbin modern yang sekarang digunakan ialah rancangan dari Francis (1849), Pelton (1890), dan Kaplan (1913). Turbin Kaplan merupakan turbin dengan kedudukan daun-daun turbin yang dapat diatur, sedangkan turbin yang berbentuk sama tetapi kedudukan daundaunnya tetap dinamakan turbin propeller Kemajuan besar dalam perkembangan tenaga air yaitu dapat dihubungkannya turbin dengan generator (pembangkit energi listrik). Perencanaan turbin dalam pipa saluran oleh perusahaan turbin Escherwyss (Swiss), Neypric (Perancis), juga merupakan kemajuan dalam perkembangan Tenaga Air.



Pembangkitan tenaga listrik dengan menggunakan tenaga air secara intensif dilakukan pada abad ke-19 dan permulaan abad ke-20 setelah penghantaran tenaga listrik ke kota dapat diatasi. PLTA pertama di Eropa dengan kapasitas yang cukup besar terletak di Neuhausen pada Sungai Rhine dengan kapasitas 600 HP. Di Amerika, PLTA dengan kapasitas cukup besar didirikan pada Sungai Mernmack dekat Lowell (1822) dengan kapasitas 1000 HP Sedangkan di Indonesia, PLTA pertama terdapat di Sungai Catur Giringan Ponorogo Jawa Timur (1910). Pembangunan PLTA ini bertujuan untuk memberikan listrik kepada bengkel Jawatan Kereta Api Madiun. Walaupun demikian penelitian pembangkitan tenaga listrik dengan menggunakan tenaga air baru dilakukan pada tahun-tahun pertama sesudah pengakuan kedaulatan Rl (Desember 1949) Seiring dengan kemajuan zaman, kebutuhan akan tenaga listrik merupakan hal yang permanen di era globalisasi ini. Penggunaan tenaga listrik oleh perusahaan-perusahaan besar sampai dengan rumah tangga menuntut adanya suplai energi listrik secara berkesinambungan, sehingga perlu diupayakan pembuatan PLTA baru yang dapat mengurangi ketergantungan suatu wilayah terhadap PLTA bagi wilayah lain.



2.3



Prinsip Kerja dan Perhitungan Turbin Air Dalam Menghasilkan Listrik Pada abad 19 turbin air digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan turbin pada prinsipnya adalah dengan memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik.



Gambar 2.1 Proses Pembangkitan Listrik Tenaga Air. Pada saluran irigasi ini terdapat penyaringan sampah untuk menyaring kotoran yang mengambang diatas air, kolam pengendap untuk mengendapkan



kotoran,



saluran



pembuangan



untuk



membuang



kelebihan air yang mengalir melalui saluran akibat banjir melalui pintu saluran pembuangan. Akhir dari saluran ini adalah sebuah kolam penenang (forebay tank) yang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini berfungsi juga untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. Pipa pesat (penstock) ini akan mengalirkan air ke rumah pembangkit (power house) yang terdapat turbin dan



generator di dalamnya. Besar volume air yang masuk ke pipa pesat diatur melalui pintu pengatur. Besarnya daya listrik sebelum masuk ke turbin secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : Pin turbin = ρ.Q.h.g Sedangkan besar daya output turbin adalah sebagai berikut : Pout turbin = ρ × Q × h × g × ηturbin Sehingga secara matematis daya real yang dihasilkan dari pembangkit adalah sebagai berikut : Preal = ρ × Q × h × g × ηturbin × ηgenerator Dimana: Pin turbin = daya masukan ke turbin (kW) Pout turbin = daya keluaran dari turbin (kW) Preal = daya sebenarnya yang dihasilkan (kW) ρ = massa jenis fluida (kg/m3) Q = debit air (m3/s) h = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s2) Dari gambar di atas maka secara garis besar komponenkomponen dari pembangkit listrik tenaga air (PLTMH) adalah sebagai berikut: 1. Bendungan (Weir) dan Intake Konstruksi bangunan intake untuk mengambil air langsung dapat berupa bendungan (weir) yang melintang sepanjang lebar sungai atau langsung membagi aliran air sungai tanpa dilengkapi bangunan bendungan. Lokasi intake harus dipilih secara cermat untuk menghindarkan masalah di kemudian hari.



