5

BAB II

TINJAUN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Marthin, dkk. (2014) melakukan penelitian tentang analisa pada pemanenan

air hujan dan pemanfaatannya untuk pembangkit listrik tenaga picohydro.

Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan air hujan yang terbuang percuma

untuk dijadikan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Konsep yang dibawa

adalah dengan menggunakan sistem pemanenan air hujan (rainwater

harvesting/RWH) yang ditampung terlebih dahulu dalam baik air yang kemudian

didistribusikan kedalam rumah turbin melalui saluran pipa. Turbin yang dipilih

dalam penelitian ini adalah jenis turbin pelton dengan sistem kerja menggunakan

nozzle untuk menambah tekanan aliran air. Hasil dari pengujian menunjukkan

bahwa sistem turbin tersebut menghasilkan efisiensi sebesar 78 %.

Chen, dkk (2012) melakukan penelitian tentang turbin air poros vertikal

(vertical axis water turbine) untuk pembangkit listrik pada pipa saluran air. Dalam

penelitian ini telebih dahulu dilakukan simulasi komputasional dinamika fluida dan

pengujian dalam skala lab. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan aplikasi

ANSYS CFD guna untuk mengetahui performa dari turbin air dan karakteristik

aliran air yang ada didalam pipa saluran tersebut. Setelah dilakukan simulasi,

kemudian beberapa prototipe dibuat dan diuji guna untuk mengukur power output

aktual dan membandingkan dengan hasil simulasi. Hasil dari penelitian ini

menunjukkan bahwa hasil yang diperoleh dari simulasi dapat menjadi panduan

yang baik dalam mendesain rotor atau turbin, walaupun terdapat perbedaan antara

hasil simulasi dengan pengujian.

Myint dan Win (2014) melakukan penelitian tentang desain dan simulasi

aliran pada blade turbin propeller dengan menggunakan aplikasi flow simulation

solidowrks. Parameter yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah ketinggian

jatuh air (head) dan mass flow rate yang digunakan sebagai parameter masukkan.

6

6

Ketinggian jatuh air (head) yang digunakan dalam penelitian ini adalah

sebesar 1,5 m, sementara untuk mass flow rate adalah sebesar 1,499 m3/s. Hasil

yang dicapai dalam penelitian tersebut adalah berupa distribusi kecepatan turbin

yaitu sebesar 10,949 m/s.

Gambar 2.1. Distribusi Kecepatan pada Turbin Propeller

(Sumber: Myint, 2014)

Souari, dkk (2013) melakukan penelitian tentang Simulasi Numerik aliran

pada putaran bucket turbin pelton. Metode komputasi yang digunakan dalam

penelitian ini adalah dengan menggunakan sliding mesh yang diterapkan dengan

FLUENT. Karakteristik utama yang diteliti adalah tekanan statis yang terkena pada

dinding bucket dan pergeseran lapisan air. Hasil yang didapat dalam penelitian ini

adalah ploting lapisan air yang mengenai bucket dengan beberapa variasi sudut

tembakan air. Selain dari pada itu hasil lain yang diperoleh adalah berupa ploting

tekanan statis yang terkena pada bucket dengan jumlah variasi yang sama. Dari

kedua hasil tersebut kemudian dibandingkan antara variasi yang satu dengan yang

lain untuk mencari variasi yang terbaik. Variasi yang terbaik didapatkan pada

bucket dengan sudut tembakan sebesar 80°, dimana pada posisi ini tekanan statis

yang didapatkan adalah yang paling besar.

Nuantong, dkk (2009) melakukan penelitian mengenai efek tekanan dan

kecepatan dari aliran fluida pada sudu turbin yang ditujukan untuk meningkatkan

efisiensi turbin air tersebut. Studi yang dilakukan pada penelitian ini adalah flow

simulation dengan menggunakan software Fluent. Turbin air yang digunakan dalam

penelitian ini adalah jenis hydro bulb turbine dengan sudu berjumlah lima dan

7

berputar pada 980 rpm. Ketinggian jatuh air yang diaplikasikan dalam penelitian

ini adalah sebesar 21 m. Sudut sirip pengarah (guide vane) menjadi parameter

variasi turbin yaitu sebesar 60°, 65°, dan 70°, dengan sudut twist turbin sebesar 25°

dan sudut sudu turbin sebesar 32°. Hasil yang didapatkan dalam penelitian ini

adalah tekanan maksimum dan tekanan minimum dari sertiap masing-masing

variasi turbin. Tekanan maksimum secara berurutan didapatkan sebesar 213 kPa,

217 kPa dan 207 kPa, sedangkan tekanan minimum sebesar -473 kPa, -465 kPa dan

-581 kPa. Selain dari pada itu juga didapatkan plot distribusi tekanan dan aliran

fluida pada turbin tersebut.

