Energi Terbarukan Fakultas Program Studi
MODUL PERKULIAHAN
Energi
Terbarukan
Rancangan Dasar Pembangkit
Tenaga Turbin Air Sederhana
Fakultas
Program Studi
Teknik
Teknik Mesin
Tatap Muka
04
Kode MK
Disusun Oleh
W131700011
Dr. Ir. Ignatius Agung Wibowo M.Sc.
Abstract
Kompetensi
Perancangan pembangkit tenaga turbin
air sederhana dilakukan dalam berbagai
tahap dan perancangan dilakukan
untuk setiap komponen sistem.
Setelah memahami materi yang
disajikan pada modul ini anda
diharapkan mampu mengoptimasi
rancangan dasar pembangkit tenaga
turbin air sederhana.
4.1. Pendahuluan
Pembangkit listrik jenis mikro hidro adalah PLTA yang biasanya memproduksi hingga 100
kW listrik menggunakan aliran air alami (run-of-river), atau skema pengalihan air.
Gambar 4.1. Pembangkit listrik mikro hidro
Sumber: Beleniotis
Sebelum membangun pembangkit, diperlukan penelitian awal seperti curah hujan, limpasan
(run-off) dan topografi daerah tangkapan air. Penelitian lebih lanjut termasuk lokasi sungai
yang cocok dan danau di dekat calon pembangkit. Setelah itu barulah dilakukan
perancangan pembangkit yaitu meliputi pengukuran karakteristik asupan air, perhitungan
jalur perpipaan, dan pemilihan dan perhitungan turbin dan generator.
2014
2
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
Gambar 4.2. Diagram mikrohidro
4.2. Perancangan
Langkah pertama dalam merancang sebuah sistem mikrohidro adalah untuk mengevaluasi
sumber daya air dengan mengukur tinggi jatuh air vertikal (head) dan laju aliran (flowrate) air
sungai. Kedua pengukuran pengukuran tersebut diperlukan untuk menghitung potensi
energi dari aliran air sungai tersebut. Juga pengukuran harus dilakukan pada pipa air
menuju turbin dan panjang saluran transmisi listrik (dari turbin ke pengguna) untuk
menghitung kerugian sistem. Tinggi jatuh air dan laju aliran akan menentukan ukuran sistem
pipa, jenis turbin, kecepatan putaran, dan ukuran pembangkit.
Jadi dalam perancangan perlu dilakukan hal-hal berikut ini
•
•
Evaluasi sumber daya air
•
Perhitungan kerugian dari sistem
•
2014
Pengukuran potensi produksi energi
Perhitungan output total daya
3
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
4.2.1. Evaluasi Sumber Daya Air
Suatu lokasi dikatakan sesuai untuk dibangun PLTA mikro hidro apabila memenuhi kriteriakriteria berikut ini:
•
•
Mempunyai tinggi jatuh air yang besar (jarak vertikal antara asupan air dan turbin)
•
Dekat dengan pengguna dan memiliki akses ke lokasi yang mudah.
•
Mempunyai laju aliran air yang tinggi
Jika mungkin, terdapat tampungan air untuk memastikan air aliran stabil.
Dari keempat kriteria tersebut, tinggi jatuh air dan laju aliran adalah faktor-faktor utama
dalam pemilihan lokasi PLTA mikro hidro.
4.2.1.1 Pengukuran Laju Aliran Air
Untuk mengukur laju aliran air (debit) terdapat beberapa metode. Metode kecepatan-luas
adalah metode konvensional untuk sungai kelas menengah sampai besar meliputi
pengukuran luas penampang sungai dan kecepatan rata-rata air melalui penampang
tersebut. Penampang sungai didekati dengan bentuk trapesium sehingga luas penampang
sungai bisa dihitung dengan rumus:
=
Ar
(a + b ) × h
2
m2
di mana
a = lebar sungai atas (m)
b = lebar sungai bawah (m)
h = kedalaman rata-rata air di sungai (m)
Pengukuran kedalaman rata-rata air sungai ditunjukkan dalam Gambar 4.3.