2. Saluran Pembawa (Head Race) Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:  Nilai ekonomis yang tinggi  Efisiensi fungsi  Aman terhadap tinjauan teknis  Mudah pengerjaannya  Mudah pemeliharaannya  Struktur bangunan yang memadai  Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil 3. Pipa Pesat (Penstock) Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter penstock, tebal dan jenis sambungan (coordination point). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugirugi (fiction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi. 4. Pintu Saluran Pembuangan Pintu saluran pembuangan ini berfungsi untuk membuang air apabila terjadi kelebihan volume air pada saluran pembawa. 5. Kolam Penenang (Forebay Tank) Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat.



6. Pintu Pengatur Pintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang masuk dari kolam penenang ke pipa pesat. 7. Rumah Pembangkit (Power House) Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan perlatan lainnya. Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya. 8. Saluran Buang (Tail Race) Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin. 9. Turbin Air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Kemudian Energi mekanis yang didapat tersebut akan diubah menjadi tenaga listrik dengan menggunakan generator. 10. Generator Generator merupakan mesin listrik arus bolak-balik yang berfungsi untuk merubah energi mekaniks dalam membentuk putaran menjadi energi listrik arus bolak-balik. Generator mempunyai dua bagian pokok, yaitu bagian stator atau bagian dari generator yang tidak bergerak dan bagian rotor atau bagian generator yang berputar atau bergerak. Pada generator yang berukuran besar, bagian stator dipergunakan sebagai tempat belitan medan magnet.



2.4



Jenis-Jenis Turbin Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air yang digunakan untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. 2.4.1 Turbin Impuls. Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Berikut ini merupakan jenisjenis dari turbin impuls: 1. Turbin Pelton Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.



Gambar 2.2 Turbin Pelton.



Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian pengarah pancran atau nosel. Energi yang masuk ke roda jalan dalam bentuk ennnrgi kinetik. Pada waktu melewati roda turbin, energi kinetik dikonversikan menjadi kerja poros dan sebagian kecil energi terlepas dan sebagian lagi digunakan untuk melawan gesekan dengan permukaan sudu turbin. Instalasi dan begian utama turbin pelton. Turbin pelton biasanya berukuran besar. Hal ini dapat dimaklumi karena dioperasikan pada tekananyang tinggi danperubahan momentum yang diterima sudu-sudu sangat besar, dengan sendiri struktur turbin harus kuat. Pada turbin pelton semua energi tinggi tempet dan tekanan ketika masuk kesudu jalan turbin telah telah diubah menjadi energi kecepatan Seperti terlihat pada gambar dibawah ini:



Gambar 2.3. Bagian Utama Turbin Pelton. Turbin pelton terdiri dari dua bagian utama yaitu : 



Nosel







Roda jalan.



Nosel mempunyai beberapa fungsi yaitu: 1. Mengarahkan pancaran air ke sudu turbin. 2. Mengubah tekanan menjadi energi kinetik. 3. Mengatur kapasitas air yang masuk turbin. Jarum yang berada pada nosel bertujuan untuk mengatur kapasitas dan mengkonsentrasikan air yang terpancar di mulut nosel. Panjang jarum sangat menentukan tingkat konsentrasi air, makin panjang jarum air makin terkonsentrasi. Untuk turbin pelton dengan daya kecil, debit bisa diatur dengan hanya menggeser kedudukan jarum sudu. Untuk instalasi yang lebih besar harus menggunakan dua buah sistem pengaturan atau lebih, Tujuan pengaturan ini adalah untuk menghindari terjadinya tekanan tumbukan yang besar dalam pipa pesat yang timbul akibat penumpukkan nosel secara tiba-tiba ketika beban turbin berkurang



dengan tiba-tiba. Untuk mengurangi putaran turbin pada kondisi atas, pembelokkan



pancaran



akan



berayaun



kedepan



jarum



nosel



terlebihdahulu sehingga pancaran air dari nosel berbelok sebagian. Jumlah nosel (n) tergantung pada bilangan-bilangan spesifik nq trubin pelton. Dimana nq dirumuskan :



Dimana : nq



= putaran poros (rpm)



Q



= Debit aliran air (m3/s)



H



= Head total



Roda jalan berbentuk pelek (rim) dengan sejumlah sudu di sekelilinnya. Pelek ini dihubungkan dengan poros dan seterusnya menggerakkan generator. Sudu turbin pelton berbentuk elipsoida yang dibuat dengan bucket (sudu) dan di tengahnya mempunyai splitter (pemisah air). Bentuk sudu sedemikian dimaksudkan supaya bisa membalikkan putaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya samping.