Gambar 2.2. Distribusi Tekanan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70°

(Sumber: Nuantong, 2012)

Gambar 2.3. Distribusi Kecepatan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70°

(Sumber: Nuantong, 2012)

Masjuri Musa, dkk. (2011) Melakukan penelitian tentang analisa CFD pada

turbin picohydro yang hemat biaya, dimana dalam penelitian ini dilakukan pada

kondisi head dan flow rate yang rendah. Evaluasi dalam penelitian ini lebih

berdasarkan pada parameter blade (sudu) guna untuk meningkatkan performa yang

sudah ada pada sebelumnya. Dalam penelitian ini lebih berfokus pada variasi hub

to tip ratio dan jumlah blade (sudu) yang digunakan. Nilai hub to tip ratio yang

digunakan sebagai parameter antara 0,4 – 0,7, sedangkan jumlah sudu yang

digunakan ada empat variasi yaitu 3, 4, 5 dan 6. Analisa simulasi pada setiap variasi

8

turbin dilakukan untuk mencari kecepatan arus optimum dan daya ouput yang

diperoleh. Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa sistem turbin

dengan nilai hub to tip ratio yang paling rendah yaitu 0,4 dengan jumlah sudu paling

sedikit yaitu 3 sudu, memberikan performa yang terbaik untuk turbin axial-flow.

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPH)

Pembangkit listrik tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga potensial

dan kinetik dari air menjadi energi listrik melalui sebuah turbin dan generator.

Daya teoritis yang dihasilkan oleh generator diperoleh dari hasil perkalian antara

efisiensi turbin dan generator. Daya yang dihasilkan juga sangat dipengaruhi oleh

tinggi jatuh (head) dan debit air. Oleh sebab itu keberhasilan dari suatu pembangkit

listrik tenaga air sangat tergantung pada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air

dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis.

Pembangkit listrik tenaga air terdapat beberapa klasifikasi, salah satunya

adalah pembangkit listrik tenaga picohydro (PLTPH). Pembagian jenis pembangkit

listrik tenaga air tersebut didasarkan pada daya keluaran yang dihasilkan.

Pembangkit listrik tenaga picohydro merupakan pembangkit listrik tenaga air yang

menghasilkan daya keluaran maksimum 5 kW. Berikut ini merupakan klasifikasi

jenis-jenis pembangkit listrik tenaga air menurut daya keluaran yang dihasilkan

Tabel 2.1 Klasifikasi daya keluaran dari sistem pebangkit listrik tenaga air

( Sumber : Williams & Porter, 2006)

Clasification Power Output

Large > 100 MW

Medium 10 – 100 MW

Small 1 – 10 MW

Mini 100kW – 1 MW

Micro 5 – 100 Kw

Pico < 5 Kw

2.2.2. Turbin Air

Dalam suatu sistem pembangkit listrik tenaga air turbin merupakan peralatan

yang memepunyai peran sangat penting. Turbin berfungsi untuk mengubah energi

9

potensial dan kinetik air menjadi energi puntir. Energi puntir inilah yang akan

dikonversi menjadi energi listrik oleh generator.

a. Jenis – Jenis Turbin

Turbin air dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis turbin, yaitu turbin implus dan

turbin reaksi. Klasifikasi ini lebih berdasarkan pada cara turbin tersebut dalam

merubah energi dari air.

Turbin Implus

Turbin implus adalah turbin yang seluruh energi-tersedia di dalam alirannya

diubah oleh nosel menjadi energi kinetik pada tekanan atmosfer sebelelum

fulida menyentuh sudu-sudu yang bergerak. Yang termasuk dalam

klasifikasi turbin implus adalah turbin pelton dan crosflow (Victor L.

Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).

