BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Energi Air Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun ataupun aliran air disungai. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Banyaknya sungai dan danau air tawar yang ada di Indonesia merupakan modal awal untuk pengembangan energi air ini. Namun eksploitasi terhadap sumber energi yang satu ini juga harus memperhatikan ekosistem lingkungan yang sudah ada. Pemanfaatan energi air pada dasarnya adalah pemanfaatan energi potensial gravitasi. Energi mekanik aliran air yang merupakan transformasi dari energi potensial gravitasi dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin atau kincir. Umumnya turbin digunakan untuk membangkitkan energi listrik sedangkan kincir untuk pemanfaatan energi mekanik secara langsung. Untuk aliran yang melewati turbin, maka besar daya yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan : P = ρ.g.q.h eff. ŋt dimana : P = daya air (watt) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) Q = debit aliran (m 3 /det) g = gravitasi bumi (m/det 2 ) H eff = head efektif (m) Ŋt = effisiensi turbin (0.75-0.90) direncanakan 90 %
2.2 Mesin Mesin Fliuda Mesin-mesin fluida adalah mesin-mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi mekanis ) atau sebaliknya yaitu merubah energi fluida menjadi energi mekanis sesuai dengan pengertian diatas, maka klasifikasi mesin-mesin fluida secara umum adalah : 1. Mesin-mesin tenaga Mesin-mesin tenaga merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi fluida menjadi energi mekanis. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah turbin air dan kincir air 2. Mesin-mesin kerja Mesin-mesin kerja merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi mekanis menjadi energi fluida. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah pompa, blower, kolpresor, dan fan. Sesuai dengan spesifikasi tugas yang diberikan maka dalam tulisan ini akan dibahas mengenai turbin air secara khusus. 2.3 Pengertian Tubin Air Turbin air yaitu suatu mesin yang dipergunakan untuk mengamil tenaga air untuk diubah menjadi tenaga listrik, jadi berfungsi untuk mengubah tenaga air menjadi tenaga mekanis, sedangkan tenaga mekanis ini diubah menjadi tenaga listrik oleh generator. Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar sudu turbin. Bagian turbin yng bergerak dinamakan rotor atau sudu turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamakan stator atau rumah turbin. Secara umum, turbin adalah alat mekanika yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap ataupun stationary blade, tidak ikut berputar bersama poros, dan berfungsi mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasnya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan.
Ada beberapa kesamaan teori dari turbin air dan pompa air, dengan perbedaan utama energi transfer yang berkebalikan. Turbin air mengubah energi potensial dari air menjadi energi mekanis putaran poros. Sedangkan pompa air mengubah energi mekanis putaran poros menjadi gerak aliran air. Turbin konvensional, dalam kelompok mesin penggerak mula atau prime movers ada tiga macam yaitu : 1. Turbin air dengan media kerja air. 2. Turbin gas dengan media kerja gas panas yang bertekanan. 3. Turbin uap dengan media kerja uap. Ketiga macam turbin tersebut mempunyai kemiripan dalam konstruksi, namun beda dalam termodinamikanya, karena fluida kerjanya yang tidak sama. Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan kerja optimum dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi oprasi tertentu. Dasar kerja turbin air sangat sederhana ini sudah ditemukan sebelum dimulainya tahun masehi. Teknologi turbin air merupakan perkembangan dari kincir air (water wheel). Perbedaan utama antara kinci air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran. Pada saat sekarang, penggunaan turbin air lebih banyak digunakan dibandingkan kincir air. Hal ini disebabkan karena turbin air mempunyai keuntungan-keuntungan antara lain : 1. Ruang yang diperlukan lebih kecil. 2. Dapat beroperasi dengan kecepatan yang lebih tinggi. 3. Mampu membangkitkan daya yang lebih besar dengan ukuran yang relatif kecil. 4. Daerah putaran (rpm) yang lebih luas, sehinga memungkinkan hubungan langsung dengan generator. 5. Mampu memanfaatkan beda ketinggian permukaan air dari yang sangat rendah sampai yang ekstrim tinggi. 6. Dapat bekerja terendam didalam air. 7. Mempunyai efisiensi yang relatif lebih baik. 8. Dapat dikontruksikan dengan poros mendatar maupun tegak.
