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.