BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan-

peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik

mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai

sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk

menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakan

oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvesnsionalnya pada

zaman dahulu air juga dimanfaat untuk pemnagkit tenaga listrik yaitu utuk

meggerakan generator pembangkit digunakan sebuah kincir air, tetapi sekarang

ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlan turbin air. Dalam suatu sistim

PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin

air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini

diubah menjadi energi listrik oleh generator.

B. Tujuan

Dalam makalah ini dijelaskan tentang turbin air yang bersekala kecil

yang biasanya digunakan oleh pembangkit listrik yang berskala kecil atau daerah.

Tujuan dari pembuatan makalah ini diantarana untuk mengemukakan beberapa

paparan tentang turbin air yang berskala kecil dan ditujukan kepada pembaca yag

ingin mengetahui apakan turbin air itu ?

1

BAB II

ISI

Turbin Air Skala Kecil (Turbin Piko Crossflow)

A. Pengertian

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja

turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Turbin air

dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk

jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini

dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.

B. Macam Turbin Air

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling

utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air

menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua

yaitu

1. Turbin impuls

2. Turbin reaksi.

1. Turbin Impuls

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya

dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy potensial + tekanan +

kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk memutar turbin, sehingga

menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.

2

2. Turbin Reaksi

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya

dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air

reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1) Francis, contoh: turbin Francis dan

2) Propeller:

a. Sudut tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari

jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika

digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis

dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran

debitnya lebar.

b. Sudut dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody

C. Karakteristik Turbin

Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut

homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai

karakteristik sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam

buah konstanta yaitu:

1) Rasio Kecepatan (Φ)

2) Kecepatan Satuan (Nu)

3) Debit Satuan (Qu)

4) Daya Satuan (Pu)

5) Kecepatan Spesifik (Ns)

6) Diameter Spesifik (Ds)

3

1. Rasio Kecepatan

Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin

pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat

dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun(Hnetto) yang bekerja pada turbin.

Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter

karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi

terjun netto/effektif (m).

2. Kecepatan satuan

Kecepatan Satuan ( N ) adalah kecepatan putar turbin yang U mempunyai

diameter ( D ) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( H ) satu satuan

panjang. Netto Dari Pers.(1.1) diperoleh korelasi

dengan memasukan nilaiD= 1 m danH= 1 m, maka Pers.(1.2) menjadi:

Akhirnya persamaan diatas ditulis sebagai

4

3. Debit Satuan

Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit

yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H ) yang

bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang netto melalui turbin dapat

dinyatakan sebagai

Dengan C adalah koefisien debit. d Debit Satuan ( Q ) adalah debit turbin

yang mempunyai diameter ( D) U satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi

terjun ( H ) satu satuan netto panjang. (1.6) Akhirnya Pers.(1.5) dapat ditulis

sebagai:

Akrirnya pers diatas ditulis sebagai :

4. Daya satuan

Daya (P) yang dihasikan oleh turbin dapat dirumuskan:

5

dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu)

adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja

pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan netto panjang

maka persamaan diatas dapat ditulis:

5. Kecepatan Spesifik

Dari persamaan di atas maka dapat ditarik/menghasilkan korelasi :

Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang S menghasilkan daya

sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H netto ) satu satuan panjang.

Kecepatan Spesifik ( Ns ) dapat dinyatakan dalam sistim metric S maupun sistim

Inggris, korelasi dari kedua sistim tersebut dinyatakan dalam

Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda (DK)

atau horse-power (HP)

6. Diameter Spesifik

Dari persamaan diatas ditarik korelasi

6

Diameter Spesifik (D) adalah diameter turbin yang menghasilkan S daya sebesar

satu satuan daya pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang

Dari persaman diatas dapat ditulis sebagai :

Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dari diameter1 debit

(discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:

Gambaran ,

7

Turbin piko merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat

semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh

aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat

menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan PLN

dapat ikut menikmati manfaat energi listrik, seperti contoh pada gambar dibawah ;

(Gambar turbin piko crossflow 100mm(TC100))

Hasil percobaan dengan mengkombinasikan turbin piko dengan motor dari bekas

mesin cuci yang saat ini tersedia cukup banyak (hasil recycle), target yang dituju adalah

turbin yang lebih ringkas, relatif murah dan aman (arus DC), seperti contoh pada gambar

disamping ;

(Gambar turbin piko crossflow

dengan mengaplikasi motor dari

mesin cuci)

(Lokasi pemasangan sudah

tersedia.. turbin pun telah selesai

dipabrikasi.. tinggal memasangnya dan membuat jaringan ke masyarakat desa. Hal ini

8

tentu membutuhkan dana lebih banyak lagi, dengan adanya ini semoga dapat bermanfaat

demi Indonesia bebas krisis energi, dan juga mengedepankan energi terbarukan.