2.4 Komponen-komponen Turbin 1. Stator Stator turbin terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam yang pendek dipasang diapragma. a. Casing Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah tabung dimana rotor ditempatkan. Pada ujung casing terdapat ruang besar mengelilingi poros turbin disebut exhaust hood, dan diluarcasing dipasang bantalan yang berfungsi untuk menyangga rotor. b. Sudu Tetap Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu. Sudu kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan yang disebut diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma menggunakan akar berbentuk T sehingga memberi posisi yang kokoh pada sudu. Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada alur-alur yang ada didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu tetap ini membentuk suatu lingkaran penuh dan ditempatkan langsung didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak. 2. Rotor Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan jumlah baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak disebut tingkat (stage). a. Poros Poros dapat berupa silinder panjang yang solid (pejal) atau berongga (hollow). Pada umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder panjang yang solid. Sepanjang
poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar (root) untuk tempat dudukan, sudu-sudu gerak (moving blade). b. Sudu Gerak Sudu gerak adakah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda, banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat. c. Bantalan Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan bebas. Adanya bantalan yang menyangga turbin selain bermanfaat untuk menjaga rotor turbin tetap pada posisinya juga menimbulkan kerugian mekanik karena gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial. Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). 2.5 Jenis Jenis Turbin Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin Impuls dan turbin Reaksi. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Sebelum berkembang menjadi turbin Pelton dan turbin Crossflow (jenis impuls), dan turbin Francis dan turbin Kaplan (jenis reaksi) seperti yang banyak ditemukan saat sekarang, beberapa jenis turbin dengan kontruksi yang relative sederhana telah mengawalinya. Di samping itu juga telah dilakukan upaya penyempurnaan dengan memodifikasi rancangan dari turbin-turbin yang sudah mapan seperti turbin Pelton, turbin Crossflow, turbin Francis, dan turbin Kaplan. Beberapa jenis turbin air dapat disebut seperti turbin Banki, turbin Fourneyron, turbin Girard, turbin Turgo, turbin Jonval, turbin Thomson, turbin Deriaz, turbin Heber, turbin Schwan-Krug. Turbinturbin tersebut dinamakan sesuai dengan nama penemunya. Walaupun dari segi
kepentingan tidak begitu besar artinya, namun dari kepentingan akademik, beberapa jenis turbin air ini perlu juga dikenal. 2.5.1 Turbin Impuls Pada turbin impuls energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu tubir. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekananya adalah sama dengan tekanan atmosfil sekitarnya. Beberapa contoh dari turbin impuls tubin pelton dan turbin crossflow. 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. Gambar 2.1 Sudu Tubin Pelton Sumber : http://www.heskonenerji.com.tr/eng/teknik_bilgiler.html 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. 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 Sumber : http://www.heskonenerji.com.tr/eng/teknik_bilgiler.html 2. Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki). 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 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Komponen komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut : 1. Rumah Turbin. 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 2.3 Turbin Crossflow Sumber : http://www.freeflowhydro.co.uk/13/24/cink/cink.html Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama 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. Ciri utama tubin impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap, dan tidak terjadi pada sudu berputar. Turbin impuls disebut turbin tak bertekanan karena sudu gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah. Posisi poros dapat dibuat tegak (vertika) atau mendatar (horizontal). 2.5.2 Turbin Reaksi Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagaian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui rod gerak/runner terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka roda/runner dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin beroperasi. Beberapa contoh dari turbin reaksi adalah turbin fancis, turbin kapla, dan turbin vortex 1. Turbin Kaplan. 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 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 listrik 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 2.4 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur. Sumber : http://202.90.195.156/bse/smk/smk12%20teknikmesinindustri%20sunyoto.pdz 2. 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
Gambar 2.5 Turbin Francis Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine 3. Turbin Vortex (Pusaran Air) Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini ditemukan oleh insinyur Austria Franz Zotloterer ketikan mencoba untuk menemukan cara untuk menganginkan air tanpa sumber daya eksternal.