2. Turbin Turgo Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin



turgo lebih besar dari turbin pelton.



Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga



menaikkan



efisiensi



total



sekaligus



menurunkan



perawatan. Pada Gambar 2.4 menunjukkan bentuk turbin turgo.



biaya



Gambar. 2.4. Turbin Turgo



3. Turbin Cross-Flow Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin



ini



juga



sering



disebut



sebagai



turbin



Ossberger,



yang



memperoleh hak paten pertama pada 1922. Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin crossflow yang terkemuka di dunia. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow 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 2.5 merupakan bentuk turbin cross-flow.



Gambar. 2.5. Turbin Cross FLow



2.4.2. Turbin Reaksi. Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. 1. Turbin Francis. Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang



dapat



diatur



merupakan



pilihan



menunjukkan sketsa dari turbin francis.



yang



tepat.



Gambar



2.6



Gambar 2.6 Turbin francis



Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari enrgi tinggi jatuh telah bekerja di dalam suddu pengarah diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimamfaatkan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam dalm air. Air yang masuk kedalam turbin dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin (schact) atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarah dapat dilakuakan dengan tangan atau dengan pengatur dari oli tekan(gobernor tekanan oli), dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat



saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai fungsi mengubah energi kecepatan menjadi energi tekan. Daerah kerja turbin francis. Jenis konstruksi turbin ini pertama kali dilaksanakan sekitar tahun 1950. Sekarang turbin francis adalah yang paling banyak dipakai, karena tinggi air jatuh dan kapasitasnya yang paling sesuai dengan kebutuhannya. Dari hasil penggunaan dan penelitian yang terus-menerus untuk pengembangan selanjutnya, turbin francis sekarang sudah bisa digunakan untuk tinggi air jatuh sampai 700m dengan kapasitas air dan kecepatan air serta kecepatan putar yang memenuhi harapan. Gambar berikut adalah daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.



Gambar 2.7. Daerah Kerja Turbin Francis



Pokok utama pada gambar adalah adanya daerah penggunaan tipe turbin. Untuk diketahui pada gambar diatas di dalam daerah yang dibatasi dengan garis terdapat banyak jenis turbin yang dibuat, jadi sebetulnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi. Karena ada turbin yang titik muatan beban penuhnya terletak di bawah atau di atas daerah yang diberi tanda. Titik beban penuh turbin dapat juga terletak di bawah daerah tersebut, bila dari kondisi tempat membutuhkan pemasangan turbin dengan tinggi khusus dan berdasarkan



alasan untuk menghindari kavitasi, sehingga dengan demikian harus dipilih kecepatan spesifik yang kecil. Turbin francis yang kecil sering terletak di bawah daerah tersebut, karena harus menggerakkan generator yang mempunyai kecepatan putar yang tinggi dsan dihubungkna langsung dengan roda gigi transmisi. Didalam daerah batas antara turbin francis dengan turbin kaplan, Turbin kaplan lebih menguntungkan yaitu pada keadaan beban tidak penuh randemennya lebih tinggi, karena sudusuda turbin kaplan bisa diatur sesuai dengan beban yang ada. 2. Turbin Kaplan dan 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 2.8 merupakan bentuk dari turbin Kaplan.



Gambar. 2.8. Turbin Kaplan



Sesuai dengan persamaan euler, maka makin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang salauran yang dilalui air, dan



selain itu kecepatan putar yang demikian bisa ditentukan lebih tinggi. Kecepatan spesifik bertambah, kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang. Pada permulaan sekali disaat pengembang pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda balingbaling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung lebih dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur dengan memakai bendungan. Makin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin tinggi air jatuh yang bisa dimamfaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik. Turbin yang bekerja pada kondisi tinggi air jauh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat tenaga listrik sungai, randamen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun. Keuntungan turbin baling-baling dibandingkan dengan turbin francis adalah kecepatan putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel langsung dengan langsung dengan generator dan ukurannyapun lebih kecil. Roda Jalan Turbin Kaplan : Kontruksi Dan Keadaan Aliran Air Konstruksinya bisa dibedakan, sampai dengan alat pengarah pada hakekatnya sama dengan turbin francis dan pada leher poros terdapat sekitar 4 sampai 8 buah kipas sudu yang dapat diputar.



Gambar 2.9 Prinsip Kerja Turbin Kaplan.