B. Pengukuran Head

Pengukuran dilakukan dengan membentangkan meteran dari permukaan air terjun

yang paling atas hingga permukaan jatuhan air paling bawah sehingga didapatkan

panjang sisi miring, untuk sudut kami melakukan foto tegak lurus ke arah perpotongan

meteran dan tali yang digantung batu yang selanjutnya diolah dengan menggunakan

software drawing, seperti coth pada gambar dibawah ;

C. Pengukuran Debit

Pengukuran debit dilakukan dengan cara yang sederhana pula yaitu dengan

mengukur kecepatan benda di aliran air sepanjang 6 meter, dalam hal ini kami

menggunakan bunga liar (terimakasih kepada bunga-bunga yang sudah berkorban). Dari

beberapa test kami dapatkan rata-rata 7 detik dibutuhkan bunga liar untuk mencapai 6

meter atau sekitar 0,86 m/dt, penampang selokan memiliki lebar 30 cm dan kedalaman

9

air 6 cm sehingga diperoleh luas penampang air 0,018 m2. Debit kami dapatkan  dengan

memformulasikan kecepatan aliran air dikalikan luas penampang selokan

Q = v x a

Q = 0.86m/dt x 0.018m2 = 0,0154m3/dt ~ 15 l/dt

Analisa optimis kami untuk daya yang terbangkitkan:

P = H x Q x g x 50%

= 15m x 15l/dt x 9,8m/dt2 x 0,5

= 1102,5 watt

Dari energi yang terbangkitkan berharap dapat menerangi sekitar 20 rumah masing-

masing 50 watt.

D. Bahan

Bahan yang dipergunakan dalam turbin air skala kecil sangat mudaha di dapat dan

tentunya dari segi biaya juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat

tubin piko crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air

menjadi energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.

10

E. Konstruksi

1. Turbin

Turbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowongan-

terowongan daya. Ada berbagai macam tipe turbin yang bisa dikategorikan

menjadi beberapa cara. Pilihan turbin utamanya akan tergantung pada tekanan

head yang ada dan pada aliran desain untuk pemasangan pembangkit listrik

tenaga air yang diajukan. Seperti yang ditunjukkan pada berikut, turbin dibagi

menjadi tiga kelompok; head tinggi, sedang, dan rendah, dan menjadi dua

kategori: impuls dan reaksi. Perbedaan antara impuls dan reaksi bisa dijelaskan

dengan menyatakan bahwa turbin impuls mengubah energi kinetik semburan air

menjadi gerakan yang mengenai ember atau bilah turbin.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,

dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW.

Turbin

Prinsip

Runner

Tekanan Head

Tinggi Sedang Rendah

ImpulsPelton Turgo

Crossflow

TurgoCrossflow

Pelton Multi Jet Pelton Muti Jet

Reaksi

Francis Pump-as-

turbin

(PAT)

Propeller

Kaplan

Tabel 2. Gambaran berbagai macam turbin.

Jenis-jenis turbin yang biasa digunakan pada turbin air skala kecil adalah

Cross-Flow, Propeller, Pelton dan PAT (Pump as Turbine). Pemilihan turbin

disesuaikan dengan besarnya head dan kecepatan aliran air (debit air), seperti

11

yang terdapat pada grafik di atas. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kinerja

turbin (kapasitas) dan hasil keluarannya.

2. Turbin Kaplan & Propeller

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin

ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya

mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 1.11. Turbin Kaplan

1. Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

12

Gambar 1.9. Turbin Crossflow

Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 1.10. Turbin Crossflow

13

2. Transmisi Mekanik

Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling

pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan

pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil.Turbin

Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya

digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki bilah runner yang

bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu yang bisa

disesuaikan. Jika bilah dan baling-baling pemandu bisa disesuaikan maka turbin

ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya

adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling

yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara

praktis tetap konstan.

