Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)
Menurut (https://id.wikipedia.org/mikrohidro, 2016) Pembangkit Listrik
Tenaga Mikro Hidro pada prinsipnya 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. Hubungan antara turbin dengan
generator dapat menggunakan jenis sambungan belt ataupun sistem gear box.
Selanjutnya listrik yang dihasilkan generator ini akan melalui trafo guna
mendapatkan tegangan yang disesuaikan kebutuhan. Kemudian listrik akan
melewati jaringan transmisi rendah untuk dialirkan ke rumah-rumah.
Yang perlu diperhatikan dalam merancang sebuah PLTMH adalah
menyesuaikan antara debit air yang tersedia dengan besarnya generator yang
digunakan. Jangan sampai generator yang dipakai terlalu besar atau keci dari debit
air yang ada. Generator yang tidak sesuai juga akan menyebabkan tingkat efisiensi
rendah.
6
Gambar 2.1 : Skema PLTMH (https://udai08.blogspot.co.id/pembangkit-listrik-
tenaga-mikrohidro, 2011)
2.2 Prinsip Kerja PLTMH
PLTMH pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah air
yang jatuh ( debit ) perdetik yang ada pada saluran air/air terjun. Energi ini
selanjutnya menggerakkan turbin, kemudian turbin kita hubungkan dengan
generator untuk menghasilkan listrik. Hubungan antara turbin dengan generator
dapat menggunakan jenis sambungan sabuk (belt ) ataupun sistem gear box. Jenis
sabuk yang biasa digunakan untuk PLTMH skala besar adalah jenis flat belt
sedangkan V-belt digunakan untuk skala di bawah 20 kW. Selanjutnya listrik yang
dihasilkan oleh generator ini dialirkan ke rumah-rumah dengan memasang
pengaman ( sekring ). Yang perlu diperhatikan dalam merancang sebuah PLTMH
adalah menyesuaikan antara debit air yang tersedia dengan besarnya generator yang
digunakan. Jangan sampai generator yang dipakai terlalu besar atau terlalu kecil
7
dari debit air yang ada. Potensi daya air mikrohidro dapat dihitung dengan
persamaan:
Daya ( P ) = 9,8 x Q x ρ x H x ηT ; (Fritz Dietzel, Turbin pompa dan kompresor,
1980).
dimana :
Q = Debit aliran ( m3/s )
H = Head / tinggi jatuh air (m)
9,81 = Konstanta gravitasi bumi (m
s2)
ρ = Kerapatan massa air ( kg
m3)
ηT = Efisiensi keseluruhan
2.2.1 Turbin Air Crossflow
Salah satu turbin impuls yang banyak dipakai pada listrik tenaga mikrohidro
adalah turbin Crossflow (aliran silang). Turbin jenis Crossflow merupakan jenis
turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Bangki
(Honggaria), dan Frits Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas
desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan
Weymouth. Turbin ini sering disebut turbin ossberger, yang memperoleh hak paten
pertama pada 1922.
Sebagai suatu turbin aliran radial atmosferik, yang bekerja pada
tekananatmosfir, turbin crossflow menghasilkan daya dengan mengkonversikan
8
energi kecepatan pancaran air. Meninjau karakteristik kecepatan spesifiknya, ia
berada diantara turbin pelton dan francis aliran campur.
Turbin crossflow terdiri atas dua bagian utama, nozzle dun runner. Dua
piringan sejajar disatukan pada lingkar luarnya oleh sejumlah sudu membentuk
konstruksi yang disebut runner. Nozzle berpenampang persegi, mengeluarkan
pancaran air ke selebar runner dan masuknya dengan sudu 15° s/d 16° terhadap
garis singgung lingkar luar runner. Bentuk pancaran adalah persegi, lebar dan tidak
terlalu tebal. Air masuk ke sudu-sudu pada rim runner mengalir di atasnya , keluar
melintas ruang kosong di antara bagian dalam rim, dan akhirnya keluar dari runner.
Dengan demikian, ia merupakan turbin pancaran kedalam. Dan Karena pada
dasarnya alirannya adalah radial, diameter runner tidak bergantung pada besarnya
tumbukan air sedang panjang runner dapat ditentukan tanpa tergantung sejumlah
air.