2014
4
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.1)
Gambar 4.3. Pengukuran kedalaman rata-rata air sungai
Karena kecepatan baik melintang aliran maupun secara vertikal adalah tidak sama, maka
perlu untuk mengukur kecepatan air di sejumlah titik untuk mendapatkan nilai rata-rata.
Kecepatan dapat diukur dengan benda terapung, yang diletakkan di tengah aliran sungai
seperti pada Gambar 4.4. Waktu (t) detik yang diperlukan untuk melintasi panjang tertentu
(L) dalam meter dicatat. Kecepatan permukaan (m/det) diberikan oleh:
Vrs =
L
m/det
s
Gambar 4.4. Pengukuran kecepatan air dengan benda terapung
2014
5
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.2)
Untuk memperkirakan kecepatan aliran rata-rata (Vr), nilai di atas harus dikalikan dengan
faktor koreksi, yang nilainya bervariasi antara 0,6 dan 0,85, tergantung pada kedalaman
aliran air dan kekasaran tepi dan dasar sungai (biasanya diambil nilai tengah 0,75).
Vr = 0,75 Vrs m/det
(4.3)
Sehingga laju aliran (debit) dapat dihitung sebagai berikut:
Q = ArVr m3 / det
(4.4)
4.2.1.2 Pipa Pesat
Pipa pesat yang digunakan untuk menyalurkan air dari pintu air (intake) ke turbin dapat
dipasang di atas atau di dalam tanah, tergantung pada faktor-faktor seperti sifat tanah,
bahan pipa, dan suhu sekitar. Diameter bagian dalam pipa pesat dapat ditentukan dari laju
aliran air, panjang pipa dan tinggi jatuh air kotor (gross) sebagai berikut:
np2Q 2Lp
Dp = 2,69
H
g
m
(4.5)
di mana
np = koefisien Manning
Q = laju aliran air (m3/det)
Lp = panjang pipa pesat (m)
Hg = tinggi jatuh air kotor (gross) (m)
Tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg) adalah jarak vertikal antara tinggi permukaan air di pintu air
(intake) dan di saluran keluar (tailrace) untuk turbin reaksi seperti turbin Francis dan Kaplan
dan tinggi nozzle untuk turbin impuls seperti turbin Pelton, Turgo dan aliran melintang
(cross-flow).
2014
6
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
Ketebalan dinding pipa pesat tergantung pada bahan pipa, kekuatan tarik, diameter pipa dan
tekanan operasi. Ketebalan dinding minimum yang direkomendasikan adalah:
=
tp
Dp + 508
400
+ 1,2 mm
(4.6)
di mana Dp = diameter pipa pesat (mm).
Gambar 4.5. Pipa pesat
4.2.1.3 Daya Turbin
Daya yang dihasilkan pada poros turbin diberikan oleh:
Pt = ρ gHnQηt W
di mana
ρ = massa jenis air (1000 kg/m3)
Hn = tinggi jatuh air bersih (net) (m)
Q = laju aliran air (m3/det)
g = konstanta percepatan gravitasi (9,8 m/det2).
ηt = efisiensi turbin (biasanya 80-90%)
2014
7
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.7)
Tinggi jatuh air bersih (net) (Hn) dapat dihitung dari tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg)
dikurangi rugi-rugi sepanjang jalurnya, seperti rugi-rugi dari pintu air (inlet) ke pipa pesat dan
rugi-rugi gesekan gesekan pipa pesat.
Efisiensi turbin (ηt) didefinisikan sebagai perbandingan daya yang dihasilkan oleh turbin
(daya mekanik yang ditransmisikan oleh poros turbin) terhadap daya yang diserap (daya
hidrolik yang setara dengan debit yang diukur di bawah tinggi jatuh air bersih).