Turbin Kaplan pengaturan ganda, seperti yang digambarkan adalah mesin

dengan sumbu vertikal yang memiliki tempat berupa gulungan dan konfigurasi

pintu kecil berbentuk lingkaran. Aliran memasuki bagian lingkaran secara

memutar dan membelok pada sudut yang tepat sebelum memasuki runner pada

arah aksial. Sistem kontrolnya dirancang sedemikian rupa sehingga variasi pada

sudut bilah digabungkan dengan pengaturan balingbaling pemandu untuk

mendapatkan efisiensi yang terbaik pada berbagai macam aliran. Bilahbilah ini

bisa memutar bersama turbin saat beroperasi, yaitu melalui sambungan yang

terhubung pada tangkai vertikal yang berada di dalam lubang sumbu turbin. Unit

bola diperoleh dari turbin Kaplan, dengan generator yang berada di dalam bola

tahan air yang terendam di dalam aliran.

3. Generator

Generator mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Tergantung

pada karakteristik jaringan yang dipasok, produsen bisa memilih antara:

Generator sinkronus yang dilengkapi dengan sistem eksitasi DC (rotasi atau

14

statis) yang terkait dengan regulator tegangan, untuk memberikan tegangan,

frekuensi dan control sudut fase sebelum generator disambungkan ke jaringan dan

memasok energi reaktif yang diperlukan oleh sistem tenaga ketika generator telah

disambungkan ke jaringan. Generator ansinkronus adalah motor induksi

sederhana yang tidak menggunakan pengaturan voltase dan berjalan pada

kecepatan yang secara langsung terkait dengan frekuensi sistem. Mereka menarik

arus eksitasinya dari jaringan, sehingga menyerap energi reaktif dari

magnetismenya sendiri. Efisiensi generator ansinkronus adalah 2 sampai 4 per sen

di bawah efisiensi generator sinkronus selama seluruh kisaran operasi. Secara

umum, ketika daya melebihi 5000 kVA maka generator sinkronus perlu dipasang.

Tegangan kerja dari generator bervariasi sesuai dengan dayanya. Tegangan

pembangkitan standard adalah 380 V atau 430 V sampai dengan 1400 kVA dan

6000/6600 untuk pembangkit yang lebih besar. Pembangkitan pada tegangan 380

V atau 430 V memungkinkan penggunaan transformer distribusi strandard

sebagai transformer saluran keluar dan penggunaan arus buatan untuk memasok

ke dalam sistem daya pembangkit.

4. Sistem Kontrol dan Proteksi

Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan menggunakan

pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan

beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan

dialihkan ke sistem pemanas udara (Air Heater Ballast Load) atau (Water Heater

Ballast Load) yang dikenal sebagai ballast load (Elektronik Load Controller) atau

dumy load.

5. Transmisi Distribusi

System transmisi daya yang dihasilkan terdiri dari beberapa komponen

utama, antara lain trave step-up kelas menengah, tiang, kabel, dll. Jaringan

distribusi merupakan pendistribusian daya ke rumah-rumah atau konsumen yang

dilengkapi dengan sebuah KWh meter, instalasi rumah, dll.

15

F. Biaya

Turbin air skala kecil sangat mudah di dapat dan tentunya dari segi biaya

juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat tubin piko

crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air menjadi

energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.

Turbin piko yang merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat

semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh

seluruh aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan

untuk dapat menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh

dari jaringan PLN dapat ikut menikmati manfaat energi listrik.

16

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

Turbin air yang merupakan perkembangan dari kincir air, merupakan turbin

yang teknologinya termasuk paling sederhana, dibandingkan dengan turbin gas maupun

turbin uap. Kelebihan lain yang dimilikinya adalah sumber energi yang dimanfaatkan

adalah energi alternative yang terbaharui, dan tersedia di alam dan dapat dimanfaatkan

secara langsung. Dari beberapa kelebihan yang dimilikinya, turbin air sangat ideal

digunakan sebagai pusat pem-bangkit tenaga dari kapasitas kecil sampai besar, apabila

tersedia sumber energi airnya. Dengan syarat bahwa tidak terjadi perusakan lingkungan

yang berakibat kepada habisnya sumber energi air tersebut.

17

Daftar Pustaka

Wibowo Paryatmo, TURBIN AIR, Graha ilmu, Jakarta. 2007

Djoko Luknanto, Bangunan Tenaga Air. Materi Diklat

Emil Mosonyi, Akadémiai Kiadó, Budapest, Water Power Development, Volume One,

Low–Head Power Plants hal. 655

Marthen Sattu Sambo, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine

Sumber: http://home.carolina.rr.com/microhydro

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

18