2.2.2 Segitiga Kecepatan
Deskripsi Turbin crossflow (Banki Turbine) terdiri dari dua bagian, nozzle
dan runner turbin. Runner dibangun dari dua disk melingkar paralel bergabung
bersama di tepi dengan serangkaian sudu melengkung. Nosel, adalah luas
penampang aliran menuju runner, debit memasuki nozzle dibuka penuh oleh guide
vane pada sudut 15° s/d 16°. Bentuk aliran nozzle adalah persegi panjang.
9
Gambar 2.2. Alur Air Memintas Turbin
𝑐1 = Ø (2𝑔 H) 1
2 (m/det)
Dimana :
Ø = koefisien, harganya tergantung nozzle
Setelah kecepatan keliling U1 diketahui, kecepatan relatif aliran di sisi masuk W1
dapat ditentukan. Sudut yang diapit dua kecepatan terakhir ini di namai sudut β1.
Agar diperoleh efisiensi maksimum, sudut sudut sudu di titik A harus sama dengan
β1. Lengkung AB menunjukan suatu sudu. Kecepatan nisbi W2 dan kecepatan
keliling U2 di sisi keluar, mengapit sudut β2 di titik itu. Kecepatan mutlak aliran C2
dapat ditentukan dari W2 , β2 atau U2. Sudut yang dibentuk dua kecepatan C2 atau
U2 adalah alur mutlak lintasan air diatas lengkung sudut AB bias ditentukan seperti
halnya titik senyatanya tempat air meninggalkan sudu. Dengan kecepatan mutlak
C2 tidak mengalami perubahan titik C tempat air kembali masuk rim dapat
10
ditemukan. Di titik ini C2 menjadi C3 dan alur lintasan air diatas lengkung sudut
CD bias dipastikan pula.
Maka:
α3 = α2
β3 = β2
β1 = β4
Karena semua sudut itu saling berkaitan pada sudu yang sama.
Tentu tidak keseluruhan (garis arus-pent) pancaran dapat mengikuti alur mutlak ini,
bebrapa alur partikel air cenderung saling bersilangan di dalam runner seperti pada
“Gambar 2.2” dengan memperlihatkan pendekatan keadaan sebenarnya. Sudut-
sudut perpotongan θ dan θ1 mencapai maksimum di masing-masing sisi terluar
pancaran.
Gambar 2.3. Persilangan Aliran Memintas Turbin
11
2.2.3 Lintasan Arah Aliran Air
Gambar 2.4: Lintasan aliran air pada turbin crossflow
menggambarkan pola aliran yang diinginkan, di mana semua lini aliran memiliki
kecepatan yang benar dan sudut masuk setiap radius R1 sehingga kondisi berikut
ini berlaku:
𝑟 𝑐𝑢 = konstan
Dengan asumsi kondisi aliran terpenuhi, semua aliran akan memasuki pelari di R1
memiliki komponen kecepatan yang sama dalam arah cu0 perifer. Jika selanjutnya
diasumsikan bahwa seluruh energi tekanan telah diubah menjadi energi kinetik
pada akhir inlet, kecepatan 𝑐 mutlak setiap baris aliran mendekati R1 sesuai dengan
kecepatan aliran bebas.
12
Gambar 2.5: kondisi aliran ideal di inlet
Jika 𝑐𝑢 dan 𝑐 memiliki nilai konstan sepanjang pintu masuk sudut R1 kecepatan
absolut a0 di pintu masuk ke pelari yang konstan juga. Oleh karena itu garis kurva
ideal inlet membentuk sudut konstan antara singgung dari suatu titik pada kurva
inlet dan vektor radius menjadi asal kurva inlet.
2.2.4 Daerah Aliran Masuk Runner
Daerah aliran masuk adalah produk dari 𝑏0 lebar inlet dan panjang L dari busur
masuk, seperti yang ditunjukkan pada gambar
A = b0 · L
di mana panjang masuk busur L ditentukan dari busur sudut L dan diameter runner
D = 2 · R1
13
Daerah aliran masuk yang dibutuhkan tergantung pada aliran diinginkan melalui
turbin bawah kondisi kepala yang spesifik, menurut persamaan
Q = A · V
Dimana :
Q = debit yang masuk (𝑚3/s)
A = luas penampang aliran masuk (𝑚2)
V = Kecepatan aliran (m/s)
Komponen kecepatan tegak lurus terhadap daerah aliran masuk setara dengan
komponen kecepatan absolut di meridional arah cm, dan ada-kedepan:
Q = A · cm
Komponen kecepatan absolut di meridional arah cm juga dapat dinyatakan dengan
relasi:
cm = c · sin 𝛼
dimana:
α = sudut kecepatan absolut
c = kecepatan absolut
14
Gambar 2.6: daerah aliran masuk air dari turbin crossflow.