Turbin Reaksi

Turbin reaksi sangat berlainan dengan turbin implus, dalam turbin reaksi

hanya sebagian energi fluida yang diubah menjadi energi kinetik dengan

mendalirnya fluida melalui pintu-pintu krepyak yang dapat disetel sebelum

memasuki rotor, dan pengubahan selebihnya terjadi didalam rotor. Yang

termasuk dalam klasifikasi turbin reaksi adalah turbin francis, turbin

propeler, dan turbin kalpan. (Victor L. Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).

b. Seleksi Awal Jenis Turbin

Pemilihan turbin yang akan digunakan merupakan suatu proses yang penting

didalam merancang sistem pembangkit listrik tenaga air. Pada umumnya pemilihan

tersebut didasarkan pada keadaan lokasi dimana akan diaplikasikannya sistem

pembangkit tersebut. Ketinggian jatuh (head) dan laju aliran massa (mass flow rate)

air merupakan parameter yang biasanya digunakan untuk pemilihan turbin pada

tahap awal.

Berikut ini merupakan gambar grafik sebagai acuan dalam pemilihan turbin

berdasarkan head dan mass flow rate:

10

Gambar 2.4. Grafik Aplikasi Turbin

(Sumber: Water turbine chart; 2012)

1) Turbin Kaplan

Turbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu

dibawah 20 meter. Teknik mengkorvesikan energi potensial air menjadi

energi mekanik roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan

kecepatan air. Roda air turbin kaplan menyerupai baling-baling dari

kipas angin, (Djiteng Marsudi).

Gambar 2.5. Turbin Kaplan

(Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)

11

2) Turbin Francis

Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini

digunakan untuk tinggi terjun sedang, yaitu antara 20 – 400 meter.

Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik

pada roda air turbin dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin

Francis termasuk dalam turbin reaksi, (Djiteng Marsudi).

Gambar 2.6. Turbin Francis

(Sumber: Permission Granted to Copy Under the Terms of the GNU Free

Documentation License)

3) Turbin Pelton

Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu diatas

300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi

energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses implus

sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin implus, (Djiteng

Marsudi).

Gambar 2.7. Turbin Pelton

(Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)

12

4) Turbin Cross Flow

Turbin cross flow adalah turbin air yang akhir-akhir ini dikembangkan

untuk debit air yang besarnya mencapai 30 m3/detik. Konstruksi turbin

ini digambarkan pada gambar dibawah, dan tampak bahwa roda air

turbin cross fl.ow panjang yang berfungsi menangkap air yang terjun

dari sungai. Panjangnya roda air ini tergantung pada bnyak sedikitnya

air yang akan ditangkap, (Djiteng Marsudi).

Dari berbagai jenis turbin konvensional yang ada, turbin kaplan merupakan

satu-satunya turbin yang dapat diaplikasikan dalam penelitian ini, karena hanya

membutuhkan head kurang dari 20 m. Namun jika dilihat dari sisi flow rate yang

dibutuhkan yaitu sebesar 0,01917 m3/s tidak ada satu pun turbin yang dapat

diaplikasikan dalam penelitian ini. Selain dari pada itu yang menjadi kendala dari

semua turbin tersebut adalah akan dipasang di dalam saluran pipa, sehingga akan

sedikit sulit untuk membuat instalasinya. Mengacu pada penelitian yang dilakukan

oleh Chen (2013) ia menggunakan turbin dengan tipe drag yang juga dipasang

dalam saluran pipa. Oleh karena itu dalam penelitian ini juga akan menggunakan

turbin dengan tipe drag dengan pertimbangan head dan kemudahan dalam instalasi.

Dalam pengkajian turbin angin, istilah Drag-type turbine adalah sebutan lain dari

Savonius rotor turbine. Berikut ini merukapan model dari turbin tipe drag.

Gambar 2.8. Solid dan hollow Drag-type Turbine

(Sumber: Chen, 2013)

13

2.2.3. Perhitungan Torsi Turbin

Torsi atau momen puntir merupakan komponen yang sangat penting untuk

menentukan daya keluaran dari suatu turbin. Nilai torsi didapatkan dari gaya

tangensial yang bekerja pada sudu turbin dikalikan dengan jari-jari rata-rata dari

turbin. (Fritz Dietzel, 1986)

Gambar 2.9. Gaya yang bekerja pada turbin

2.2.4. Komputasi Dinamika Fluida/Computational Dynamics Fluid (CFD)

Komputasi Dinamika Fluida biasanya disingkat sebagai CFD (Computational

Dynamics Fluid), merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan anda

untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. CFD

adalah cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan

algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari

aliran fluida tersebut. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara

memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya

dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika).