Kipas sudu pada gambar Diatas ini sama seperti baling-baling atau sayap pesawat terbang yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros. 2.5



Pemilihan Jenis Turbin Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller dikelompokkan menjadi : • Low head power plant • Medium head power plant • High head power plant



Tabel 2.2 Daerah operasi turbin. No.



Jenis Turbin



Variasi Head



1.



Kaplan dan Propeller



2 < H < 20



2.



Francis



10 < H < 350



3.



Pelton



50 < H < 1000



4.



Crossflow



6 < H < 100



5.



Turgo



50 < H < 250



Sedangkan untuk pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang



sangat



spesifik.



Pada



tahap



awal, pemilihan



jenis



turbin dapat



diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :  Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. 



Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.



 Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.



Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai “kecepatan spesifik, Ns”, yang didefinisikan dengan formula : Ns = 5/4 H . P . N rpm Dimana : NS = kecepatan spesifik N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = maksimum turbin output (kW) H = head efektif (m) Output turbin dihitung dengan formula : P = 9.81 × Q × H × ηturbin Dimana : P



= daya Turbin (kW)



Q



= debit air (m3/s)



H



= efektif head (m)



ηturbin = efisiensi turbin = 0.8 – 0.85 untuk turbin pelton = 0.8 – 0.9 untuk turbin francis = 0.7 – 0.8 untuk turbin crossflow = 0.8 – 0.9 untuk turbin propeller/Kaplan Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.3.



Tabel 2.3 Kecepatan spesifik beberapa turbin No. Jenis Turbin



Kecepatan Spesifik



1.



Turbin Pelton



12 ≤ Ns ≤ 25



2.



Turbin Francis



60 ≤ Ns ≤ 300



3.



Turbin Crossflow



40 ≤ Ns ≤ 200



4.



Turbin Propeller



250 ≤ Ns ≤ 1000



Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan



spesifik dan keseimbangan



gaya poros.



Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Pada Gambar 2.10 menunjukkan diagram aplikasai berbagai jenis turbin.



Gambar 2.10 Diagram aplikasi berbagai jenis turbin (head vs debit) Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.



BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alat dan Bahan Adapun alat dan bahan yang di pergunakan ialah sebagai berikut. a. Meteran Untuk mengukur panjang,lebar dan head.



b. Botol Aqua Sebagai alternative untuk menghitung kecepatan debit aliran sungai. c. Stopwatch Untuk menghitung kecepatan laju aliran sungai



d. Kayu dan tali rafia Untuk mengukur head



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil  Menghitung Luas Penampang



Kedalaman sungai (m) L (m) Titik 1



Titik 2



Titik 3



Titik 4



Titik 5



Titik 6



Titik 7



5.4



0.6



0.9



0.7



0.8



0.7



0.5



0.3



5.7



0.7



1



0.7



0.6



0.5



0.45



0.35



5.5



0.5



0.9



0.6



0.7



0.9



0.5



0.31



5.6



0.4



0.8



0.7



0.9



0.8



0.55



0.25



5.8



0.8



0.9



0.8



1



0.6



0.5



0.29



5.6



0.6



0.9



0.7



0.8



0.7



0.5



0.3



A = L x H.rata-rata Dimana : A



= Luas Penampang (m2)



L rata-rata



= Lebar rata-rata (meter)



H rata-rata



= Kedalaman rata-rata (meter)



 Menghitung Kecepatan Pegujian



Waktu (t)



1



3.25



2



3.15



3



3.31



4



3.64



5



3.78



6



3.24



7



3.28



8



3.41



9



3.44



10



3.27



Rata-rata



3.377



𝑽=



dimana : V P



Jarak (P)



Rata-rata (v)



5



1.481



𝑷 𝑻. 𝑹𝒂𝒕𝒂 − 𝒓𝒂𝒕𝒂



= Kecepatan (meter/detik) = Panjangsaluran (meter)



Maka Kecepatan Yang Diperoleh Adalah



 Menghitung Debit Aliran Q=A.V dimana: Q = Debit aliran (m3 /s ) A = Luaspenampangsaluran (m² ) V = Kecepatanaliran air ( m/s ) Q=A.V = 3.08 m² x 1,481 m/s = 4.56 m3/s  Menghitung Potensi Daya PLTMH P = g . ρ .Q . H Dimana : P



= Daya (kW) Q



= Debit aliran (m/s)