Jika kita mengganti komponen absolut dengan kecepatan yang sesuai, mengabaikan
kerugian akibat gesekan aliran, c dapat dinyatakan sebagai:
Dimana:
g = konstanta gravitasi (𝑚/𝑠2)
H = Head air
c = rata-rata kecepatan pada nozzle (kecepatan aliran diatas dan
dibawah sudu pengarah
Oleh karena itu, debit melalui turbin dapat ditulis dalam cara yang berbeda, dengan
menggunakan substitusi di atas:
Q = A . V
= A . 𝑐𝑚
= 𝑏0 . 𝐿 . 𝑐𝑚
= 𝑏0 . 2𝑅1 . 𝜋 . 𝜙 . 𝑐 . sin 𝛼
360
15
2.2.5 Menggambar Geometry Blade
Agar dapat merancang pelari lintas Arus yang benar, sangat penting untuk
menentukan geometri sudu, dan dalam melakukan hal ini, diasumsikan bahwa
parameter berikut telah dipilih berdasarkan pertimbangan hidrolik dan
segitiga kecepatan yang diinginkan:
Keterangan :
𝑅1 = Jari-jari terluar runner
𝑅2 = Jari-jari dalam runner
𝑏1 = Sudut blade luar
𝑏2 = Sudut blade dalam
Gambar 2.7: segitiga kecepatan dan formula terkait untuk turbin crossflow
16
Hal ini diasumsikan, bahwa garis kerangka pisau adalah segmen lingkaran,
seperti biasanya terjadi di turbin Cross Flow, parameter geometri lainnya
adalah:
𝑟𝑏 = radius kelengkungan blade
𝑟𝑝 = radius lingkaran lapangan
𝑑 = sudut segmen blade
Untuk melihat hubungan geometris antara parameter 𝑅1, 𝑅2, 𝑏1, 𝑏2, dan 𝑟𝑏, 𝑟𝑝
dan d, sejumlah parameter tambahan perlu diperkenalkan seperti yang
ditunjukkan pada gambar.
Gambar 2.8: penggambaran blade geometry
Dalam urutan yang diperlukan untuk menghitung parameter d, rb dan rp
berdasarkan parameter yang dikenal R1, R2, p1 dan p2. Penggambaran dari
17
geometri glade dapat digunakan untuk memverifikasi nilai yang dihitung C, E,
ξ, ɸ, d°, d bisa diketahui dari persamaan sebagai berikut :
• Untuk mencari besarnya sudut-sudut Geometry Blade
C = √𝑅12 + 𝑅2
2 − 2 . 𝑅1 . 𝑅2 . cos( 𝛽1 + 𝛽2)
E = arc sin [ 𝑅2 . sin(𝛽1 + 𝛽2)
𝐂]
ξ = 180° - ( 𝛽1 + 𝛽2 + E )
ɸ = 𝛽1 + 𝛽2 - (180° - 2 . ξ)
dD = 180° - 2(𝛽1 + E)
• Untuk mencari panjang garis penghubung Geometry Blade
dD = 𝑅1 𝑠𝑖𝑛 ø
2 . sin(180°− ξ )
𝑟𝑏 = 𝑑
cos(𝛽1+ 𝐸)
𝑟𝑃 = √𝑟𝑏2 + 𝑅1
2 − 2 . 𝑟𝑏 . 𝑅1 . cos 𝛽1
2.2.6 Analisa Kerja Turbin
Berikut adalah parameter – parameter yang dibutuhkan dalam pegujian dan
analisa kerja turbin.
A. Torsi
Gaya yang bekerja pada poros turbin, dikalikan dengan jarak dari
titik tengah poros, adalah torsi. Pengukuran massa dilakukan dengan
18
menggunakan timbangan pegas pada poros turbin saat berputar. Jika massa
diketahui maka torsi dapat dihitung. Pengukuran massa dilakukan
bersamaan dengan pengukuran putaran turbin sehingga dapat diketahui
besarnya nilai torsi pada saat putaran sedang berlangsung.
