BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air. Namun, secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak. 2.1.1 Prinsip Kerja Prinsip dasar mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik. Sebuah skema mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan.hal ini adalah sebuah sistem konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) ke dalam bentuk energi mekanik dan energi listrik. Daya yang masuk (Pgross) merupakan penjumlahan dari daya yang dihasilkan (Pnet) ditambah dengan faktor kehilangan energi (loss) dalam bentuk suara atau panas. Daya yang dihasilkan merupakan perkalian dari daya yang masuk dikalikan dengan efisiensi konversi (Eo). Pnet = Pgross Eo kw pers 2.1 Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikalikan dengan sebuah faktor gravitasi (g = 9.8), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah : Pnet = g Hgross Q Eo kw pers 2.2 Dimana head dalam meter (m), dan debit air dalam meter kubik per detik (m/s 3 ). 4
5 2.2 Turbin Air Turbin air atau pada mulanya kincir air adalah suatu alat yang sudah sejak lama digunakan untuk keperluan 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. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. 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). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air). Dalam Perkembanganya turbin air mengalami beberapa perubahan sebagai berikut: 1. Arah Arus air lewat sudu berubah dari tangensial (Pelton) menjadi radial (Francis) lalu mengalami perubahan lagi menjadi aksial (Turbin Kaplan) 2. Cincin Bawah (Pada Turbin Francis) makin lama menghilang (menjadi turbin Propplere) 3. Jumlah Sudu makin Berkurang (Turbin Pelton : Banyak Sudu menjadi Turbin Francis lalu Propeller dengan jumlah sudu 2 s.d 3 buah sudu. 2.3 Jenis Jenis Turbin Air Pada prinsipnya aliran air yang menuju turbin diarahkan langsung menuju sudusudu melalui pengarah, sehingga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya yang dihasilkan bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin.turbin air dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.
6 2.3.1 Turbin reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin yang prinsip kerjanya dilakukan dengan merubah seluruh energi air menjadi energi puntir.turbin reaksi digerakkan dengan air, akan merubah tekanan sehingga melewati turbin danmenaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air.hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Beberapa contoh turbin reaksi diantaranya : Francis Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo Tyson Kincir air 2.3.2 Turbin Impuls Turbin impuls merupakan turbin yang merubah aliran semburan air. Semburan air akan membentuk sudut yang membuat aliran putaran pada turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Turbin impuls ini paling sering digunakan pada aplikasi turbin dengan tekanan yang sangat tinggi. Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls.beberapa contoh dari turbin impuls adalah : Pelton Turgo Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger). Tabel 2.1 Perbandingan Impuls dan Reaksi Jenis Turbin Keunggulan Kelemahan Turbin Impulse Efisien pada head tingi Tidak terpengaruh oleh pengotor air Tidak optimal pada head yang rendah Turbin Reaksi Hasil lebih besar Efisiean pada head rendah Perawatan susah dan mahal
7 2.3.3 Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik (n s ), 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 tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. (Luktanto, 1999). n = rpm P pers 2.3 ns n 5/ 4 H P / Ns 5/ 4 gh Ω = kecepatan sudut (radian/detik) pers 2.4 Kecepatan spesifik merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagianbagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Hukum Affinity mengijinkan 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. Hukum Affinity didapatkan dari penurunan yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya. 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 menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.
8 2.4 Turbin Pelton Turbin ini merupakan jenis impuls karena energi potensial air mengalir melalui penstock diubah menjadi energi kinetik melalui sebuah jet air. Turbin jenis ini juga disebut turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar dari nosel, tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer. Bentuk sudu terbelah menjadi dua bagian yang simetris, dengan maksud adalah agar dapat membalikan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian jarum katup air tekanan tinggi bagaian saja scara bergantian bergantung posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya bergantung kepada besarnya kapasitas air, tiap roda turbin dapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6.Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Gambar 2.1 Runner Turbin Pelton Gambar 2.2 Bucket Turbin Pelton
9 2.4.1 Tipe Turbin Pelton Turbin poros horizontal, Turbin ini digunakan untuk head terkecil hingga menengah makin banyak nozel yang digunakan makin tinggi pula kecepatan turbin, Sedangkan makin cepat putaran turbin makin murah juga harga generatornya. Untuk dapat menghasilkan daya yang sama 1 grup turbin dengan 2 roda akan lebih murah dibanding dengan 2 buah turbin dengan masing masing roda. Gambar 2.3 Tipe Poros Horizontal Tipe turbin pelton poros vertikal, dengan bertambahnya daya yang harus dihasilkan turbin, maka untuk turbin pelton dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nozel, sedangkan penggunaan 1 atau 2 buah pipa saluran utama tergantung pada keadaan tempat dan keterbatasan biaya. Gambar 2.4 Tipe poros Vertikal
