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. 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)

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

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:

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

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 ,

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 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 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.

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 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.

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

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 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.

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.