4.2.1.4 Kecepatan Turbin
Untuk mengendalikan kecepatan turbin dengan mengatur laju aliran air, diperlukan inersia
pada komponen berputar. Tambahan inersia dapat diberikan oleh roda gila pada poros
turbin atau generator. Ketika beban terputus, kelebihan daya mempercepat roda gila,
kemudian ketika beban terhubung kembali, perlambatan pada inersia tambahan memasok
daya tambahan yang membantu meminimalkan variasi kecepatan. Persamaan dasar dari
sistem berputar adalah sebagai berikut:
(
dω
1
=
Pt − Pl − Bω 2
dt Jω
)
(4.8)
di mana
ω = kecepatan turbin (rad/det).
Pt = daya turbin (W)
Pl = daya beban (W)
B = koefisien torsi gesekan turbin dan generator (Nm/(rad/det)).
J = momen inersia sistem rotasi keseluruhan (kg/m2)
Ketika P=
Pl − Bω 2 , dω dt = 0 dan ω = tetap, operasi adalah tetap stabil. Ketika Pt lebih
t
besar atau lebih kecil dari Pl − Bω 2 , kecepatan tidak tetap dan governor harus melakukan
intervensi sehingga daya keluaran turbin sesuai dengan daya output generator.
Penyelesaian persamaan (4.8) adalah:
ω
=
2014
8
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pt − Pl
B
−2 B
−2 B
t
t
2
J
J
1
ω
e
e
−
+
0
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.9)
Kecepatan turbin dalam rpm dapat ditentukan sebagai berikut:
N=
60ω
2π
Gambar 4.6. Turbin air mikrohidro
2014
9
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.10)
4.3. Daftar Pustaka
1. Beleniotis, K. Design of a Micro-Hydro-Power Plant in Sisimiut Greenland. DTU Arctic
Technology Centre
2. Canyon Hydro. Guide to Hydropower.
3. Department Of Energy. (2009). Manuals and Guidelines for Micro-hydropower
Development in Rural Electrification, Volume I.
4. ESHA. (2004). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant.
5. Nasir, B. A. (2013). Design of Micro - Hydro - Electric Power Station. International
Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume-2, Issue-5.
6. Power from the Lanscape. (2009). How to Develop a Micro Hydro Scheme.
2014
10
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
Energi
Terbarukan
Rancangan Dasar Pembangkit
Tenaga Turbin Air Sederhana
Fakultas
Program Studi
Teknik
Teknik Mesin
Tatap Muka
04
Kode MK
Disusun Oleh
W131700011
Dr. Ir. Ignatius Agung Wibowo M.Sc.
Abstract
Kompetensi
Perancangan pembangkit tenaga turbin
air sederhana dilakukan dalam berbagai
tahap dan perancangan dilakukan
untuk setiap komponen sistem.
Setelah memahami materi yang
disajikan pada modul ini anda
diharapkan mampu mengoptimasi
rancangan dasar pembangkit tenaga
turbin air sederhana.
4.1. Pendahuluan
Pembangkit listrik jenis mikro hidro adalah PLTA yang biasanya memproduksi hingga 100
kW listrik menggunakan aliran air alami (run-of-river), atau skema pengalihan air.
Gambar 4.1. Pembangkit listrik mikro hidro
Sumber: Beleniotis
Sebelum membangun pembangkit, diperlukan penelitian awal seperti curah hujan, limpasan
(run-off) dan topografi daerah tangkapan air. Penelitian lebih lanjut termasuk lokasi sungai
yang cocok dan danau di dekat calon pembangkit. Setelah itu barulah dilakukan
perancangan pembangkit yaitu meliputi pengukuran karakteristik asupan air, perhitungan
jalur perpipaan, dan pemilihan dan perhitungan turbin dan generator.
2014
2
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
Gambar 4.2. Diagram mikrohidro
4.2. Perancangan
Langkah pertama dalam merancang sebuah sistem mikrohidro adalah untuk mengevaluasi
sumber daya air dengan mengukur tinggi jatuh air vertikal (head) dan laju aliran (flowrate) air
sungai. Kedua pengukuran pengukuran tersebut diperlukan untuk menghitung potensi
energi dari aliran air sungai tersebut. Juga pengukuran harus dilakukan pada pipa air
menuju turbin dan panjang saluran transmisi listrik (dari turbin ke pengguna) untuk
menghitung kerugian sistem. Tinggi jatuh air dan laju aliran akan menentukan ukuran sistem
pipa, jenis turbin, kecepatan putaran, dan ukuran pembangkit.