Gambar 2.6 Turbin Vortex Sumber : KonzKl.EmmeRossei_110131[1].doc / WWK Energie GmbH Ciri utama turbin reaksi pada semua jenis turbin, baik turbin uap, turbin gas dan turbin air, adalah sebagian dari tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu. Karena fluda masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi masuk, maka untuk daya dan putran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan turbin impuls. 2.6 Klasifikasi Turbin Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang yang didapatkan dan pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. 2.6.1 Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air Pemakaian jenis turbin dibedakan atas ketinggian air jatuh, dimana untuk ketinggian air jatuh tertentu maka berbeda pula jenis turbin yang digunakan. Pada tabel berikut dapat dilihat jenis turbin yang digunakan menurut tinggi air jatuh. Tabel Klasifikasi Turbin air berdasarkan tinggi jatuh air Ketinggian Air Jatuh (m) Tinggi tekan sangat rendah (<2m) Tinggi tekan rendah (<15) Tinggi tekan menengah (16-70) Tinggi tekan tinggi (71-500) Jenis Turbin Turbin Vortex Turbin Baling-baling/Kaplan Turbin Kaplan/Francis Turbin Francis/Pelton
Tinggi tekan sangat tinggi (>500) Turbin Pelton Sumber : M. M. Dhandekar, K. N Sharma, Pembangkit Listrik Tenaga Air hal. 394 2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan 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. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah. Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus : Dimana : n s = n Pt H 5/4 n = Putaran turbin (rpm) n s = Putaran spesifik (rpm)
H = Tinggi effektif (m) Pt = Daya turbin Tabel Klasifikasi berdasarkan putaran spesifik KECEPATAN SPESIFIK (RPM) PENGGERAK Lambat Sedang Cepat Pelton 4 5 16 30 31 70 Francis 60 151-251 150 250 400 Kaplan 300 451 701 450 700 1100 2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida Pada tabel berikut dapat dilihat pemakaian jenis turbin berdasarkan arah alirannya. Tabel Jenis-jenis turbin berdasarkan arah alirannya Jenis Turbin Francis Pelton Kaplan Vortex Arah Aliran Radikal atau gabungan Tangensial Aksial Vertikal 2.7 Turbin Vortex ( Pusaran Air)
Turbin vortex adalah turbin yang mengubah energi kinetik dari vortex (pusaran) menjadi torsi. Vortex atau pusaran sendiri didefenisikan sebagai aliran fluida yang bergerak disepanjang lintasan melengkung atau aliran massa fluida yang bergerak melingkar. Gambar 2.7 Aliran Turbin Vortex Sumber : http://gwwk.ch/about/technology/ Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini ditemukan oleh insinyur Austria Franz Zotloterer ketika mencoba untuk menemukan cara untuk mengalirkan air tanpa sumber daya eksternal. Tanaman pusaran air gravitasi yang dibangun langsung diatas sungai. Tingkat tinggi air minimal 0.7 m dan maksimum 2 m. Turbin pusaran air gravitasi teknologi bersih spesifikasi karena fakta bahwa 97 % dari produksi listrik bebad CO2. Turbin air jenis vortex ini baik bagi lingkungan karena tidak menimbulkan ancaman bagi kehidupan air seperti ikan dan udang, karena merekan dapat melewati hilir rotor dan hulu. Efesiensi pembersihan peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar oksigen yang lebih tinggi dihasilkan dari aerasi rutin air Pada tahun 2003, gravitasi air pembangkit listrik pusaran oleh Austria Insinyur DI Franz Zotlöterer dikembangkan. Paten pertama dikeluarkan pada tahun 2004
pendirian perusahaan Zotlöterer untuk perencanaan dan konstruksi pembangkit listrik pusaran air gravitasi. 2005, sebuah pabrik percontohan pertama 7.5 kw tenaga listrik dan Pembangkit listrik tahunan sekitar 43.000 kwh di Obergrafendorf di Lower Austria didirikan. Pada tahun 2009 pilot plant dengan gravitasi untuk pembangkit listrik pusaran air dioptimalkan Turbin Zotlöterer turbin, dan Generator kuat dilengkapi dimana tenaga listrik untuk bisa meningkat menjadi 10 kw. Diikuti antara tahun 2007 dan 2010 lainnya Air pembangkit listrik pusaran gravitasi di Indonesia, Swiss, Irlandia dan di Austria. 2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan diciptakan melalui perbedaan head rendah di sungai. Cara kerja turbin Vortex : 1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawake tangki sirkulasi. Tangki sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya. 2. Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex. 3. Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energy kinetic rotasi diinti vortex yang selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal. 4. Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar. Gambar 2.8 Rumah Turbin Vortex Sumber : http://www.ceb.cam.ac.uk/pages/ofm-facilities-and-equipment.html
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex Komponen utama pada turbin vortex sama dengan turbin-turbin lain hanya saja turbin vortex lebih mudah dalam pemasangannya dan pemeliharaannya. Turbin ini kuat dan dibangun untuk terakhir, dengan maksimum rak-hidup 50-100 tahun. Beberapa bagian diantaranya sebagai berikut : Rumah (casing), Poros, Sudu (Moving Blades), dan Bantalan (Bearing) 2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex 1. Baik dikembangkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan debit yang cukup besar namun hanya memiliki head yang rendah. 2. Tidak memerlukan sistem kontrol yang sangat rumit seperti turbin lainnya. 3. Tekanan air yang terjadi tidak merusak ekologi, dalam hal ini dampak terhadap kehidupan air (ikan) dan microorganisme lainya tetap terjaga. 4. Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk penggalian pemasangan draft tube. 5. Memiliki efisiensi yang tinggi, dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk debit air yang kecil. 6. Tidak memerlukan jaring- jaring halus sebagai pencegah masuknya puing-puing kedalam turbin, sehingga dapat mengurangi biaya perawatan. 2.7.4 Pengembangan turbin vortek di Air Sungai Pengembangan sungai kita dipengaruhi oleh peradaban modern abad ke-20. Di daerah padat penduduk sebagian besar sungai diatur dengan rapi. Di masa lalu sungai berliku-liku alami. Hari ini sungai lurus dan diatur. Sungai-sungai diatur lebih dalam ke tanah dan pada musim kemarau juga air tanah masuk ke sungai. Dalam hal regulasi mengukur megurangi kapasitas asimilatif alami sungai. Aerasi dan biodegradasi daerah banyak dari sungai alam hilang.