10 2.4.1 Nozel Dalam Turbin Pelton, Nosel merupakan hal penting dalam proses kerjanya, karena nozel mempunya prinsip utama dalam meningkatkan daya turbin karena turbin pelton memperoleh daya hidrolis dari pancaran air dari nozel tersebut, Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya semakin banyak nozel akan dapat meingkatkan daya yang dihasilkan turbin tersebut.suatu nozel mempunyai ukuran tertentu (diameter). Dalam hal ini diameter nozel sangat berpengaruh pada konstruksi turbin pelton itu sendiri secara umum rumus nozel adalah sebagai berikut d = 0.54 pers 2.5 Dimana : d = Diameter Nozel (mm) Q = debit air (m3/detik ) H = efektif head ( m ) Gambar 2.5 Nozzle dan Bucket 2.5 Parameter Perhitungan Parameter Perhitungan adalah besaran yang digunakan untuk mengetahui performansi turbin. Berikut adalah parameter-parameter yang digunakan untuk mengetahui performansi turbin. 1. Debit Air Debit air adalah jumlah air yang mengalir dari suatu penampang tertentu (sungai, saluran, mata air) persatuan waktu (ltr/dtk, m 3 /dtk, dm 3 /dtk). Debit air dapat diketahui dengan persamaan : Q = v x A pers.2,6
11 Dimana : Q = debit air (m3/detik ) v = Kecepatan air (m/s) A = Luas Penampang (A = πr ) (m ) 2. Kecepatan Air Kecepatan air adalah perpindahan molekul air per satuan waktu, untuk menentukan kecepatan air dapat menggunakan beberapa persamaan sebagai berikut : v =....pers 2.7 3. Head atau v = 2 g H..pers 2.8 Head Total dibutuhkan untuk mengalirkan air pada pipa, Head total pompa dapat diketahui dengan menggunakan persamaan : H = Z + + + Hloss..pers 2.9 Dimana untuk mengetahui Head total dibutuhkan beberapa parameter seperti pada persamaan diatas diantaranya adalah Head Statis Head statis adalah penjumlahan dari head elevasi dengan head tekanan. Head statis terdiri dari head statis sisi masuk (head statis hisap) dan sisi ke luar (head statis hisap). Persamaanya adalah sebagai berikut : H = Z2 + Z1 +..pers 2.10
12 Dimana : Z1 Z2 = Beda tinggi permukaan ( m ) p = Tekanan g = gravitasi ( m / s ) ρ = massa jenis air (kg/m ) Head Kerugian (Loss) Head kerugian yaitu head untuk mengatasi kerugian kerugian yang terdiri dari kerugian gesek aliran di dalam perpipaan, dan head kerugian di dalam belokan-belokan (elbow), percabangan, dan perkatupan (valve) h loss = Hgesekan + Hsambungan Head kerugian gesek di dalam pipa [Hgesekan ] Aliran fluida cair yang mengalir di dalam pipa adalah fluida viskos sehingga faktor gesekan fluida dengan dinding pipa tidak dapat diabaikan, untuk menghitung kerugian gesek dapat menggunakan perumusan sebagai berikut : hf = γ..pers 2.11 Dimana: v = kecapatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s) C,p,q = Koefesien koefesien λ = Koefesien kerugian gesek g = Percepatan gravitasi (m/s2) L = Panjang pipa (m) D = Diameter dalam pipa (m) Kerugian head dalam jalur pipa [Hsambungan] Kerugian head jenis ini terjadi karena aliran fluida mengalami gangguan aliran sehingga mengurangi energi alirnya, secara umum rumus kerugian head ini adalah: Hf = f...pers 2.12
13 4. Daya Hidrolik Daya Hidrolik adalah Daya/kemampuan air yang mengalir pada penstock atau sungai yang mampu menggerakan turbin. Untuk menentukan daya masukan/hidrolik ditentukan dengan persamaan sebagai berikut. Ph = ρ x g x H x Q..pers 2.13 Dimana : P = Daya Hidrolik (watt) Q = debit air, (m3/detik ) H = head total, ( m ) g = Gravitasi ( m / s ) ρ = massa jenis air (N/m ) 5. Kecepatan Keliling Kecepatan keliling merupakan kecepatan putaran suatu roda yang dicapai dalam satuan meter per detik. Untuk menentukan kecepatan keliling turbin digunakan persamaan sebagai berikut: U = ϕ 2 g H..pers 2.14 ϕ = 0,43 sampai dengan 0,48 (Finnemore dan Franzini,2006). Dimana : U = Kecepatan Keliling (m/s) 6. Kecepatan Sudut Selain kecepatan keliling, Untuk menghitung daya turbin perlu diketahui kecepatan sudut yang dihasilkan oleh turbin, ω adalah sudut suatu objek berputar dimana 1 rad = 1 Phi = 180' = 180'/360' putaran = 1/2 putaran = 1/2 rotasi Dapat ditentukan dengan persamaan berikut. ω =..pers 2.15
14 7. Torsi Konsep torsi dalam fisika, juga disebut momen, diawali dari kerja Archimedes. Analogi rotational dari gaya, masa, dan percepatan adalah torsi, momen inersia dan percepatan. Gaya yang bekerja dikalikan dengan jarak dari titik tengah roda, adalah torsi. Torsi bisa diketahui dengan persamaan sebagai berikut. T = r x F..pers 2.16 Dimana : r = jari jari roda F = vektor gaya 8. Daya Turbin Daya turbin dapat diketahui dengan persamaan : Pt = T x ω..pers 2.17 Dimana : T = Torsi (Nm) ω = kecepatan sudut (rad/s) Pt = Daya Turbin (watt) 9. Effisiensi Efisiensi adalah perbandingan antar input dan output, untuk Pembangkit listrik tenaga air daya hidrolik adalah daya input dan daya turbin adalah daya turbin. Untuk mneghitung efisensi dapat digunakan dengan persamaan sebagai berikut. Ƞ = x 100 %..pers 2.18 Dimana : Ƞ = Efisiensi (%) Ph = Daya Hidrolik (watt) Pt = Daya Turbin (watt)