Jadi dalam perancangan perlu dilakukan hal-hal berikut ini
•
•
Evaluasi sumber daya air
•
Perhitungan kerugian dari sistem
•
2014
Pengukuran potensi produksi energi
Perhitungan output total daya
3
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
4.2.1. Evaluasi Sumber Daya Air
Suatu lokasi dikatakan sesuai untuk dibangun PLTA mikro hidro apabila memenuhi kriteriakriteria berikut ini:
•
•
Mempunyai tinggi jatuh air yang besar (jarak vertikal antara asupan air dan turbin)
•
Dekat dengan pengguna dan memiliki akses ke lokasi yang mudah.
•
Mempunyai laju aliran air yang tinggi
Jika mungkin, terdapat tampungan air untuk memastikan air aliran stabil.
Dari keempat kriteria tersebut, tinggi jatuh air dan laju aliran adalah faktor-faktor utama
dalam pemilihan lokasi PLTA mikro hidro.
4.2.1.1 Pengukuran Laju Aliran Air
Untuk mengukur laju aliran air (debit) terdapat beberapa metode. Metode kecepatan-luas
adalah metode konvensional untuk sungai kelas menengah sampai besar meliputi
pengukuran luas penampang sungai dan kecepatan rata-rata air melalui penampang
tersebut. Penampang sungai didekati dengan bentuk trapesium sehingga luas penampang
sungai bisa dihitung dengan rumus:
=
Ar
(a + b ) × h
2
m2
di mana
a = lebar sungai atas (m)
b = lebar sungai bawah (m)
h = kedalaman rata-rata air di sungai (m)
Pengukuran kedalaman rata-rata air sungai ditunjukkan dalam Gambar 4.3.
2014
4
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.1)
Gambar 4.3. Pengukuran kedalaman rata-rata air sungai
Karena kecepatan baik melintang aliran maupun secara vertikal adalah tidak sama, maka
perlu untuk mengukur kecepatan air di sejumlah titik untuk mendapatkan nilai rata-rata.
Kecepatan dapat diukur dengan benda terapung, yang diletakkan di tengah aliran sungai
seperti pada Gambar 4.4. Waktu (t) detik yang diperlukan untuk melintasi panjang tertentu
(L) dalam meter dicatat. Kecepatan permukaan (m/det) diberikan oleh:
Vrs =
L
m/det
s
Gambar 4.4. Pengukuran kecepatan air dengan benda terapung
2014
5
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.2)
Untuk memperkirakan kecepatan aliran rata-rata (Vr), nilai di atas harus dikalikan dengan
faktor koreksi, yang nilainya bervariasi antara 0,6 dan 0,85, tergantung pada kedalaman
aliran air dan kekasaran tepi dan dasar sungai (biasanya diambil nilai tengah 0,75).
Vr = 0,75 Vrs m/det
(4.3)
Sehingga laju aliran (debit) dapat dihitung sebagai berikut:
Q = ArVr m3 / det
(4.4)
4.2.1.2 Pipa Pesat
Pipa pesat yang digunakan untuk menyalurkan air dari pintu air (intake) ke turbin dapat
dipasang di atas atau di dalam tanah, tergantung pada faktor-faktor seperti sifat tanah,
bahan pipa, dan suhu sekitar. Diameter bagian dalam pipa pesat dapat ditentukan dari laju
aliran air, panjang pipa dan tinggi jatuh air kotor (gross) sebagai berikut:
np2Q 2Lp
Dp = 2,69
H
g
m
(4.5)
di mana
np = koefisien Manning
Q = laju aliran air (m3/det)
Lp = panjang pipa pesat (m)
Hg = tinggi jatuh air kotor (gross) (m)
Tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg) adalah jarak vertikal antara tinggi permukaan air di pintu air
(intake) dan di saluran keluar (tailrace) untuk turbin reaksi seperti turbin Francis dan Kaplan
dan tinggi nozzle untuk turbin impuls seperti turbin Pelton, Turgo dan aliran melintang
(cross-flow).