Gambar 2.9 Gravitation Water Vortex Power Plants (GWVPPs) Sumber : http://www.zotloeterer.com/ Dengan turbin vortex yang proses pemurnian air alami juga dapat diaktifkan dalam sungai diatur. Dalam jarak didefinisikan pada turbin sungai dapat ditempatkan untuk menganginkan air. Semakin banyak tanaman air menghasilkan area biodegradasi, yang mengurangi zat berbahaya dalam air sungai. Jadi turbin vortex ekologis lumayan menghasilkan listrik, tanaman air, mikroba dan ikan. Sebaliknya pembangkit listrik tenaga air konvensional tidak memiliki efek positif terhadap sungai. Karena tingkat tekanan air besar melewati turbin tidak ada makhluk air bisa bertahan, tapi turbin vortex adalah sistem hidrolik terbuka tanpa tingkat tekanan air yang tinggi. Gravitasi Vortex Air ( GWV ) dengan tabung udara di tengah memungkinkan bahwa banyak udara dapat diserap oleh air. Turbin vortex adalah modus dasar air mengalir dan menunjukkan proses aerasi alami air di sungai. Untuk alasan ini kualitas ekologi positif tenaga air dengan turbin vortex benarbenar berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air tradisional, yang menghancurkan kehidupan di sungai, karena perbedaan besar tingkat tekanan air di sekitar turbin hidro konvensional. Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita, bahwa sungai-sungai diatur dan pembangkit listrik tenaga air tradisional bertanggung jawab untuk degenerasi mikroba
dan ikan - ikan di sungai kita, karena itu turbin vortex merupakan modul penting di dunia modern kita. 2.7.5 Pengaruh Turbin Vortex pada lingkungan Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Adapun pengaruh positif yaitu : 1. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. 2. Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun. 3. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar. Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya: suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan secara agresif menghancurkan jalan hidupnya. Berbeda dengan turbin vortex (pusaran air), bukan saja didorong oleh teknologi sederhana dan dapat diandalkan. Turbin vortex adalah teknologi bersih karena fakta bahwa 97% dari produk listrik bebas CO 2, dan turbin vortex juga baik bagi lingkungan air. Kontruksi turbin vortex mengembalikan badan air (misalnya sungai) dimana turbin dibangun dan kecepatan aliran maksimum 1,5-1,8 m/s, maka turbin tidak menimbulkan ancaman bagi populasi ikan. Karena ikan mampu melawati hilir rotor dan hulu (lihat gambar 2.8). Keuntungan selanjutnya adalah efesiensi pembersih peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar oksigen yang lebih tinggi dihasilkan dari aerasi rutin air.
Gambar 2.10 Gravitasi Air Pembangkit Listrik Pusaran Sebagai Bio-reaktor Sumber : http://www.zotloeterer.com/ 2.8 Aliran vortex vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris. Gerakan vortex berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antara lapisan fluida yang berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida yang diakibatkan oleh parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai pusaran yang merupakan efek dari putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh didalamnya.
