BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Tenaga air merupakan sumber daya energi yang penting setelah tenaga uap atau panas. Hampir 30% dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat pusat listrik tenaga air. Banyak Negara yang hampir seluruh kebutuhan energinya berasal dari tenaga air. Penggunssn tenaga air sebagai sumber energi, terutama untuk pembangkit tenaga listrik, memiliki kelebihan dibanding sumber energi lainnya. 2.1 Sejarah Turbin Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (~80%) yang 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 meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test

2 yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini. Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil. Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi. Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air

3 pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan 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. Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya energi kinetic ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.

4 2.2 Klasifikasi 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 dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi Turbin Impuls 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. Adapun jenis jenis turbin impuls adalah sebagai berikut : 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 nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

5 Gambar 2.1 Turbin Pelton. Sumber: 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. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Gambar 2.2 Turbin Pelton dengan banyak nozle. Sumber. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi. 2) Turbin Turgo. Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih

6 besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Gambar 2.3 Sudu turbin turgo dan nozzle. Sumber: 3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki). Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin cross flow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin ini akan di bahas lebih lanjut Turbin Reaksi 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. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut

7 mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis: 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 pada 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 yang tepat. 2. Turbin Kaplan. Gambar 2.4 Turbin Francis Sumber. Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi

8 untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada. Gambar 2.5 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur. Sumber :

9 Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Turbin pelton Turbin impuls Turbin turgo Turbin ossberger Turbin Air Turbin francis Turbin reaksi Turbin kaplan Gambar 2.6 Diagram klasifikasi turbin air. 2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m 3 /s) di bawah ini. Gambar 2.7 Grafik Perbandingan karakteristik Turbin.Sumber :

10 Dapat dilihat pada gambar 2.7 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas. Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi. 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, efisiensinya 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. Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1) Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter

11 2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3) Turbin Pelton : H < 30 meter 4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter 2.4 Kecepatan spesifik turbin Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan

12 debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah. Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus : 3,65. nt Q ns = H Dengan : n t = putaran turbin (rpm) Q = kapasitas aliran (m 3 /s) H = tinggi air jatuh (m) g = percepatan graviatsi (m/s 2 ) Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah sebagai berikut ini : Gambar 2.8 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik. Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site) Berdasarkan gambar 2.8, semakin tinggi n s maka bentuk sudu turbin akan semakin kecil dan tinggi head semakin rendah.

13 2.5 Turbin Air Cross - Flow Turbin tipe ini dibuat pertama kali di Eropa. Nama cross flow diambil dari kenyataan bahwa air melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam menghasilkan putaran (rotasi). Sedangkan nama Banki (dari Hungaria) dan Mitchell (dari Austria) adalah nama ahli teknik yang mengembangkan prinsip prinsip turbin tersebut serta perhitungannya. Turbin cross flow ini mempunyai arah aliran yang radial atau tegak lurus dengan sumbu turbin. Turbin air cross flow adalah sebuah turbin air radial dimana aliran air masuk dan keluar rotor melalui lingkaran peripheral rotor yang sama. Turbin air cross flow pertama kali diperkenalkan oleh A.G.M.Mitchell dan D.Banki pada awal abad ini (Mosonyi,1966). Penemuan turbin ini sangat didasarkan pada usaha untuk mencari jenis turbin baru yang lebih kecil, sederhana dan lebih murah dibandingkan dengan jenis turbin yang lainnya. Sebagai hasilnya, turbin air cross flow yang hanya memerlukan proses pembuatan yang sederhana, sepertinya dapat memenuhi kita, meskipun belum ada pembangkit daya yang besar yang perna dibangun dengan menggunakan turbin jenis ini. Turbin air cross flow sangat terkenal untuk pembangkit daya ukuran kecil hingga sedang. Untuk jangkauan daya yang dapat dihasilkan, turbin air cross flow telah dapat menggantikan tempat mesin konversi daya air yang lain, seperti kincir air yang sederhana sampai turbin impuls dan reaksi yang rumit pembuatannya. Meskipun turbin air cross flow telah dipergunakan secara luas diseluruh dunia selama ini, teori dasar yang terperinci, khususnya yang melibatkan aliran didalamnya, terlihat belum dikembangkan secara baik hingga saat ini. Suatu