Htot = Head aliran (m/s) g



= Konstanta gravitasi bumi



h



= Efisiensi Keseluruhan



ρ



= Densitas



Q = 4.56 m3 Htot = 10.7 m ρ = 999 g = 9.81 m/s Maka, besaarnya potensi daya (p) di air terjun wera adalah: P = ρ.g.Q.H = 999 x 9.81 x 4.56 x 10.7 = 478 kw



 Menghitung Diameter Pipa Pesat



D = (2.69(0.0092 x 4.56 x 20) 0.1875) /3.2 = 0.33 meter



4.2 Pembahasan



Dari hasil pengamatan bahwa sungai Wera memiliki, kapasitas aliran yang tinggi, dengan debit 4,56 m3/det dan head 10.7 m, dapat menghasilkan daya listrik sebesar 478 Kw Dari data hasil perhitungan dan mengacu pada buku panduan kelayakan tentang turbin, jenis francis turbine memiliki efisiensi tinggi meskipun ia beroperasi pada debit yang lebih rendah dari debit nominalnya.Daerah penggunaan francis turbine sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan kapasitas daya yang dapat dibangkitkan francis turbine diantara 100-500 kw. Tinggi aliran jatuh yang bisa digunakan di atas 5 m



sampai 100 m dan kapasitas antara 0.5 m³/s sampai dengan 4.6 m³/s dengan efisiensi antara 80 °/o - 90°/o. Dari data-data yang telah diperoleh dan mengacu kepada tempat perencanaan pembangunan PLTMH dialiran sungai Wera, selanjutnya merancang suatu bendungan dan power house yang sesuai dan efektif untuk daerah aliran sungai Wera, sehingga aliran sungai tidak merusak lahan, dan pemungkiman penduduk. Adapun perencanaan Bendungan dan power house seperti gambar yang terlampir sabagai beriku:



LAMPIRAN GAMBAR PERENCANAAN



Perancangan Turbin Air di Sungai Wera, Kecamtan Dolo Barat, Kabupaten Sigi.



Dokumentasi Pengambilan Data



Sungai Wera, Kecamatan Dolo Barat, Kabupaten Sigi



BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari kajian pengembangan potensi dan tekno ekonomi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) di wilayah sungai Wera, kec. Dolo Barat, Kabupaten Sigi, Sulawesi tengah dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Klasifikasi turbin berdasarkan tinggi jatuh efektif setinggi 6 m dan 4.7 m dan kecepatan spesifik (Ns), maka turbin yang sesuai dan cocok digunakan adalah francis turbine. 2.



aliran sungai bale yang mempunyai debit ratarata 4.56 m3/det dengan ketinggian head total 10,7 m, mampu menghasilkan daya terbangkit sebesar 478 KW.



3. Wilayah Sungai Wera, kec. Dolo barat sangat potensial untuk pengembangkan



energi baru terbarukan khususnya Pembangkit Listrik



Tenaga Mini-Mikro Hidro (PLTMH). 4. Sebelum pembangunan PLTMH, diperlukan studi analisis kelayakan PLTMH agar pembangunan PLTMH dapat memberikan keuntungan yang nyata bagi peningkatan taraf hidup masyarakat.. 5. Perlu strategi untuk mengembangkan PLTMH di sungi Wera agar pemanfaatan potensi PLTMH ini dapat segera memberikan kontribusi untuk pembangunan di Kecamatan Dolo Barat , Kabupaten sigi. 5.2 Saran Dengan adanya kajian pengembangan potensi dan tekno ekonomi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) di wilayah Sungai Wera, diharapkan dapat menjadi acuan bagi pihak yang berkepentingan seperti pemerintah daerah untuk mempercepat pengembangan PLTMH di wilayah Sungai Wera guna memenuhi kebutuhan energi listrik di daerah tersebut.



DAFTAR PUSTAKA 



Anonim 2009a. Buku 2A pedoman kelayakn hidrologi. Jakarta: Direktorat jendral listrik dan pemanfaatan energi, Departemen energi dan sumber daya Mineral.







Jorde, Klaus 2010. Baik dan buuk mini/mikro hidro, jilid I, cetakan, terjemahan ini Anggraen. Jakarta: IMIDAP.







Subroto, I. 2002. Perencanaan PLTMH di Indonesia. BPPT. Jakarta.







Asdak, C. 2007. Hidrologi dan Pengelolaan Daerah Aliran Sungai. Gajah Mada University Press. Yogyakarta







Arismunandar, A. dan S. Kuwahara., 1974. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik – JilidI Pembangkitan dengan Tenaga Air. Pradnya Paramita, Jakarta: 168pp.