2014
6
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
Ketebalan dinding pipa pesat tergantung pada bahan pipa, kekuatan tarik, diameter pipa dan
tekanan operasi. Ketebalan dinding minimum yang direkomendasikan adalah:
=
tp
Dp + 508
400
+ 1,2 mm
(4.6)
di mana Dp = diameter pipa pesat (mm).
Gambar 4.5. Pipa pesat
4.2.1.3 Daya Turbin
Daya yang dihasilkan pada poros turbin diberikan oleh:
Pt = ρ gHnQηt W
di mana
ρ = massa jenis air (1000 kg/m3)
Hn = tinggi jatuh air bersih (net) (m)
Q = laju aliran air (m3/det)
g = konstanta percepatan gravitasi (9,8 m/det2).
ηt = efisiensi turbin (biasanya 80-90%)
2014
7
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.7)
Tinggi jatuh air bersih (net) (Hn) dapat dihitung dari tinggi jatuh air kotor (gross) (Hg)
dikurangi rugi-rugi sepanjang jalurnya, seperti rugi-rugi dari pintu air (inlet) ke pipa pesat dan
rugi-rugi gesekan gesekan pipa pesat.
Efisiensi turbin (ηt) didefinisikan sebagai perbandingan daya yang dihasilkan oleh turbin
(daya mekanik yang ditransmisikan oleh poros turbin) terhadap daya yang diserap (daya
hidrolik yang setara dengan debit yang diukur di bawah tinggi jatuh air bersih).
4.2.1.4 Kecepatan Turbin
Untuk mengendalikan kecepatan turbin dengan mengatur laju aliran air, diperlukan inersia
pada komponen berputar. Tambahan inersia dapat diberikan oleh roda gila pada poros
turbin atau generator. Ketika beban terputus, kelebihan daya mempercepat roda gila,
kemudian ketika beban terhubung kembali, perlambatan pada inersia tambahan memasok
daya tambahan yang membantu meminimalkan variasi kecepatan. Persamaan dasar dari
sistem berputar adalah sebagai berikut:
(
dω
1
=
Pt − Pl − Bω 2
dt Jω
)
(4.8)
di mana
ω = kecepatan turbin (rad/det).
Pt = daya turbin (W)
Pl = daya beban (W)
B = koefisien torsi gesekan turbin dan generator (Nm/(rad/det)).
J = momen inersia sistem rotasi keseluruhan (kg/m2)
Ketika P=
Pl − Bω 2 , dω dt = 0 dan ω = tetap, operasi adalah tetap stabil. Ketika Pt lebih
t
besar atau lebih kecil dari Pl − Bω 2 , kecepatan tidak tetap dan governor harus melakukan
intervensi sehingga daya keluaran turbin sesuai dengan daya output generator.
Penyelesaian persamaan (4.8) adalah:
ω
=
2014
8
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pt − Pl
B
−2 B
−2 B
t
t
2
J
J
1
ω
e
e
−
+
0
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.9)
Kecepatan turbin dalam rpm dapat ditentukan sebagai berikut:
N=
60ω
2π
Gambar 4.6. Turbin air mikrohidro
2014
9
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id
(4.10)
4.3. Daftar Pustaka
1. Beleniotis, K. Design of a Micro-Hydro-Power Plant in Sisimiut Greenland. DTU Arctic
Technology Centre
2. Canyon Hydro. Guide to Hydropower.
3. Department Of Energy. (2009). Manuals and Guidelines for Micro-hydropower
Development in Rural Electrification, Volume I.
4. ESHA. (2004). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant.
5. Nasir, B. A. (2013). Design of Micro - Hydro - Electric Power Station. International
Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume-2, Issue-5.
6. Power from the Lanscape. (2009). How to Develop a Micro Hydro Scheme.
2014
10
Energi Terbarukan
Imam Hidayat, ST, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning
http://www.mercubuana.ac.id