14 perbedaan yang kontras dibandingkan dengan upaya yang sama untuk turbin jenis lain. Turbin air cross flow yang selama ini dibuat termasuk jenis turbin air impuls radial. Turbin ini aliran air masuk ke turbin melalui sebuah pipa pencar dengan penampang segi empat. Aliran melewati sudu gerak turbin sebanyak duta kali dengan arah relative tegak lurus poros turbin. Dalam hal ini tidak ada aliran arah aksial, sehingga tidak terdapat gaya gaya yang bekerja dalam arah poros turbin. Air masuk roda gerak turbin ke sudu gerak tingkat pertama dari arah luar roda menuju kearah tegak lurus poros, kemudian aliran air melalui bagian tengah roda gerak yang kosong dan airnya akan mengenai sudu gerak untuk kedua kalinya dan kemudian keluar turbin. Diantara tingkat pertama dan tingkat kedua aliran membentuk jet pada daerah terbuka dengan tekanan yang sama dengan tekanan atmosfer. Aliran yang terjadi secara fisik harus memenuhi prinsip kekekalan massa. Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 10 litres/sec hingga litres/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Komponen komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut : 1. Rumah Turbin

15 2. Alat Pengarah (distributor) 3. Roda Jalan 4. Penutup 5. Katup Udara 6. Pipa Hisap 7. Bagian Peralihan Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20 %nya dari tahap pertama. Gambar 2.9 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow. Sumber: Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama

16 dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu pada tekanan yang sama. 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 2.10 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow. Sumber: Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin Ossberger mirip dengan separuh pompa keong. Disini air masuk menuju roda turbin vertical terhadap lantai pondasi. Menurut propagadis turbin ini bereffisiensi

17 74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat bagian bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya yang kecil. Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa badan kerja sama SKAT Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW Nepal, GATE Jerman/CITA Equador dan ATD Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut. Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup (valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis yaitu : 1) Turbin aliran silang jenis vertical Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan ini berlangsung secara kontinu. Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical.

18 2) Turbin aliran silang jenis horizontal Dimana aliran air dialirkan melalui pipa pesat dalam posisi horizontal terhadap rumah turbin dan menyembur / mendorong karang sudu hingga roda jalan turbin berputar. Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal Studi yang mendalam terhadap pembangkit tenaga jenis cross flow untuk PLTA skala kecil belum banyak dilakukan orang, karena tipe ini dianggap sederhana dan effisiensi nya relatif rendah. Penelitian pada akhir akhir ini dilakukan terhadap pembangkit listrik yang berskala besar, mengingat secara ekonomi makro, pembangkit listrik besarlah yang dianggap sangat menguntungkan untuk dikembangkan. Tetapi bila kita berbicara kemampuan masyarakat dalam keikutsertaan mengumpulkan air dari sumber tenaga yang tersebar di jaringan irigasi dan sungai sungai kecil di Indonesia, maka justru kita harus mengembangkan tipe cross flow itu agar dapat dimanfaatkan oleh masyarakat yang terbatas pengetahuan dan teknologinya. Tipe cross flow ini sudah jelas kesederhanaannya dan dapat diproduksi oleh bengkel bengkel biasa yang ada dimasyarakat.

19 Masalahnya dalam mendisain atau mendimensi tipe cross flow ini perlu ada pedoman petunjuk, panduan dan bahkan spesifikasi jenis jenis tertentu yang telah diketahui perilakunya yang berkaitan dengan : 1. Kesedian debit dan tinggi muka air di suatu lokasi tertentu, untuk mengetahui ketersediaan air pada suatu daerah aliran baik untuk tujuan khusus seperti pembuatan bendungan untuk keperluan pembangkit tenaga listrik atau untuk keperluan irigasi maupun untuk tujuan yang lebih umum seperti pembuatan masterplan konservasi sumberdaya air, perkiraan tentang ketersediaan air amatlah penting. Oleh karena itu masalah data data topografi dari suatu sungai yang berkesinambungan harus dimiliki. Disamping itu cara lain untuk merencanakan PLTA skala kecil perlu diketahui ketersedian air yang ada agar PLTA tersebut dapat berfungsi terus menerus sepanjang waktu, serta lokasi penempatan turbin agar sesuai dengan yang direncanakan sehingga didapat debit serta tinggi muka air yang memadai. Ketersediaan air di sungai dalam jangka waktu yang panjang dapat diperkirakan dengan mengadakan pegamatan taraf muka air pada beberapa lokasi pengamatan. Dengan demikian debit pada sungai tersebut akan dipergunakan untuk menggerakan turbin. 2. Daya yang dapat dihasilkan Berdasarkan debit yang ada pada PLTA tersebut akan menghasilkan daya dengan menggunakan rumus : P = ρqgh η 2.2

