PENDAHULUAN PENINGKATAN EFISIENSI TURBIN DENGAN PEMBAHARUAN DESAIN TURBIN BANKI UNTUK MIKRO HIDRO DI DAERAH TROPIS.

SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015 Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1349 sumber energi baru dan terbarukan sebagai pengganti. Belakangan ini sumber energi terbarukanAgar and Rasi, 2008 mulai banyak dikembangkan oleh para peneliti dunia di berbagai negara. Renewable energy yang dikembangkan diantaranya bersumber dari energi angin, surya, biomassa, air, panas bumi dan arus laut. Masing-masing sumber energi baru dan terbarukan masih memiliki kelemahan terutama masalah keberlanjutan pasokan bila dibandingkan dengan energi minyak selama ini. Survei lokasi dari beberapa tempat menunjukkan bahwa, masing-masing lokasi memiliki karakteristik dan data lapangan yang berbeda-beda. Artinya setiap lokasi yang potensial dibangun mikro hidro harus dirancang secara khususJasa et al., 2011. Sehingga mikro hidro tidak bisa diproduksi secara masal dan dipasang dibanyak tempat dengan desain parameter yang sama. Berdasarkan latar belakang ini, ingin dikembangkan model turbin mikro hidro yang dapat bekerja optimal di setiap lokasi. Masing-masing lokasi terkadang memiliki debit air yang besar, namun ketinggiannya rendah atau sebaliknya memiliki ketinggian yang tinggi namun debit airnya kecilMuller, 1899. Selama ini belum pernah ditemukan lokasi yang ideal untuk dibangun pembangkit mikro hidro secara langsung, tanpa melakukan desain khusus turbin yang akan digunakanJasa et al., 2012. Melalui penelitian ini ingin ditemukan parameter desain turbin sudu segitiga dan cross flow yang tepat, untuk dapat meningkatkan efisiensi dari sebuah mikro hidro. Parameter ditemukan dengan melakukan proses pelacakan parameter turbin seperti: sudut sudu, posisi sudu, kelengkungan sudu, volume sudu, bentuk sudu, sudut nozzle dan posisi nozzle. Dengan meningkatnya efisiensi turbin, maka efisiensi sistem secara keseluruhan akan meningkat pula. Parameter input masukan dari turbin berupa ketinggian H, debit air Q, kecepatan aliran air V 1 , sedangkan parameter desain yang mungkin diubah-ubah adalah lebar turbin W, diameter turbin D 1 , sudut kelengkungan sudu β 1 , sudut nozzle α N dan jumlah sudu N. Semua parameter tersebut digunakan untuk menentukan besarnya efisiensi yang dihasilkan dari turbin mikro hidro. Penelitian yang dilakukan oleh SakuraiSakurai et al., 2009, adalah melakukan ujicoba terhadap purwarupa model turbin air dalam skala laboratorium. Metode yang dilakukan oleh Sakurai tersebut, memungkinkan proses penelitian dilakukan di laboratorium tanpa harus di lokasi. Penelitian pada disertasi ini dilakukan dengan mengadopsi metode yang dilakukan oleh Sakurai dengan cara membuat model purwarupa dari model turbin mikro hidro. Data pengukuran dari purwarupa dapat diambil dengan cara mengubah-ubah posisi nozzle, arah sudut nozzle, bentuk sudu dan kelengkungan sudu. Selanjutnya data hasil pengukuran dianalisis untuk menemukan model turbin yang optimal. Penelitian dilakukan dengan membedakan parameter seperti: bentuk sudu, volume sudu, dan kelengkungan sudu, selanjutnya data hasil pengukuran dianalisis dan diambil kesimpulan. Parameter dari turbin mikro hidro yang mempengaruhi besarnya efisiensi adalah diameter turbin D 1 , lebar turbin W, jumlah sudu N, sudut kelengkungan sudu β 1 , sudut nozzle α N dan sudut posisi nozzle θ N . Dalam hal ini parameter masukan berupa debit air Q, kecepatan aliran air V 1 , ketinggian H. Adapun permasalahannya adalah : 1. Menemukan parameter turbin sudu segitiga yang optimal agar mendapatkan volume air yang maksimal. Semakin besar volume air yang dapat tertahan pada sudu turbin, semakin besar torsi yang dihasilkan. 2. Menemukan parameter sudut posisi θ N dan sudut nozzle α N untuk turbin sudu segitiga yang menentukan nilai efisiensi maksimal yang dihasilkan turbin, termasuk menemukan distribusi air pada masing-masing sudu. 3. Menemukan parameter sudut serang α 1 , sudut kelengkungan sudu β 1 , dan sudut nozzle α N turbin cross flow untuk menghasilkan desain turbin yang efisien dari suatu lokasi. Parameter masukan berupa ketinggian H, kecepatan aliran air V 1 dan debit air Q. Sudut serang α 1 dan sudut kelengkungan sudu β 1 digunakan sebagai dasar untuk mendesain turbin cross flow yang optimal.