Pada analisis ini komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang

diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang

didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil

analisis yang lebih baik dapat dicapai, (Erwin ST., MT, dkk, 2014).

14

2.2.5. Flow Simulation Solidworks

Flow Simulation Solidworks adalah sebuah perangkat yang tersedia dalam

software solidworks yang digunakan untuk menganalisa aliran fluida guna untuk

memperoleh persamaan Navier-Stokes dari gerakan fluida tersebut, (John E

Matsson, Ph.D, 2014). Berikut ini adalah bagan alir dari tahap-tahap dalam

menggunakan Flow Simulation Solidworks:

Gambar 2.10. Flowchart analisa aliran fluida menggunakan Flow Simulation SolidWorks

(Sumber: John E Matsson, Ph.D, 2014)

Model the Part or Assembly in SolidWorks

Report

Set Up a Flow Simulation Project

Initialize the Mesh

Calculation Control Options

Insert Boundary Conditions

Choose Goals

Run Calculations

Acceptable

Solution ?

View Results

Refine Mesh

15

2.2.6. Permodelan Numerik

2.2.6.1. Computational Domain

Computational Domain merupakan suatu batas wilayah yang digambarkan

dengan prisma persegi panjang yang menyelimuti daerah perhitungan aliran dan

perpindahan panas dilakukan, (John E Matsson, Ph.D, 2014).

Pembuatan computational domain dengan Flow Simulation Solidworks

2014 dalam penelitian ini dilakukan pada seluruh rumah turbin dan sepanjang

sambungan pipa. Sehingga perhitungan yang akan dilakukan dalam simulasi adalah

pada seluruh volume air yang melewati pipa dan rumah turbin. Berikut ini

merupakan gambar computational domain pada permodelan rangkaian rumah

turbin dan sambungan pipa.

Gambar 2.11. Computational Domain

2.2.6.2. Computational Mesh dan Boundary Conditions

a. Computational Mesh

Computational mesh didalam flow simulation solidworks 2014 diibagun

secara otomatis berdasarkan dari computational domain yang telah dibuat

sebelumnya. Flow simulation solidworks 2014 mempunyai pilihan mesh yang

berupa tingkatan yaitu tingkat 1 sampai dengan 8. Semakin tinggi tingkatan yang

dipilih maka semakin akurat pula hasil yang akan didapatkan. Berikut ini

merupakan gambar meshing dari model rumah turbin dan sambungan pipa.

16

Gambar 2.12. Computational Mesh

b. Boundary Conditions

Sebuah kondisi batas (boundary conditions) diperlukan di setiap area di

mana terdapat aliran fluida masuk atau keluar model. Sebuah kondisi batas dapat

diatur dalam bentuk Tekanan, Mass Flow Rate, Volume Flow Rate atau Kecepatan.

Anda juga dapat menggunakan dialog Boundary Conditions dalam Flow Simulation

Solidworks 2014 untuk menentukan kondisi Ideal Wall pada sistem adiabatik,

Frictionless wall atau kondisi Real Wall untuk mengatur kekasaran dinding

dan/atau suhu dan/atau koefisien konduksi panas pada permukaan model yang

dipilih, (John E Matsson, Ph.D, 2014).

Kondisi batas (boundary conditions) yang akan diterapkan dalam penelitian

ini terdapat dua macam yaitu kondisi batas saluran masuk dan kondisi batas saluran

keluar. Kondisi batas saluran masuk diatur dalam bentuk Volume Flow Rate,

dimana sebagai parameter acuan dalam penelitian ini. Sedangkan untuk kondisi

batas saluran keluar diatur dalam bentuk Tekanan. Terdapat beberapa macam

pilihan tekanan dalam Flow Simulation Solidworks 2014, namun yang paling

dianjurkan adalam tekanan lingkungan (Environment pressure). Kondisi Tekanan

Lingkungan ditafsirkan sebagai tekanan statis untuk arus keluar dan sebagai

tekanan total untuk arus masuk.

17

Gambar 2.13. Kondisi Batas Saluran Masuk

Gambar 2.14. Kondisi Batas Saluran Keluar