Gambar 2.11 Aliran Vortex www.fhnw.ch/technik Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: 1. Translasi murni atau translasi irrotasional 2. Rotasi murni atau translasi rotasional 3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier Aliran irrotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaliknya aliran rotasional terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak vortex dapat dikategorikan sebagai dalam aliran rotasional. Vortex digambarkan sebagai aliran yang bergerak dan berputar terhadap sumbu vertical sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu : 2.8.1 Aliran vortex Bebas Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini: V = τ 2πr
Dimana: V = kecepatan tangensial fluida (m s - 1) r τ = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m) = sirkulasi 2.8.2 Aliran Vortex Paksa Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaanberikut: V = r. ω Dimana: ω = kecepatan sudut r = jari-jari putaran (m) 2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti pusatnya dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut: V θ = ωr r r 0 V θ = K r r < r 0 Dimana : K dan ω = konstanta r o = jari-jari inti pusat
Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan vortex adalah sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis dari komponen tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang terendam dalam fluida yang bergerak. Gambar 2.12 Tipe-tipe Vortex Sumber : http://yusufrandabunga.wordpress.com/2012/04/29/turbin-vortex/ Tipe vortex 1 merupakan awal aliran air berputar di permukaan. Tipe 2 putaran air mulai menunjukkan adanya cekungan kedalam di bagian tengah pusaran. Tipe 3 pusaran air mulai membentuk kolom udara (vortex) yang bergerak menuju oulet. Tipe 4 kekuatan vortex mampu menarik material apung masuk ke dalam pusaran. Tipe 5 adalah vortex dimana gelembung-gelembung udara pecah di ujung pusat pusaran yang masuk konstruksi silinder. Tipe 6 vortex dengan lubang udara penuh menuju outlet. 2.9 Penampang Air Penampang merupakan saluran yang digunakan mengalirkan air dari reservoar atas menuju turbin. Panjang Penampang air adalah : L total = L 1 + L 2 + L 3 2.10 Lubang masuk (Inlet area) Ada beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area), yaitu : lubang masuk tipe involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll. Berbagai tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja dari turbin. Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe
involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi disekitar dinding lubang masuk dan daerah antara lubang masuk. Gambar 2.13 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area) Sumber : http://yusufrandabunga.wordpress.com/2012/04/29/inlet-area / 2.11 Pipa Lepas Pipa lepas adalah saluran penghubung antara sisi keluar turbin dengan muka air bawah. Umumnya pipa lepas satu meter dimuka air bawah. Dengan demikian head antara air keluar roda jalan dan muka air bawah dapat dimanfaatkan. Fungsi utama pipa lepas adalah : 1. Memanfaatkan tinggi air jatuh antara sisi keluar turbin dengan muka air bawah. Air yang jatuh bebas dari sisi keluar turbin menimbulkan kehampaan dalam pipa lepas. Kehampaan ini terjadi akibat kecepatan air yang keluar dari roda turbin sangat tinggi sehingga terjadi tarikan air setinggi jarak antara sisi keluar turbin dan muka air bawah, ini berlaku untuk rumah turbin yang beradah lebih tinggi dari muka air bawah 2. Mengurangi kerugian energi kinetik. Umumnya kecaepatan air keluar roda jalan masih dalam kecepatan tinggi. Dengan menggunakan pipa lepas yang mempumyai penampangan yang semakin besar kearah keluar, maka kecepatan air dapat diperkecil sehingga energi kinetik dapat dikurangi. Dengan menggunakan pipa lepas ini effisiensi turbin dapat bertambah. 3. Turbin dapat dipasang diatas muka air bawah sehingga turbin dapat diperiksa dan dikontrol.
2.12 Kavitasi Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap didalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di tempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Gelembung tersebut akan terbawa arus. apabila gelembung tersebut kemudian sampai disuatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uapnya, maka gelembung tersebut akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan lubanglubang kikisan pada permukaan atau bagian turbin, misalnya pada permukaan sudusudu, rumah turbin dan dinding bagian atas isap, kavitasi yang berlebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi turbin yang bersangkutan, oleh karena itu diusahakan agar tidak terjadi kavitasi.kavitasi dapat dicegah atau dikurangi dengan jalan antara lain : 1. Memperkecil jarak vertikal antara roda turbin dan permukaan air bawah (memperkecil tinggi isap), dalam hal ini diusahakan tekanan air tidak lebih rendah dari tekanan uapnya. 2. Memperkecil konstruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat belokan-belokan atau bentuk-bentuk yang tajam 3. Menggunakan material yang kuat terutama untuk bagian-bagian di mana diperkirakan dapat terjadi kavitasi.