Gambar 2.9 : Contoh grafik hubungan torsi terhadap putaran
Dari Gambar 2.9 dapat diketahui bahwa dengan semakin tinggi
putaran maka torsi pun semakin kecil. Torsi atau gaya tangensial
dipengaruhi oleh selisih antara kecepatan relatif air keluar sudu pada arah u
(W2u) dikurangi kecepatan relatif air masuk sudu pada arah u (W1u).
Dengan meningkatnya head maka kecepatan meridian keluar sudu (C2m),
kecepatan tangensial masuk atau keluar sudu (U1=U2), kecepatan relatif
keluar sudu (W2) juga ikut meningkat. Dengan demikian, torsi yang
dihasilkan oleh turbin juga ikut meningkat.
B. Daya
Daya poros dan daya hidrolis/teoritis merupakan parameter penting
dalam mengetahui efisiensi turbin. Daya poros merupakan daya output hasil
0
8000
6000
3500
0
7500
5000
2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 300 500 700
Tors
i
Putaran
Torsi - putaran
Series 1 Series 2
19
dari putaran pada poros turbin. Sedangkan daya hidrolis/teoritis adalah daya
input air yang masuk kedalam turbin.
Gambar 2.10 : Grafik hubungan head terhadap daya
Pada grafik hubungan antara head dan daya terdapat dua jenis daya yaitu
daya poros dan daya hidrolis. Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa
semakin tinggi head maka akan semakin besar pula daya hidrolis/teoritis
yang dihasilkan. Hal ini karena bila head (H) bertambah maka daya
hidrolis/teoritis (P) juga ikut meningkat. Hal ini sesuai dengan rumus
berikut ini :
P = 9,8 x Q x ρ x H x η_T
Sama halnya dengan daya hidrolis, daya poros pun akan semakin besar jika
headnya semakin tinggi. Seperti pada penjelasan sebelumnya bahwa dengan
bertambah tingginya head, maka torsi (T) dan putaran (n) juga ikut
meningkat, sehingga daya turbin juga ikut meningkat.
20
C. Efisiensi Turbin
Total efisiensi turbin crossflow mini dengan ketinggian yang kecil
adalah 55% sepanjang aliran. Efisiensi maksimum dari turbin menengah
dan besar dengan Ketingian yang besar, adalah 80%.
Dalam Gambar 2.11 diilustrasikan Kelebihan dari turbin crossflow.
Aliran air sungai dalam kurun waktu setahun aliran sungai menjadi sangat
kecil untuk beberapa bulan. Selama bulan-bulan tersebut, kemampuan
turbin untuk menghasilkan listrik tergantung pada program efisiensi dari
turbin yang yang dipakai. Dalam keadaan normal, turbin mencapai efisiensi
tinggi, namun selama arus air kecil, efisiensi agak rendah, mencapai output
tahunan yang lebih rendah ditempat-tempat dengan variabel aliran air
dimana turbin dengan efisiensi kurva yang tetap datar.
Gambar 2.11: Kurva efisiensi turbin crossflow
21
2.3 Perangkat Lunak computational fluid dynamics (CFD)
CFD adalah metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan
aliran fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam
kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu
kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta
menggunakan persamaan-persamaan fluida.
CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas
dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan
perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang
berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa
bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing.
Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontol penghitungan yang
akan dilakukan oleh aplikasi atau software. Kontrol-kontrol penghitungan ini
beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang
disebutkan tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan
dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary
condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses
penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer.
2.4 Proses Simulasi computational fluid dynamics (CFD)
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika
melakukan simulasi CFD, yaitu : Prepocessor, Processor dan Postprocessor.
22
A. Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian
domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition. Ditahap
itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan
jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing.
B. Processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input
dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan
dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai
yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap
volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.
C. Postprocessor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar,
grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu.
Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali
digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa
terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu
yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design
engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal lain yang
mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu
masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam
mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor,
kontur dan bahkan animasi. Ditinjau dari istilahnya, Computational Fluid Dynamics
(CFD) bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan kita untuk
mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.