20 Dimana : P = Daya (W) ρ = Massa jenis air (kg/m 3 ) Q = Debit (m 3 /s) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) H = Perbedaan ketinggian (m) η = efisiensi 3. Pembangkit listrik atau generaor Pembangkit listrik atau generator ini diusahakan yang mudah diperoleh di pasar atau yang dapat dibuat lokal. 4. Ukuran dan bentuk detail turbin Ukuran dan bentuk detail turbin dibuat agar mudah di desain dan dipasang dilapangan. 5. Efisiensi turbin Efisiensi turbin di dapat dari membandingkan output dan input yang terpakai. 6. Pengoperasian dan Pemeliharaan Pengoperasian dan pemeliharaan PLTA skala kecil ini mampu dilakukan oleh tenaga/ teknisi menengah. 2.6 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya keluaran ini sangat dipengaruhi oleh komponen komponen kecepatan memasuki

21 sudu sudu, juga telah dinyatakan c 1 = 2(u 1 /cosα 1 ) untuk α 1 = 15 0 harga ini tidak jauh berubah c 1 = 2,07u 1 hal ini berarti saat berikutnya c 1 kembali memasuki sudu yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w 1. Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c 1 menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas. Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu poros. Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu : 1) Posisi vertikal. Sisi masuk vertikal membentuk sudut 90 0 dengan lantai. Dilukiskan kecepatan aliran keluar roda jalan sebagai keadaan penuh pada keadaan normal dan garis terputus putus untuk kecepatan lebih. Kedua garis ini membentuk arus pusar pada posisi setengah ( 1 / 2 ) belahan roda jalan (u 1 = ½ c 1 ). Arus pusar ini merupakan tahanan geser antara lapisan tangensial dan sebagian lainnya menumbuk dinding setelah terbuang ke pipa lepas. Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical

22 2) Posisi Horizontal. Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang. Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak digunakan. Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal 3) Posisi miring. Bedasarkan kedua kasus diatas diantara sudut miring antara lukisan lapis kecepatan pada sisi masuk normal maupun pada kecepatan lebih, kedudukan terbaik adalah membentuk Pada sisi ini komponen kecepatan c 1 berubah menjadi w 1 dan w 2. Pusaran liar tetap ada, tetapi kedudukan lapis telah menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri. Lebih besar dari 30 0 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan dinding mulai terlihat. Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring

23 2.7 Energi Air Kaidah energy menyatakan bahwa energy tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk energy lain. Pembangkitan energy air adalah suatu perubahan energy akibat adanya perbedaan ketinggian antara reservoir atas dan reservoir bawah makan akan terdapat energy potensial dan energy kinetic pada aliran tersebut. Selanjutnya energy tersebut dapat dimanfaatkan dengan mengubahnya menjadi energy mekanis melalui turbin air. Untuk suatu aliran dengan head dan debit tertentu yang melalui sebuah turbin dapat menghasilkan daya (power) air sebesar : Dimana : P = Daya (Watt) ρ = Massa jenis air ( kg/m 3 ) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) H eff = Head efektif ( m ) Persamaan bernouli untuk losses instalasi tenaga air dengan menyatakan titik 1 sebagai kondisi masuk air serta titik 3 untuk keadaan muka air bahwa seperti terlihat pada gambar 2.16.

24 Gambar 2.16 diagram bernouli untuk turbin air Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida dimana sifat fluida konstan adalah sebagai berikut : 2.4 Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernouli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3 diperoleh : Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3 : Dimana : P = Tekanan absolute ( N/m 2 ) V = Kecepatan (m/s)

25 H l = Head losses pada pipa ( m ) H eff = Head effektif (m) Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana : - Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V 1 0 -, (pressure grade adalah nol) Maka :. 2.8 Persamaan head effektif diperoleh dari persamaan :. 2.9 Dengan mensubtitusikan persamaan 2.8 ke persamaan 2.9, diperoleh : Persamaan kontinuitas : Dimana : Q = V x A Q V = Debit aliran (m 3 /s) = Kecepatan aliran (m/s) A = Luas Penampang (m 2 )

26 Head losses yang terjadi pada salurran pipa terbagi atas : 1. Mayor losses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa Minor losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya Daya Listrik Daya listrik yang terbangkitkan dihitung dengan rumus P l = V.I Dimana: P l = Daya listrik (Watt) V I = Tegangan (Volt) = Arus (Ampere) 2.9 Daya Turbin Daya turbin dapat dihitung dengan rumus Dimana : Pt = η. η.cosϕ p P l g P l η p = Daya listrik (Watt) = effisiensi pulley η g = Effisiensi generator cos ϕ = 0,8

27 2.10 Efisiensi Turbin Efisiensi turbin didapatkan dari perbandingan nilai daya air dan daya turbin yaitu: Dimana : η T = Efisiensi turbin (%)