2. KAJIAN PUSTAKA MIKRO HIDRO

2.1. Pemilihan Jenis turbin

Mikro hidro biasanya dibangun pada daerah yang memiliki potensi pembangkit energi listrik dalam kapasitas kecil lebih kecil dari 10 kW. Dalam pemilihan jenis turbin yang digunakan untuk pembangkit SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015 1350 | Kuta, 29-30 Oktober 2015 mikro hidro seperti tampak pada Gambar 1, untuk kapasitas lebih kecil dari 10 kW maka turbin yang dapat dipilih diantaranya turbin jenis overshot wheel, undershot wheel, archimedes screw, kaplan atau propeller dan cross flow. Hal ini ditentukan oleh potensi dari lokasi yang direncanakan air dengan debit air Q yang berkisar antara 1-10m 3 s dengan ketinggian H berkisar 1 - 30m. Dalam penelitian ini model turbin yang didesain adalah model overshot wheel dan cross flow. Pertimbangannya karena mikro hidro tidak membutuhkan debit air yang besar, jarang ada lokasi yang memiliki ketinggian H yang tinggi dan untuk mengurangi biaya investasi. Pertimbangannya akan sangat berbeda bila dibandingkan dengan perencanaan sebuah pembangunan PLTA dengan bendungan yang besar dan ketinggian yang dapat disesuaikan. Sebuah pembangkit listrik mikro hidro lokasinya cenderung tersebar pada daerah pengunungan yang memiliki beda ketinggian. Air yang mengalir diantara celah-celah bukit mulai dari hulu debitnya kecil, semakin kebawah makin besar setelah melalui penggabungan dari beberapa celah lereng bukit. Konsep dari aliran air ini mengalir sepanjang waktu, tidak ada genangan yang menampung air dalam volume yang besar. Sehingga turbin yang dirancang adalah memiliki ketinggian dibawah 10 m dan kapasitas daya lebih kecil dari 5kW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 berwarna merah. Gambar 1. Aplikasi pemilihan jenis turbinPaish, 2002,Williamson et al., 2014

2.2 Parameter Disain Turbin Sudu Segitiga

Turbin sudu segitiga adalah turbin air yang memiliki sudu-sudu berbentuk segitiga yang dipasang pada bagian tepi dari piringan rodaJasa et al., 2012. Air yang mengalir melalui pipa pesat penstock akan mengisi sudu-sudu yang menyebabkan turbin berputar searah jarum jam seperti terlihat pada Gambar 2. Jari-jari luar turbin r 1 , sedangkan jari-jari dalam r 2 , sedangkan selisih jari-jari r 1 dan r 2 adalah a. Dalam hal ini a adalah panjang sisi miring dari sudu segitiga. Sedangkan t adalah jarak atara sudu yang diukur pada tepi lingkaran luar. Dimana jarak antar sudu dapat dihitung dari keliling lingkaran luar roda dibagi dengan jumlah sudu N maka : 1 Dimana t adalah jarak antar sudu, r 1 jari-jari lingkaran luar dan N adalah jumlah sudu. Pada Gambar 2 adalah contoh turbin dengan sudu berbentuk segitiga yang ada pada mikro hidro di dusun Gambuk Pupuan Tabanan.